CN109797375A - 硅基外延片厚度均匀性的改善方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种硅基外延片厚度均匀性的改善方法，其特征在于，适用于MOCVD高转速系统，改善方法包括：在硅衬底表面外延生长GaN层的过程中，调整石墨盘的转速至500～1200r/min，并根据石墨盘的转速通入匹配的气流，控制相应的温度和压力，其可改善晶圆片厚度的均匀性，有效解决了硅基外延片膜厚均匀性的技术问题，在实际应用中，该改善方法改善后的膜厚偏差可减少40％以上。

Description

硅基外延片厚度均匀性的改善方法
技术领域
本发明涉及半导体技术领域，尤其是一种硅基外延片厚度均匀性的改善方法。
背景技术
MOCVD(金属有机化合物化学气相沉淀)机台分为高转速和低转速两种系统，低转速系统的机台包括德国AIXTRON公司的Crius系列和G系列，优点是均匀性好；高转速系统包括美国VEECO公司的K系列及国内中微半导体公司的D480、A7机台，由于其系统内不同位置的wafer线速度差异较大，导致气流差异大，进而导致同一晶圆表面厚度分布不均匀，如图1所示，同一晶圆片表面A处和B处厚度差异较大。再有，随着A/B处厚度差异的加大，会导致晶圆片产生翘曲(A/B处同时翘起)，出现外高内低的现象，导致中心位置的生长速率下降，进而导致晶圆片表面其他位置的厚度比A/B处的厚度都薄。
发明内容
为了克服以上不足，本发明提供了一种硅基外延片厚度均匀性的改善方法，有效解决现有技术中使用MOCVD高转速系统在硅衬底表面生长外延片时引起的外延片厚度分布不均匀的技术问题。
本发明提供的技术方案包括：
一种硅基外延片厚度均匀性的改善方法，适用于MOCVD高转速系统，所述改善方法包括：在硅衬底表面外延生长GaN层的过程中，调整石墨盘的转速至500～1200r/min(转/分钟)，并根据石墨盘的转速通入匹配的气流，控制相应的温度和压力。
进一步优选地，在通入的气流中，N2的流量为10～64L/min，H2的流量为65～150L/min(升/分钟)，NH3的流量为35～65L/min。
进一步优选地，压力范围为100～200Torr(压强单位)。
进一步优选地，温度范围为900～1130℃(摄氏度)。
进一步优选地，所述硅衬底为2英寸、3英寸、4英寸、6英寸或8英寸硅晶圆。
本发明提供的硅基外延片厚度均匀性的改善方法，调整MOCVD高转速系统至低转速的同时控制通入相应的气流，在特定的压力和温度下生长GaN层，尤其是nGaN层的生长，石墨盘的转动速度调整后，图1中A/B处气流的差异变小，从而改善晶圆片的翘曲，减少中心位置和边缘位置厚度的差异，进而改善晶圆片厚度的均匀性，有效解决了硅基外延片膜厚均匀性的技术问题，在实际应用中，该改善方法改善后的膜厚偏差可减少40％以上。
附图说明
图1为现有技术中石墨盘表面放置4个晶圆片示意图；
图2为实施例1中石墨盘外圈生长的n型GaN层厚度示意图；
图3为实施例1中石墨盘内圈生长的n型GaN层厚度示意图；
图4为实施例2中石墨盘外圈生长的n型GaN层厚度示意图；
图5为实施例2中石墨盘内圈生长的n型GaN层厚度示意图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。
基于现有技术中MOCVD高转速系统在硅衬底表面生长外延片时引起的外延片厚度分布不均匀的技术问题，本发明提出了一种适用于MOCVD高转速系统的硅基外延片厚度均匀性改善方法，具体，该MOCVD高转速系统可以为美国VEECO公司的K465i、C4、K700、K868机台，也可以为国内中微半导体公司的D480、A7机台；且该方法特指改善在硅衬底表面外延片时GaN层厚度不均匀的技术问题。
在不改变外延结构中其他层生长条件的前提下，在硅衬底(2英寸、3英寸、4英寸、6英寸或8英寸)表面生长GaN层时，调整石墨盘的转速至500～1200r/min，并根据石墨盘的转速通入匹配的气流，控制相应的温度和压力。具体，在通入的气流中，N2的流量为10～64L/min，H2的流量为65～150L/min，NH3的流量为35～65L/min，压力范围为100～200Torr，温度范围为900～1130℃。
