CN109003886B - 中厚外延的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种中厚外延的制备方法，包括以下步骤：包括以下步骤：步骤一、进行腔体刻蚀，其中，在腔体的基座和出气口之间设置吸热装置，步骤二、在基座上生长一层多晶硅层；步骤三、硅片进入腔体进行外延生长。本发明可以降低外延制备的气体成本及保养成本，并且外延的质量更高。

Description

中厚外延的制备方法
技术领域
本发明涉及一种中厚外延的制备方法。
背景技术
外延工艺是利用三氯一氢硅或二氯二氢硅与氢气的还原反应，在单晶衬底硅片上生长出单晶外延，其广泛应用于功率分立器件、微电子机械加工系统等很多半导体器件中，器件应用及结构的不同需要不同的外延厚度，已知的应用中，从小于1微米～大于100微米均有采用。根据不同应用及结构对外延质量的要求，结合生产成本的考虑，工业界开发出多片式外延设备，对于8英寸硅片来说，如意大利LPE公司的3061机型，以及美国应用材料公司的Centura机型与美国ASM公司的Episilon机型。
多片式外延设备与单片式相比，随着沉积外延厚度的增加，成本优势愈明显，但其在产品质量，包括厚度及电阻率的片内均匀性、表观缺陷、自掺杂等，也处于劣势。随着对外延产品质量的要求愈来愈高，利用单片式外延设备生长厚外延是一个可能的选择。然而利用现有的工艺水平，经过发明者的测算，对于厚度大于15微米的外延，单片式外延设备的生产成本，主要包括气体成本及保养成本，明显高于多片式外延设备。因此需要一种制造中厚外延的方法，降低气体成本及保养成本。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提供一种中厚外延的制备方法。
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种中厚外延的制备方法，包括以下步骤：步骤一、进行腔体刻蚀，其中，在腔体的基座和出气口之间设置吸热装置，首先进行15～20秒的升温，将腔体温度升至1120℃～1170℃，在此过程中，通氢气3～5升/分钟；然后进行第一步刻蚀，时长10～15秒，温度维持在1120℃～1170℃，通氢气3～5升/分钟，并且通氯化氢15～20升/分钟；然后进行第二步刻蚀，时长8*(T-4)至8*T秒，最少持续15～20秒，T为在腔体内的硅片上需要生长的外延厚度，温度维持在1120℃～1170℃，通氢气15～20升/分钟，并且通氯化氢15～20升/分钟；步骤二、在基座上生长一层多晶硅层；步骤三、硅片进入腔体进行外延生长。
根据本发明的一个实施方案，所述的步骤二的多晶硅层厚度为0.7～0.9微米。
根据本发明的一个实施方案，所述的步骤二的多晶硅层厚度为0.8微米。
根据本发明的一个实施方案，所述的步骤三外延生长时氢气的流量为30～35升/分钟。
根据本发明的一个实施方案，所述的步骤三外延生长时控制氢气进气口的流量，具体是使用多孔喷嘴来进行控制，多孔喷嘴包括五个喷嘴孔，第一喷嘴孔和第五喷嘴孔控制流经腔体两侧的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在30～35升/分钟，第二喷嘴孔和第四喷嘴孔控制流经腔体半中心区域的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在30～35升/分钟，第三喷嘴孔控制流经腔体中心区域的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在30～35升/分钟。
