CN115928205A - 用于硅片的外延生长方法 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及用于硅片的外延生长方法，其包括：在反应腔室的基座的用于放置硅片的表面上形成多晶硅层；使硅片进入反应腔室以被置于基座的表面上并向反应腔室通入H2；使反应腔室的温度达到第一预定温度；在第一预定温度下对硅片的表面进行H2烘烤持续第一预定时间；使反应腔室的温度达到第二预定温度；在第二预定温度下向反应腔室通入HCl气体持续第二预定时间；向反应腔室通入SiHCl3气体以在硅片的表面上沉积成膜；以及对反应腔室进行H2吹扫并使硅片卸载退出反应腔室。通过该方法，可以改善外延硅片表面的雾状缺陷。
Description
技术领域
本公开涉及半导体加工制造技术领域，具体地，涉及用于硅片的外延生长方法。
背景技术
外延生长指在单晶硅衬底上通过外延(Epitaxy)技术生长一层单晶薄膜的工艺过程。外延硅片的整个生产流程包括长晶、成型、抛光、清洗、外延等工序，其中外延作为最后一道重要工序，可以改善抛光硅片的晶体性质、原生缺陷、电阻率以及平坦度等。
在外延生长过程中，外延层上会出现许多缺陷，这些缺陷按所在位置大致可分为两类，即表面缺陷和体内缺陷，其中，表面缺陷指显露在外延层表面的缺陷，其可通过肉眼或金相显微镜观察到。
云雾状表面也称为雾状缺陷，其是一种存在于外延层表面的缺陷，会直接影响半导体的性能，例如，对于由具有雾状缺陷的外延硅片制成的器件，可能会存在少数载流子寿命下降、漏电流增加、离子击穿或软击穿、结退化、反型、集电极发射极穿通、MOS阈值电压漂移等一些可靠性问题。
因此，需要提供一种能够改善外延硅片的雾状缺陷的方法。
发明内容
本部分提供了本公开的总体概要，而不是对本公开的全部范围或所有特征的全面公开。
本公开的目的在于提供一种能够改善外延硅片的雾状缺陷的用于硅片的外延生长方法。
为了实现上述目，根据本公开的实施方式，提供了一种用于硅片的外延生长方法，其包括：
在反应腔室的基座的用于放置硅片的表面上形成多晶硅层；
使硅片进入反应腔室以被置于基座的表面上并向反应腔室通入H2；
使反应腔室的温度达到第一预定温度；
在第一预定温度下对硅片的表面进行H2烘烤持续第一预定时间；
使反应腔室的温度达到第二预定温度；
在第二预定温度下向反应腔室通入HCl气体持续第二预定时间；
向反应腔室通入SiHCl3气体以在硅片的表面上沉积成膜；以及
对反应腔室进行H2吹扫并使硅片卸载退出反应腔室。
在上述用于硅片的外延生长方法中，还可以包括：在使硅片进入反应腔室以被置于基座的表面上之前，将设置在基座的上侧的用于加热反应腔室的上灯模组的热发射率控制成比设置在基座的下侧的用于加热反应腔室的下灯模组的热发射率高。
在上述用于硅片的外延生长方法中，上灯模组的热发射率可以被控制成比下灯模组的热发射率高0.015-0.025。
在上述用于硅片的外延生长方法中，第一预定温度可以为1135℃。
在上述用于硅片的外延生长方法中，第一预定时间可以为60s-80s。
在上述用于硅片的外延生长方法中，第二预定温度可以为1125℃。
在上述用于硅片的外延生长方法中，HCl气体的流量可以为3slm-3.125slm。
在上述用于硅片的外延生长方法中，第二预定时间可以为10s-30s。
在上述用于硅片的外延生长方法中，使反应腔室的温度达到第一预定温度可以包括使反应腔室以3℃/s的速率升温至第一预定温度。
在上述用于硅片的外延生长方法中，向反应腔室通入SiHCl3气体以在硅片的表面上沉积成膜可以包括在SiHCl3气体进入反应腔室内之前，使SiHCl3气体吹扫通向反应腔室的管道持续一定时间。
根据本公开，通过在基座的表面上形成多晶硅层，抑制基座表面上的污染物扩散到硅片的表面上而被沉积到硅片表面，由此防止在外延硅片表面中形成雾状缺陷。而且，通过控制上灯模组的热发射率高于下灯模组的热发射率，使得硅片表面温度略高于基座温度，抑制基座表面的污染物扩散到外延硅片表面并去除硅片表面的自然氧化物和有机物；通过使H2烘烤时反应腔室的温度为1135℃，持续时间为60s-80s，彻底去除硅片表面的自然氧化物和有机物；此外，通过使HCl的刻蚀流量为3slm-3.125slm，反应腔室温度为1125℃，彻底去除硅片表面的自然氧化物和有机物，由此，改善外延硅片表面的雾状缺陷。
