CN113363138A - 外延生长方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及半导体器件的制造，具体涉及外延生长方法和设备，外延生长方法为在外延生长过程中，从反应气出口侧提供进入冷却腔的冷却气。外延生长设备中包括冷却气进口，冷却气进口分布于冷却腔上靠近反应气出口侧的位置上。本发明的外延生长方法以及外延生长设备能够在300mm的硅片上一次完成50um厚膜外延的生长，且不会在反应腔上产生覆盖层。

Description

外延生长方法和设备
技术领域
本发明涉及半导体器件的制造，具体涉及外延生长方法和设备。
背景技术
目前300mm硅外延领域，外延生长50um厚度的外延层一般需要通过分布进行，通常的步骤是，单次生长不超过10um厚度的薄层外延层，通过多次外延生长逐步到达厚膜外延的要求厚度。无法直接单次连续外延生长的原因是，外延生长的过程，随着时间的延长，反应腔内的温度会逐渐升高，增加了副反应的发生，衬底中的杂质会逸出至反应腔内，从而影响外延层的电阻率，温度升高同时会在反应腔内表面上形成覆盖层，导致外延温度无法准确控制。多次外延生长虽然能够避免反应时间过长导致的温度上升问题，然而，多次生长又会产生新的问题，通过多次外延生长形成的厚膜外延层，因掺杂的不连续提供，在生长的每层交界面，会有掺杂的不连贯性。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够在300mm硅片一次完成厚膜外延生长的外延生长方法。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种外延生长方法，在外延生长过程中，从反应气出口侧提供进入冷却腔的冷却气。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述的外延生长于N型超重掺砷的衬底之上。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述的衬底电阻率为0.002-0.003ohm-cm。
在本发明第一方面的一些实施例中，所述的衬底背面结构为：先生长二氧化硅膜，然后生长多晶硅，最后再生长二氧化硅膜。
本发明的第二方面提供一种外延生长设备，包括冷却气进口，冷却气进口分布于冷却腔上靠近反应气出口侧的位置上。
在本发明第二方面的一些实施例中，冷却腔上沿反应气方向设置的槽形进口，所述的槽形进口在反应气进口侧可拆卸设置有挡板，挡板挡于槽形进口靠近反应气进口侧的局部上，从而在槽形进口靠近反应气出口侧的局部上形成冷却气进口。
本发明的外延生长方法能够在诸如300mm的大尺寸硅片上一次完成如50um的厚膜外延生长，且不会在反应腔上产生覆盖层。
附图说明
图1为实施例单次生长形成的外延片和多次生长形成的外延片的SRP图。
图2为外延炉的反应腔温度对比图。
图3为现有技术中反应腔形成覆盖层的示意图。
图4为实施例反应腔中无覆盖层的示意图。
图5为实施例冷却腔顶部的结构示意图。
图6为图5的A-A面剖视图。
图中：1.实施例单次生长形成的外延片SRP曲线，2.多次生长形成的外延片的SRP曲线，3.(界面处的)波动，4.未添加挡板的反应腔温度曲线，5.添加了挡板后反应腔温度曲线，100.冷却腔，101.挡板，102.槽形进口，110.冷却气进口，103.冷却腔壁体，200.反应腔，201.反应腔壁体，a.冷却气，b.反应气，w.晶片。
具体实施方式
以下，结合实施例和附图对于本发明作进一步说明。
针对现有技术中无法进行诸如50um厚度的厚膜外延的单次生长，本发明的外延方法为在外延生长过程中，从反应气出口侧提供进入冷却腔的冷却气。这是由于本发明发现，在外延的生长过程中，沿反应气的流动方向，越靠近反应腔出口侧，反应气的温度越高，并且外延沉积过程中的大部分副反应，以及反应腔形成的覆盖层(coating)也位于该侧，而在反应气进口处的位置则温度较低，现有技术一般都着眼于反应腔的整体温度，忽略了反应腔内部局部温度的特征。本发明通过发现该问题的存在并加以利用，通过在反应气出口侧提供进入冷却腔的冷却气，增强了该部分的冷却，有效的降低了的副反应的发生，避免了在反应腔的内壁上形成覆盖层，从而实现了在300mm硅片上通过单次生长形成厚膜外延，且该厚膜外延的掺杂连贯，大大降低了制备工艺的成本，能够被用于生长高压器件。
所述的衬底电阻率为0.002-0.003ohm-cm。所述的衬底背面结构为：先生长二氧化硅膜，然后生长多晶硅，最后再生长二氧化硅膜。该结构的衬底能够有效的控制衬底的杂质逸出，进而减少自掺杂的发生，有利于厚膜外延的生长。