中心区域是指硅片圆心至半径四分之一处的圆形范围，半中心区域是指硅片半径四分之一处至四分之三处的圆形范围。
根据本发明的一个实施方案，所述的步骤三外延生长时控制腔体的温度，具体方法是使用热电偶测量腔体内部的实时温度，根据热电偶提供的温度数据调整腔体的温度，热电偶包括前热电偶、侧热电偶和后热电偶，前热电偶设置于基座的前方，后热电偶设置于基座的后方，侧热电偶设置于基座的侧边，并且在硅片的正下方设置测温和控温的中心热电偶。
根据本发明的一个实施方案，所述的腔体温度的调整通过设置于腔体外侧上方和下方的灯管进行加热实现，具体是腔体的上方均匀设置若干灯管，下方均匀设置若干灯管，上方的灯管和下方的灯管垂直。
根据本发明的一个实施方案，所述吸热装置为碳化硅制成或者表面涂有碳化硅涂层。
根据本发明的一个实施方案，所述的中厚外延使用单片式外延设备制备。
根据本发明的一个实施方案，所述的单片式外延设备为八英寸单片式外延设备。
本发明进行腔体刻蚀时，在腔体的基座和出气口之间设置吸热装置，刻蚀的氢气用量从55升/分钟和80升/分钟可降低为20升/分钟，故将未安装吸热装置情况下的刻蚀的氢气的用量(5.7T+27.9)升缩短为(2.7T-2.4)升，T为在腔体内的硅片上需要生长的外延厚度。步骤二中先在基座上生长一层多晶硅层，减少反应物在硅衬底片背面的沉积，即避免中厚外延常见的“背面长硅”缺陷。多晶硅层的厚度为0.8微米，经过多次实验最终得出，允许范围为0.8+/-0.1微米。其主要的作用为防止厚外延过程中背面长出硅瘤，而若薄于0.7微米，则对改善硅瘤不明显；而若厚于0.9微米，则对产能及成本产生影响。步骤三外延生长时氢气的流量从60升/分钟降低到35升/分钟，外延生长速率由4.0微米/分钟提升至4.8微米/分钟，外延生长时间的缩短进一步减少了氢气及硅源的用量，对于厚度为T微米的外延，氢气用量可减少4.6T升，硅源用量可减少20％。生长速率的提升带来了厚度、阻值均匀性及滑移线调试等问题，但通过对进气口流量分布与温度分布(通过工艺菜单中对于中心电偶、前热电偶、侧热电偶及后热电偶不同的补偿值来设置的，以达到片内温度分布的均匀，一般片内49个测温点的温度分布小于10度。另外，绝对温度是通过腔体上方和下方的灯管来加热，并通过中心电偶的测温及反馈达到的)的重新调整得以解决，其中通过对腔体前热电偶、侧热电偶及后热电偶补偿所测区域进行热量补偿(根据温度的分布来调整各个热电偶的补偿值，以达到片内温度均匀的目的，加热是通过选择灯管进行的，灯管加热后电偶测温，测温反馈到中央处理器，计算要达到设定温度后需要多少功率，再通过在选择的灯管上加多少功率达到加热的效果)，从原先的片内温差(是指前热电偶、侧热电偶及后热电偶所测区域与中心热电偶所测区域之间的温度差)允许的18℃收紧至10℃。
而由于氯化氢对腔体内各零件如基座、热电偶、基座环、石英支撑架等均有腐蚀作用，故氯化氢刻蚀时间和流量的降低可进一步延长腔体内各原件的寿命。经过发明者多次设备保养验证结果证明，腔体内各主要零件的寿命，包括基座及基座环、热电偶等的寿命可由45,000微米延伸至大于60,000微米，使用周期更长但外观更佳，凭此，可将设备保养成本降低至少33.3％。
使用本发明制备外延，结合各类气体与腔体零件的单价计算，在外延厚度小于40微米的情况下，ASM单片式外延设备的外延成本与LPE3061多片式外延设备的成本接近。从成本角度看，相同成本下，单片式外延设备外延生长的厚度范围可从小于15微米扩展至40微米，而考虑到单片式外延设备的外延质量，主要包括表观缺陷及厚度、阻值均匀性等，普遍优于多片式外延设备，单片式外延设备的中厚外延的开发成功具有重要意义。
附图说明
图1为本发明单片式外延设备的腔体的结构示意图；