实施例1：
1.将(111)晶向的硅衬底放置石墨盘上并送入反应腔中，加热至1000℃生长1.5μm厚的AlN/AlGaN缓冲层；
2.升温至1050℃，生长1μm厚的不掺杂GaN层(uGaN)。
3.在不掺杂GaN层上生长2μm厚的n型掺Si的GaN层，即n型GaN层。生长条件为：压力150Torr、温度1050℃、石墨盘转速1200r/min，N2、H2和NH3的流量分别为64L/min、120L/min和50L/min。
图2所示为石墨盘外圈(图1中置于石墨盘外圈的晶圆片)生长的n型GaN层厚度示意图，其中，图2(a)为晶圆片表面厚度示意图，图2(b)为箭头方向上各点厚度图，从图中看出，沿箭头的方向，n型GaN层最厚处的厚度约为5.06μm，最薄处的厚度约为4.6μm，相差0.46μm，膜厚偏差为3.06％；
图3所示为石墨盘内圈(图1中置于石墨盘内圈的晶圆片)生长的n型GaN层厚度示意图，其中，图3(a)为晶圆片表面厚度示意图，图3(b)为箭头方向上各点厚度图，从图中看出，沿箭头的方向，n型GaN层最厚处的厚度约为4.75μm，最薄处的厚度为4.48μm，相差0.27μm，膜厚偏差为1.87％。
实施例2：
1.将(111)晶向的硅衬底放置石墨盘上并送入反应腔中，加热至1000℃生长1.5um厚的AlN/AlGaN缓冲层；
2.升温至1050℃，生长1μm的不掺杂GaN层(uGaN)；
3.在不掺杂GaN层上生长2μm的n型掺Si的GaN层，即n型GaN层。生长条件为：压力150Torr、温度1050℃、石墨转速500r/min，N2、H2和NH3的流量分别为10L/min、70L/min和45L/min。
图4所示为石墨盘外圈(图1中置于石墨盘外圈的晶圆片)生长的n型GaN层厚度示意图，其中，图4(a)为晶圆片表面厚度示意图，图4(b)为箭头方向上各点厚度图，从图中看出，沿箭头的方向，n型GaN层最厚处的厚度约为4.90μm，最薄处的厚度约为4.66μm，相差0.24μm，膜厚偏差为1.95％；
图5所示为石墨盘内圈(图1中置于石墨盘内圈的晶圆片)生长的n型GaN层厚度示意图，其中，图5(a)为晶圆片表面厚度示意图，图5(b)为箭头方向上各点厚度图，从图中看出，沿箭头的方向，n型GaN层最厚处的厚度约为4.87μm，最薄处的厚度为4.72μm，相差0.15μm，膜厚偏差为1.01％。
根据实施例1和实施例2的实验结果，可以看出，在生长n型GaN层时，使用实施例2中的生长条件(压力150Torr、温度1050℃、石墨转速500r/min，N2、H2和NH3的流量分别为10L/min、70L/min和45L/min)后，使外圈膜厚偏差从3.06％改善到1.95％，内圈膜厚偏差从1.87％改善到1.01％，改善后的膜厚偏差可减少40％以上。
以上示例性的给出在硅衬底表面生长n型GaN层时，采用本发明方法对膜厚改善的实验结果说明，对于外延片中其他GaN层的生长较为类似，不做赘述。
应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种硅基外延片厚度均匀性的改善方法，其特征在于，适用于MOCVD高转速系统，所述改善方法包括：在硅衬底表面外延生长GaN层的过程中，调整石墨盘的转速至500～1200r/min，并根据石墨盘的转速通入匹配的气流，控制相应的温度和压力。
2.如权利要求1所述的改善方法，其特征在于，在通入的气流中，N2的流量为10～64L/min，H2的流量为65～150L/min，NH3的流量为35～65L/min。
3.如权利要求1所述的改善方法，其特征在于，压力范围为100～200Torr。
4.如权利要求1所述的改善方法，其特征在于，温度范围为900～1130℃。
5.如权利要求1所述的改善方法，其特征在于，所述硅衬底为2英寸、3英寸、4英寸、6英寸或8英寸硅晶圆。
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