通过以下结合附图对本公开的示例性实施方式的详细说明，本公开的上述特征和优点以及其他特征和优点将更加清楚。
附图说明
图1示意性地示出了用于在硅片表面生长外延层的外延反应装置；
图2示意性地示出了基座表面污染物在高温下扩散到硅片表面的路径；
图3以图表示出了根据本公开的实施方式的用于硅片的外延生长方法的各项示例性参数；
图4示意性地示出了使用根据本公开的实施方式的用于硅片的外延生长方法进行工艺改善前的外延硅片表面的雾状缺陷；
图5示意性地示出了使用根据本公开的实施方式的用于硅片的外延生长方法进行工艺改善后的外延硅片表面的雾状缺陷；以及
图6以图表示出了使用根据本公开的实施方式的用于硅片的外延生长方法制备的外延硅片与使用常规的外延生长方法制备的外延硅片的雾状缺陷水平对比。
具体实施方式
下面参照附图、借助于示例性实施方式对本公开进行详细描述。要注意的是，对本公开的以下详细描述仅仅是出于说明目的，而绝不是对本公开的限制。
参照图1，利用化学气相沉积(CVD)法来在硅片表面上生长出外延层的过程通常在如图1中所示的外延生长装置1中进行。外延生长装置1通常包括上部石英钟罩11、下部石英钟罩12、进气口13、排气口14、设置在外延生长装置1内部的用于放置硅片的基座15、用于支撑基座15的基座支撑杆16以及设置在基座15的上侧的上灯模组17和设置在基座15的下侧的下灯模组18。
在进行外延生长时，硅片被输送到外延生长装置1的反应腔室(或简称为腔室)内以被置于基座15上，并由上灯模组(或简称上灯)17和下灯模组(或简称下灯)18对硅片进行加热，在反应温度下，供给到硅片的主表面即在此的上表面上的原料气体发生化学气相沉积反应而在硅片的上表面上生长出外延层。在生长过程中，基座支撑杆16能够固定基座15并带动基座15转动，以使得能够在硅片的上表面上均匀地进行外延生长。
如之前提到的，在该外延生长过程中，外延层上会出现许多缺陷，大致分为表面缺陷和体内缺陷，作为其中一种表面缺陷，雾状缺陷会对最终形成的外延硅片(或称外延片)及利用其制成的器件的性能产生不利影响。
发明人发现，雾状缺陷的形成来源包括以下情况：一方面，如图2中所示，基座15表面的污染物在高温下会从硅片20的边缘与基座15的边缘之间的间隙扩散到硅片20的表面21(如图2中的弯曲的带箭头的虚线所示)，在高温下，这些污染物会随硅源气体SiHCl3沉积到硅片20的表面21上，从而导致外延层上出现雾状缺陷；另一方面，在抛光时，抛光的微粗糙会表现在硅片表面上，随着表面硅原子与空气中的氧气发生反应而生成自然氧化膜，这会导致在外延工序中在外延层上产生雾状缺陷。
基于以上雾状缺陷的形成来源，本公开试图通过抑制高温下基座表面污染物对硅片表面造成污染以及通过抑制硅片表面的自然氧化物和有机物对外延层的影响来改善外延硅片上的雾状缺陷，并由此提高生产良率。
为此，根据本公开的实施方式，提供了一种用于硅片的外延生长方法，其包括：
在反应腔室的基座的用于放置硅片的表面上形成多晶硅层；
使硅片进入反应腔室以被置于基座的表面上并向反应腔室通入H2；
使反应腔室的温度达到第一预定温度；
在第一预定温度下对硅片的表面进行H2烘烤持续第一预定时间；
使反应腔室的温度达到第二预定温度；
在第二预定温度下向反应腔室通入HCl气体持续第二预定时间；
向反应腔室通入SiHCl3气体以在硅片的表面上沉积成膜；以及
对反应腔室进行H2吹扫并使硅片卸载退出反应腔室。
具体而言，在本公开中，通过在基座15的表面上形成多晶硅层，使得基座15的表面被多晶硅层覆盖住，从而使基座表面上的污染物无法扩散到基座15外，也就无法通过基座边缘与硅片边缘之间的间隙扩散到硅片的表面上而被沉积到硅片表面，由此可以防止因基座表面污染物扩散而导致在外延层中形成雾状缺陷。在本公开的实施方式中，可以在硅片进入反应腔室前，将硅源气体SiHCl3通入反应腔室中，通过沉积反应在硅片的表面上形成多晶硅层。然而，可以理解的是，可以以任何其他已知的方式在基座的表面上形成多晶硅层。
在本公开的实施方式中，该方法还可以包括：在使硅片进入反应腔室以被置于基座15的表面上之前，将设置在基座15的上侧的用于加热反应腔室的上灯模组17的热发射率控制成比设置在基座15的下侧的用于加热反应腔室的下灯模组18的热发射率高。