图2为腔体上表面的灯管分布示意图；
图3为腔体下表面的灯管分布示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细的描述：
实施例1
本实施例中厚外延的制备方法，包括以下步骤：步骤一、进行腔体1刻蚀，其中，在腔体1的基座和出气口之间设置吸热装置，
步骤a、首先进行15秒的升温，将腔体1温度升至1120℃，在此过程中，通氢气3升/分钟；
步骤b、然后进行第一步刻蚀，时长10秒，温度维持在1120℃，通氢气3升/分钟，并且通氯化氢15升/分钟；
步骤c、然后进行第二步刻蚀，时长8*(T-4)秒，最少持续15秒，T为在腔体1内的硅片上需要生长的外延厚度，如客户的某个类型的产品外延厚度规格为6微米或30微米，T即对应设定为6或30，温度维持在1120℃，通氢气15升/分钟，并且通氯化氢15升/分钟；
所述吸热装置为碳化硅制成或者表面涂有碳化硅涂层。
步骤二、在基座上生长一层多晶硅层；多晶硅层厚度为0.7微米。
步骤三、硅片进入腔体1进行外延生长：外延生长时氢气的流量为30升/分钟；控制氢气进气口的流量，具体是使用多孔喷嘴来进行控制，通过质量流量计来监测，多孔喷嘴包括五个喷嘴孔，第一喷嘴孔和第五喷嘴孔控制流经腔体1两侧的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在30升/分钟，第二喷嘴孔和第四喷嘴孔控制流经腔体1半中心区域的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在30升/分钟，第三喷嘴孔控制流经腔体1中心区域的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在30升/分钟，中心区域是指硅片圆心至半径四分之一处的圆形范围，半中心区域是指硅片半径四分之一处至四分之三处的圆形范围。五个喷嘴孔的分布即为：第三喷嘴孔位于中间，第二喷嘴孔和第四喷嘴孔位于第三喷嘴孔的两侧，第一喷嘴孔和第五喷嘴孔分别位于第二喷嘴孔和第四喷嘴孔的两侧。
同时控制腔体1的温度，具体方法是使用热电偶测量腔体1内部的实时温度，根据热电偶提供的温度数据调整腔体1的温度，热电偶包括前热电偶7、侧热电偶9和后热电偶8，前热电偶7设置于基座5的前方，后热电偶8设置于基座5的后方，侧热电偶9设置于基座5的侧边，同时，硅片正下方设置测温和控温(灯管12加热后中心热电偶10测温，测温反馈到中央处理器，计算要达到设定温度后需要多少功率，再通过在灯管12上加多少功率达到加热的效果)。每次热电偶的更换导致的热电偶本身的差异，或者每次热电偶的安装导致的安装位置的差异通过补充热量进行补偿。
如图2和图3所示，所述的腔体1温度的调整通过设置于腔体1外侧上方和下方的灯管12进行加热实现，具体是腔体1的上方均匀设置若干灯管12，下方均匀设置若干灯管12，上方的灯管12和下方的灯管12垂直。上方设置九根灯管12，下方设置八根灯管12。通过对腔体前热电偶7、侧热电偶9及后热电偶8补偿所测区域进行热量补偿，根据温度的分布来调整各个热电偶的补偿值，以达到片内温度均匀的目的，加热是通过灯管12进行的，灯管12加热后电偶测温，测温反馈到中央处理器，计算要达到设定温度后需要多少功率，再通过在灯管12上加多少功率达到加热的效果，如果需要使腔体前部升温2℃，就选择腔体前部的两根灯管12进行加热，或调整前部两根灯管12的功率进行加热，控制升温2℃。这样从原先的片内温差(是指前热电偶7、侧热电偶9及后热电偶8所测区域与中心热电偶10所测区域之间的温度差)允许的18℃收紧至10℃。
