CN1870219A - 提高p型硅外延电阻率一致性的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法，其步骤如下：(1)硅片抛光清洗后进行背封，即浸泡于含有双氧水或臭氧的纯水中，使硅片表面生成洁净氧化层；(2)外延前提高赶气温度80－120℃，迅速改变气体流速，反复变化4－12个周期，使滞留层内的杂质浓度降低3－6个数量级；(3)变速赶气后，立即降温至生长温度，生长本征层，将石墨基座衬底正、侧面和与石墨接触边缘全部封闭；(4)再进行3－6个周期变温赶气；(5)按所需的掺杂浓度对外延系统进行预掺杂，向外延系统中通入掺杂气体0.5－3min，使外延系统中的杂质浓度达到饱和。该方法通过对外延系统的预处理及表面本征层的制备，实现掺杂杂质浓度的控制，有效避免了自掺杂效应的产生。

Description

提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法

技术领域

本发明属于硅外延的生长工艺方法，尤其涉及一种提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法。

背景技术

硅外延材料不仅很好地解决了硅单晶片的损伤层问题，可以得到一个趋于完美的表面，还可以解决许多硅单晶片无法解决的问题。如提高了集成度、少子寿命、电路速度，降低存储单元漏电流、α粒子的软误差，改善电路的功率特性与频率特性。随着IC的速度和集成度进一步提高，对硅外延片的质量和性能就提出了更加苛刻的要求。在重掺杂衬底上进行外延生长时，电阻率的纵向、径向分布均匀一致性及其可控性变差。产生的主要原因是自掺杂现象，它使外延层电阻率偏离目标参数，增大不均匀度，直观地表现为炉内片与片之间以及同一片内电阻率的不均匀，在界面处形成比较宽的缓变杂质过渡区，它能造成埋层图形漂移和P-N结向外延层推移，严重时甚至形成反型夹层，致使器件偏离特性，可靠性降低，阻碍着双极性集成电路速度和微波器件频率的提高。

重掺杂(B)的衬底进行外延生长时，自掺杂现象严重，从而电阻率一致性很难控制，目前国外采用以下措施：

1.减压外延也可以有效的减少自掺杂效应，但它的缺点是有较高的位错和层错等缺陷，并且对于掺硼的P/P+外延，硼的自掺杂随压力减小而增加，这样就限制了低压外延的实用性。

2.IBM公司采用低压常压双系统，进行低压赶气，常压生长，这样系统复杂，生长很不方便。

3.衬底背面进行多晶硅封闭或者SiN封闭，抑止衬底背面杂质的逸出。由于工艺上的原因，国内很少采用背封片，而是采用背吸工艺。

4.二次外延生长法，即先在衬底上生长一层较薄的外延层，由它盖住衬底，以阻止杂质自衬底继续蒸发，但这一薄层本身具有严重的自掺杂，并且工艺十分复杂。

5.在重掺硼衬底上生长轻掺杂层时，气氛中适当掺加一定浓度的HCl可以一定程度上消除硼的自掺杂。这可能是因为HCl易于与硼反应形成硼-氯化合物而被挥发掉，但这样会降低外延生长的速度。

6.提高预烘焙温度，加大气体流速等，虽可改善自掺杂，但会延长工艺周期，增加成本。

发明内容

本发明的目的在于克服上述不足之处，为解决P型硅外延由于自掺杂引起的电阻率一致性差的技术问题，提供一种提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法。