外延反应需要在高温环境下进行，在整个外延系统中，通过上灯模组17和下灯模组18来加热反应腔室，其中，上灯模组17由于设置在基座15的上侧而主要对硅片20的待生长外延的表面21进行加热，而下灯模组18由于设置在基座15的下侧而主要对基座15进行加热，如图2中所示。
已知的是，热发射率(或称为辐射率)与温度之间存在以下关系：E＝r/T，其中，r为常数，也就是说，热发射率越小，测量示数温度越高；而热发射率越大，测量示数温度越低。因此，当将上灯模组的热发射率控制成高于下灯模组的热发射率时，由于测量示数温度相对较低，在工艺温度设定一定值的情况下，上灯模组会对硅片表面进行温度补偿，从而使硅片表面的温度略高于基座的温度，由此可以抑制基座表面的污染物扩散到外延硅片表面并且可以去除硅片表面的自然氧化物和有机物，从而改善外延硅片表面的雾状缺陷。
在根据本公开的实施方式中，上灯模组17的热发射率可以被控制成比下灯模组18的热发射率高0.015-0.025，例如，上灯模组17的热发射率可以为0.675-0.775。示例性地，如图3中所示，上灯模组17的热发射率可以为0.675。
基座15例如可以是SiC基座，硅片在被放置在基座15的表面上时，反应5腔室的温度一般控制在850℃，并且从该步骤开始向反应腔室中通入H2以进行
吹扫。通过H2吹扫，可以清除掉随硅片进入反应腔室而可能带入的N2，由此避免对后续沉积反应带来不利影响。
在本公开的实施方式中，第一预定温度可以为1135℃。
可以在1135℃的高温下对硅片的表面进行H2烘烤，高温H2氛围能够高效0地去除掉抛光硅片(或称抛光片)表面残留的氧化物和有机物，从而可以防止在生长的外延层中产生雾状缺陷。
该高温H2烘烤持续进行的第一预定时间可以为60s-80s。如图3中所示，示例性地，进行H2烘烤时，H2的流量可以为75slm。
需要说明的是，slm为流量单位，指的是1个大气压以及25℃的条件下每5分钟流通的以立方厘米为单位计量的体积值。
使反应腔室的温度达到第一预定温度可以包括使反应腔室以3℃/s的速率升温至第一预定温度。快速升温可以尽快达到第一预定温度，从而有助于更好地进行氧化物的去除。
在H2烘烤结束时，需要使反应腔室的温度达到第二预定温度，在本公开的0实施方式中，第二预定温度可以为1125℃。
在该温度下，通入反应腔室的HCl刻蚀气体会去除掉硅片表面的附着颗粒和损伤层，并且可以调节硅片的平坦度。
HCl气体的流量可以为3slm-3.125slm。如图3中所示，示例性地，HCl气体的流量可以为3slm。此外，通入该HCl气体的持续的第二预定时间可以为5 10s-30s。
在本公开的实施方式中，向反应腔室通入SiHCl3气体以在硅片的表面上沉积成膜可以包括在SiHCl3气体进入反应腔室内之前，使SiHCl3气体吹扫通向反应腔室的管道持续一定时间。
在经由进气口通入SiHCl3气体时，可以先使SiHCl3气体不进入反应腔室，例如可以关闭反应腔室的入口阀门，仅对通向反应腔室的管道进行吹扫，以去除管道内残留的气体，而且通过吹扫管道可以使SiHCl3气体在进入反应腔室前达到稳定的气压，以有助于后续气相沉积反应的平稳进行。在本公开的实施方式中，SiHCl3气体的流量可以为5slm-20slm。如图3中所示，示例性地，SiHCl3气体的流量可以为15slm。
SiHCl3气体可以以与吹扫管道时的流量相同的流量被供给到反应腔室内，并在例如1125℃的反应温度下发生化学气相沉积反应而在硅片的表面上沉积成膜。SiHCl3气体在反应腔室中的流动路径在图2中以直的带箭头的虚线示出。
在整个沉积反应结束之后，需要对反应腔室进行H2吹扫，以将残留在反应腔室内的气体排出，同时实现对反应腔室和长完膜后的外延硅片的降温冷却，如图3中所示，示例性地，该降温过程可以以9℃/s的速率进行，直至反应腔室的温度降低至850℃，最后，硅片会被卸载退出反应腔室。
图4和图5分别示出了使用根据本公开的实施方式的用于硅片的外延生长方法进行工艺改善前以及使用根据本公开的实施方式的用于硅片的外延生长方法进行工艺改善后的外延硅片表面的雾状缺陷。
可以清楚地看到，在工艺改善前，外延硅片的表面出现较严重的雾状缺陷，特别是在外延硅片的边缘区域，雾状缺陷尤为严重；相比较而言，在工艺改善后，外延硅片的表面几乎没有雾状缺陷。
此外，图6示出了使用根据本公开的实施方式的用于硅片的外延生长方法制备的外延硅片与使用常规的外延生长方法制备的外延硅片的雾状缺陷(Haze)水平对比。