如图1所示，腔体1通过设置于腔体1外侧上方和下方的灯管12进行加热，温度通过中心热电偶10、前热电偶7、后热电偶8和侧热电偶9进行监测，腔体1包括位于一侧的进气口2和位于相对侧的出气口3，基座5位于腔体1的中部，基座5的外围设置矩形的基座环6，硅片4放置于基座5的中心，其中，中心热电偶10设置于基座5和基座环6的正下方，即硅片的正下方，前热电偶7设置于基座5的前方，后热电偶8设置于基座5的后方，侧热电偶9设置于基座5的侧边。吸热装置11位于基座5和出气口3之间，靠近出气口3，且位于腔体1内的上半部，紧挨腔体1的上壁板，起吸热作用。吸热装置11为碳化硅制成或者表面涂有碳化硅涂层。
实施例2
本实施例中厚外延的制备方法，包括以下步骤：步骤一、进行腔体1刻蚀，其中，在腔体1的基座和出气口之间设置吸热装置，
步骤a、首先进行20秒的升温，将腔体1温度升至1170℃，在此过程中，通氢气5升/分钟；
步骤b、然后进行第一步刻蚀，时长15秒，温度维持在1170℃，通氢气5升/分钟，并且通氯化氢20升/分钟；
步骤c、然后进行第二步刻蚀，时长8*(T-2)秒，最少持续20秒，T为在腔体1内的硅片上需要生长的外延厚度，温度维持在1170℃，通氢气20升/分钟，并且通氯化氢20升/分钟；
所述吸热装置为碳化硅制成或者表面涂有碳化硅涂层。
使用本实施例的方法制备外延和原有方法相比的情况，见表1优化前的方法和表2本实施例的方法，其中，T为外延的厚度：
表1，其中R表示Ramp，即该步为升温步骤，H表示腔体中通入氢气H2，E表示Etch，表示该步骤中也有通入氯化氢HCL进行腔体刻蚀。
步骤 升温 刻蚀1 刻蚀2 刻蚀3 灯管12自检
时间(秒) 20 4T+4 5 4T+4 12
温度 1190R 1190 1190 1190 1190
氢气(升/分钟) 5H 5H 55H 80H 80H
氯化氢(升/分钟) 20E 20E 20E 20E 20E
氯化氢2(升/分钟) 1E 1E 1E 1E 1E
表2，其中S表示Suspend，即只有当该步的实际温度到达1170℃时，才会进入下一步骤。若不加S，则档实际温度到达1160℃或1180℃后，就会进入下一步骤。即在温度值后加S，主要是确保腔体实际温度真正到达1170℃以确保刻蚀效果。
Figure GDA0002596082500000071
步骤二、在基座上生长一层多晶硅层；多晶硅层厚度为0.9微米。
步骤三、硅片进入腔体1进行外延生长：外延生长时氢气的流量为35升/分钟；控制氢气进气口的流量，具体是使用多孔喷嘴来进行控制，通过质量流量计来监测，多孔喷嘴包括五个喷嘴孔，第一喷嘴孔和第五喷嘴孔控制流经腔体1两侧的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在35升/分钟，第二喷嘴孔和第四喷嘴孔控制流经腔体1半中心区域的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在35升/分钟，第三喷嘴孔控制流经腔体1中心区域的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在35升/分钟，五个喷嘴孔的分布即为：第三喷嘴孔位于中间，第二喷嘴孔和第四喷嘴孔位于第三喷嘴孔的两侧，第一喷嘴孔和第五喷嘴孔分别位于第二喷嘴孔和第四喷嘴孔的两侧。
同时控制腔体1的温度，具体方法是使用热电偶测量腔体1内部的实时温度，根据热电偶提供的温度数据调整腔体1的温度，热电偶包括前热电偶7、侧热电偶9和后热电偶8，前热电偶7设置于基座5的前方，后热电偶8设置于基座5的后方，侧热电偶9设置于基座5的侧边，同时，硅片正下方设置测温和控温的中心热电偶10，进行测温和控温。每次热电偶的更换导致的热电偶本身的差异，或者每次热电偶的安装导致的安装位置的差异通过补充热量进行补偿。