本实施例中还涉及外延生长设备，参考图6，在反应腔200的上方为冷却腔100，在冷却腔100上方的冷却腔壁体103上开设有多个槽形进口102，结合图5所示，槽型进口102一般沿反应气b的主体流动方向开设，在现有技术中，这种进口的设置方式仅考虑了反应炉整体温度的变化，但是却没有察觉到反应腔内局部的温度变化特征，本发明发现在造成大尺寸晶片无法单次生长形成超厚外延的原因主要在于反应气b在反应腔的末端温度过高，导致了靠近反应气出口一侧容易产生更多的副反应，从而影响了外延生长的质量，并且容易在该侧的反应腔的壁体上形成覆盖层。因此，本实施例的冷却气进口110分布于冷却腔100上靠近反应气出口侧的位置上。冷却气a由靠近反应气出口侧的位置进入冷却腔100中也是基于上述发现的在反应气出口位置的温度过高，大部分副反应发生于该侧的问题。冷却气a由分布于靠近反应气出口侧位置的冷却进口进入冷却腔100中，直接吹向反应腔壁表面，与该位置的反应腔壁进行换热，相对于在反应气流向上的全长分布，仅分布于靠近反应气出口侧位置能够让冷却气具有更高的流速，从而能够直接到达反应腔的外壁上进行充分的换热，加强了该部分的冷却效果，有效的降低的副反应的发生，避免了在反应腔的内壁上形成覆盖层，同时，冷却气a自身的压力也会让其部分能够流动到达靠近反应气进口侧中，对反应腔200的进口侧进行适当的冷却。该外延生长设备能够被用于的进行300mm硅片的单次生长形成诸如50um的厚膜外延，得到的厚膜外延掺杂连贯，大大降低了制备工艺的成本，能够被用于生长高压器件。
上述结构可以通过对现有反应炉设备进行改进得到，参考图5，可通过增加挡板101覆盖于槽形进口102靠近反应气进口一侧的位置上，从而在槽形进口102靠近反应气出口侧的局部上形成冷却气进口110。采用的挡板可以采用具有良好散热性能的材质制作得到，与冷却腔之间可通过焊接，螺纹连接、卡接等任意连接方式连接。
在实际的外延生长中，将300mm的衬底放入本实施例外延生长设备中，反应气从反应气进口进入经过所述的衬底并从反应气出口流出，在高温下，在衬底的表面发生外延沉积，从而形成外延层，在外延反应的过程中，冷却气从冷却气进口进入，对位于反应气出口一侧的反应腔体进行冷却，有效的抑制的副反应的发生，最终形成了50um厚膜外延层。得到的外延层具有连续的掺杂，因而具有连续稳定的电阻率(参考图1)，大大降低了制备工艺的成本，能够被用于生长高压器件。
在大尺寸硅片的厚膜外延生长时，反应气从反应气进口进入反应腔中，于晶片表面沉积形成预定厚度的外延层，反应气经过晶片后从反应气出口被排出，在进行外延生长的同时，由于挡板的限制，冷却气从靠近反应气出口一侧的槽形进口进入对反应腔壁进行冷却，由于挡板缩小了槽形进口的长度，冷却气在经过槽形进口时流速提高，从而能够直接吹至反应腔壁表面进行换热，换热的效果被显著的提高。其与在相同情况下不设置挡板的反应腔相比，反应腔内的温度可参见图2，槽形进口添加了挡板后反应腔温度曲线5显著的低于槽形进口未添加挡板的反应腔温度曲线4，从而保障了厚膜外延能够通过单次生长成形，如图1所示，通过多次生长形成的外延片的SRP曲线2在界面处显然存在波动3，本实施例单次生长形成的外延片SRP曲线1相较于多次生长形成的外延片的SRP曲线2更加稳定和连续，外延片质量得到了显著的提升。
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 (6)

1.一种外延生长方法，其特征在于在外延生长过程中，从反应气出口侧提供进入冷却腔的冷却气。
2.如权利要求1所述的外延生长方法，其特征在于所述的外延生长于N型超重掺砷的衬底之上。
3.如权利要求2所述的外延生长方法，其特征在于所述的衬底电阻率为0.002-0.003ohm-cm。
4.如权利要求2所述的外延生长方法，其特征在于所述的衬底背面结构为：先生长二氧化硅膜，然后生长多晶硅，最后再生长二氧化硅膜。
5.一种外延生长设备，其特征在于包括冷却气进口，冷却气进口分布于冷却腔上靠近反应气出口侧的位置上。
6.如权利要求5所述的外延生长设备，其特征在于冷却腔上沿反应气方向设置的槽形进口，所述的槽形进口在反应气进口侧可拆卸设置有挡板，挡板挡于槽形进口靠近反应气进口侧的局部上，从而在槽形进口靠近反应气出口侧的局部上形成冷却气进口。
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