在该对比中，针对5片硅片分别进行了常规方法制备的外延硅片的Haze水平测试和改善方法制备的外延硅片的Haze水平测试。可以清楚地看到，使用根据本公开的方法制备的外延硅片的Haze水平远小于使用常规方法制备的外延硅片的Haze水平，从平均(AVG)改善效果来看，使Haze水平从2.852868降低至1.318732，降低超过一半。
以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种用于硅片的外延生长方法，其特征在于，包括：
在反应腔室的基座的用于放置硅片的表面上形成多晶硅层；
使所述硅片进入所述反应腔室以被置于所述基座的所述表面上并向所述反应腔室通入H2；
使所述反应腔室的温度达到第一预定温度；
在所述第一预定温度下对所述硅片的表面进行H2烘烤持续第一预定时间；
使所述反应腔室的温度达到第二预定温度；
在所述第二预定温度下向所述反应腔室通入HCl气体持续第二预定时间；
向所述反应腔室通入SiHCl3气体以在所述硅片的表面上沉积成膜；以及
对所述反应腔室进行H2吹扫并使所述硅片卸载退出所述反应腔室。
2.根据权利要求1所述的用于硅片的外延生长方法，其特征在于，还包括：在所述使所述硅片进入所述反应腔室以被置于所述基座的所述表面上之前，将设置在所述基座的上侧的用于加热所述反应腔室的上灯模组的热发射率控制成比设置在所述基座的下侧的用于加热所述反应腔室的下灯模组的热发射率高。
3.根据权利要求2所述的用于硅片的外延生长方法，其特征在于，所述上灯模组的热发射率被控制成比所述下灯模组的热发射率高0.015-0.025。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于硅片的外延生长方法，其特征在于，所述第一预定温度为1135℃。
5.根据权利要求4所述的用于硅片的外延生长方法，其特征在于，所述第一预定时间为60s-80s。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于硅片的外延生长方法，其特征在于，所述第二预定温度为1125℃。
7.根据权利要求6所述的用于硅片的外延生长方法，其特征在于，所述HCl气体的流量为3slm-3.125slm。
8.根据权利要求6所述的用于硅片的外延生长方法，其特征在于，所述第二预定时间为10s-30s。
9.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于硅片的外延生长方法，其特征在于，所述使所述反应腔室的温度达到第一预定温度包括使所述反应腔室以3℃/s的速率升温至所述第一预定温度。
10.根据权利要求1至3中的任一项所述的用于硅片的外延生长方法，其特征在于，所述向所述反应腔室通入SiHCl3气体以在所述硅片的表面上沉积成膜包括在所述SiHCl3气体进入所述反应腔室内之前，使所述SiHCl3气体吹扫通向所述反应腔室的管道持续一定时间。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
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Address after: Room 1-3-029, No. 1888, Xifeng South Road, high tech Zone, Xi'an, Shaanxi 710065 Applicant after: Xi'an Yisiwei Material Technology Co.,Ltd. Applicant after: XI'AN ESWIN SILICON WAFER TECHNOLOGY Co.,Ltd. Address before: Room 1-3-029, No. 1888, Xifeng South Road, high tech Zone, Xi'an, Shaanxi 710065 Applicant before: Xi'an yisiwei Material Technology Co.,Ltd. Applicant before: XI'AN ESWIN SILICON WAFER TECHNOLOGY Co.,Ltd. |