所述的腔体1温度的调整通过设置于腔体1外侧上方和下方的灯管12进行加热实现，具体是腔体1的上方均匀设置若干灯管12，下方均匀设置若干灯管12，上方的灯管12和下方的灯管12垂直。上方设置九根灯管12，下方设置八根灯管12。
如图1所示，腔体1通过设置于腔体1外侧上方和下方的灯管12进行加热，温度通过中心热电偶10、前热电偶7、后热电偶8和侧热电偶9进行监测，腔体1包括位于一侧的进气口2和位于相对侧的出气口3，基座5位于腔体1的中部，基座5的外围设置矩形的基座环6，硅片4放置于基座5的中心，其中，中心热电偶10设置于基座5和基座环6的正下方，即硅片的正下方，前热电偶7设置于基座5的前方，后热电偶8设置于基座5的后方，侧热电偶9设置于基座5的侧边。吸热装置11位于基座5和出气口3之间，靠近出气口3，且位于腔体1内的上半部，紧挨腔体1的上壁板，起吸热作用。吸热装置11为碳化硅制成或者表面涂有碳化硅涂层。
实施例3
本实施例中厚外延的制备方法，包括以下步骤：步骤一、进行腔体1刻蚀，其中，在腔体1的基座和出气口之间设置吸热装置，
步骤a、首先进行17秒的升温，将腔体1温度升至1150℃，在此过程中，通氢气4升/分钟；
步骤b、然后进行第一步刻蚀，时长12秒，温度维持在1150℃，通氢气4升/分钟，并且通氯化氢17升/分钟；
步骤c、然后进行第二步刻蚀，时长8*T秒，最少持续18秒，T为在腔体1内的硅片上需要生长的外延厚度，温度维持在1150℃，通氢气18升/分钟，并且通氯化氢18升/分钟；
所述吸热装置为碳化硅制成或者表面涂有碳化硅涂层。
使用本实施例的方法制备外延和原有方法相比的情况，见表1优化前的方法和表2本实施例的方法，其中，T为外延的厚度：
步骤二、在基座上生长一层多晶硅层；多晶硅层厚度为0.8微米。
步骤三、硅片进入腔体1进行外延生长：外延生长时氢气的流量为33升/分钟；控制氢气进气口的流量，具体是使用多孔喷嘴来进行控制，通过质量流量计来监测，多孔喷嘴包括五个喷嘴孔，第一喷嘴孔和第五喷嘴孔控制流经腔体1两侧的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在33升/分钟，第二喷嘴孔和第四喷嘴孔控制流经腔体1半中心区域的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在33升/分钟，第三喷嘴孔控制流经腔体1中心区域的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在33升/分钟，五个喷嘴孔的分布即为：第三喷嘴孔位于中间，第二喷嘴孔和第四喷嘴孔位于第三喷嘴孔的两侧，第一喷嘴孔和第五喷嘴孔分别位于第二喷嘴孔和第四喷嘴孔的两侧。
同时控制腔体1的温度，具体方法是使用热电偶测量腔体1内部的实时温度，根据热电偶提供的温度数据调整腔体1的温度，热电偶包括前热电偶7、侧热电偶9和后热电偶8，前热电偶7设置于基座5的前方，后热电偶8设置于基座5的后方，侧热电偶9设置于基座5的侧边，同时，硅片正下方设置测温和控温的中心热电偶10，进行测温和控温。每次热电偶的更换导致的热电偶本身的差异，或者每次热电偶的安装导致的安装位置的差异通过补充热量进行补偿。
所述的腔体1温度的调整通过设置于腔体1外侧上方和下方的灯管12进行加热实现，具体是腔体1的上方均匀设置若干灯管12，下方均匀设置若干灯管12，上方的灯管12和下方的灯管12垂直。上方设置九根灯管12，下方设置八根灯管12。
如图1所示，腔体1通过设置于腔体1外侧上方和下方的灯管12进行加热，温度通过中心热电偶10、前热电偶7、后热电偶8和侧热电偶9进行监测，腔体1包括位于一侧的进气口2和位于相对侧的出气口3，基座5位于腔体1的中部，基座5的外围设置矩形的基座环6，硅片4放置于基座5的中心，其中，中心热电偶10设置于基座5和基座环6的正下方，即硅片的正下方，前热电偶7设置于基座5的前方，后热电偶8设置于基座5的后方，侧热电偶9设置于基座5的侧边。吸热装置11位于基座5和出气口3之间，靠近出气口3，且位于腔体1内的上半部，紧挨腔体1的上壁板，起吸热作用。吸热装置11为碳化硅制成或者表面涂有碳化硅涂层。
本发明中的实施例仅用于对本发明进行说明，并不构成对权利要求范围的限制，本领域内技术人员可以想到的其他实质上等同的替代，均在本发明保护范围内。

Claims (8)

1.一种中厚外延的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、进行腔体刻蚀，其中，在腔体的基座和出气口之间设置吸热装置，首先进行15～20秒的升温，将腔体温度升至1120℃～1170℃，在此过程中，通氢气3～5升/分钟；然后进行第一步刻蚀，时长10～15秒，温度维持在1120℃～1170℃，通氢气3～5升/分钟，并且通氯化氢15～20升/分钟；然后进行第二步刻蚀，时长8*(T-4)至8*T秒，最少持续15～20秒，T为在腔体内的硅片上需要生长的外延厚度，温度维持在1120℃～1170℃，通氢气15～20升/分钟，并且通氯化氢15～20升/分钟；步骤二、在基座上生长一层多晶硅层；所述的步骤二的多晶硅层厚度为0.7～0.9微米；步骤三、硅片进入腔体进行外延生长；所述的步骤三外延生长时氢气的流量为30～35升/分钟。
2.根据权利要求1所述的中厚外延的制备方法，其特征在于，所述的步骤二的多晶硅层厚度为0.8微米。
3.根据权利要求1所述的中厚外延的制备方法，其特征在于，所述的步骤三外延生长时控制氢气进气口的流量，具体是使用多孔喷嘴来进行控制，多孔喷嘴包括五个喷嘴孔，第一喷嘴孔和第五喷嘴孔控制流经腔体两侧的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在30～35升/分钟，第二喷嘴孔和第四喷嘴孔控制流经腔体半中心区域的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在30～35升/分钟，第三喷嘴孔控制流经腔体中心区域的反应气体流量大小，使得氢气流量大小保持在30～35升/分钟。
4.根据权利要求1或3所述的中厚外延的制备方法，其特征在于，所述的步骤三外延生长时控制腔体的温度，具体方法是使用热电偶测量腔体内部的实时温度，根据热电偶提供的温度数据调整腔体的温度，热电偶包括前热电偶、侧热电偶和后热电偶，前热电偶设置于基座的前方，后热电偶设置于基座的后方，侧热电偶设置于基座的侧边，并且在硅片的正下方设置测温和控温的中心热电偶。
5.根据权利要求4所述的中厚外延的制备方法，其特征在于，所述的腔体温度的调整通过设置于腔体外侧上方和下方的灯管进行加热实现，具体是腔体的上方均匀设置若干灯管，下方均匀设置若干灯管，上方的灯管和下方的灯管垂直。
6.根据权利要求1所述的中厚外延的制备方法，其特征在于，所述吸热装置为碳化硅制成或者表面涂有碳化硅涂层。
7.根据权利要求1所述的中厚外延的制备方法，其特征在于，所述的中厚外延使用单片式外延设备制备。
8.根据权利要求7所述的中厚外延的制备方法，其特征在于，所述的单片式外延设备为八英寸单片式外延设备。
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