为实现上述目的本发明所采用的实施方式如下：

一种提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法，其实施步骤是：

(1)硅片抛光清洗后进行背封，即浸泡于含有双氧水或臭氧的纯水中，使硅片表面生成洁净氧化层；

(2)外延前提高温度使之高于外延生长温度80-120℃，迅速改变气体流速，反复变化4-8个周期，使滞留层内的杂质浓度降低3-6个数量级；

(3)变速赶气后，立即降温至生长温度，生长本征层，将石墨基座衬底正、侧面和与石墨接触边缘全部封闭；

(4)再进行3-6个周期变温赶气；

(5)按所需的掺杂浓度对外延系统进行预掺杂，向外延系统中通入掺杂气体0.5-3min，使外延系统中的杂质浓度与所需的掺杂浓度相一致。

所述硅片表面生成的洁净氧化层为3-5nm。

所述双氧水含量为0.1-1％。

所述臭氧的通入量为50-150ml/min，通气10-15min。

所述变温变速赶气是指外延前提高赶气温度80-120℃，气体流速控制在正常生长时气体流速的0.05-1.2倍，每个周期为10-30s。

所述生长本征层的厚度为0.1-0.5μm。

所述生长气氛饱和是指开始外延前即向外延系统通入掺杂杂质气体，使外延系统中的杂质浓度达到饱和。

本发明的有益效果和优点是：

该方法根据CMP抛光硅片外延的工艺特点，运用变温变速赶气法首先对外延设备进行预处理，然后在变速赶气后在衬底硅片表面生长本征层，保证衬底与环境中的杂质被封闭起来，不会在外延过程中向外延层扩散，最后开始生长前先通掺杂气体使外延系统内的杂质浓度达到与设定的掺杂杂质浓度一致或相近，保证外延过程中的杂质浓度恒定，通过三步预处理工序后再进行外延生长，可使杂质掺杂均匀，获得电阻率一致的P型外延硅片。通过对外延系统的预处理及表面本征层的制备，实现掺杂杂质浓度的控制，有效的避免了自掺杂效应的产生，工艺简单且与原有工艺相兼容。该方法操作简单，成本低、效率高、无污染，可明显改善器件性能，提高成品率。

具体实施方式

以下结合较佳实施例，对依据本发明提供的具体实施方式详述如下：

硅片背封：硅片抛光清洗后浸泡于纯水中1-3min，并向其中加入0.1-1％的双氧水或通入臭氧50-150ml/min，通气10-15min，使硅片表面生成3-5nm的洁净氧化层。可实现对硅片背面和侧面的封闭，使后序的外延过程中重掺杂衬底中的杂质不会向外延层中挥发。

外延系统的预处理：通过变温变速赶气法消除掉残留在滞留层内的衬底杂质，获得洁净的外延系统。由于吸附是放热过程，外延前提高赶气温度80-120℃，吸附杂质外扩散增加一个数量级以上，使吸附量以指数降低，解吸量可指数增加。由滞留层模型导出的滞留层厚度 $\mathrm{\δ}\∝\sqrt{1/\mathrm{\υ}},$ υ为气体流速，即当流速增加时，厚度相应减薄，流速减小时，滞留层相应增厚，如流速迅速改变，则导致滞留层厚度也相应迅速改变，这样相对“静止”的滞留层变为动态。这样反复变化4-8个周期，每个周期为10-30s，则滞留层内的杂质浓度降低3-6个数量级，吸附在表面的杂质迅速被解吸，并及时带出反应室外，而原来被吸附的位置，被无害的保护气体氢所代替。

生长本征层：为防止衬底的背侧、正面再蒸发，高温变速赶气后，立即降温至生长温度，生长0.1-0.5μm本征层，将石墨基座衬底正、侧面和与石墨接触边缘全封闭起来，随后再进行3-6个周期，每个周期为10-30s，基本上没有再逸出，使之有效地消除掉残留在滞留层内的衬底杂质。使衬底杂质的外扩散系数降低一个数量级，这层薄本征层受自掺杂效应的影响很小，此外，这个薄本征层的作用还具有补偿后一步正常外延生长的衬底固相扩散引起的自掺杂。

生长气氛的控制：在开始外延生长前，按所需的掺杂浓度对外延系统进行预掺杂，向外延系统中通入掺杂气体0.5-3min，使外延系统中的杂质浓度达到饱和稳定后再开始生长，以保证外延过程中的杂质浓度保持恒定。

实施例1

1、抛光清洗后的硅片放入加入1％双氧水的纯水中，放置3分钟，表面生成5nm的洁净氧化层；

2、硅片放入外延炉内，按传统工艺依次通氮气、氢气，再用高纯氯化氢进行原位抛光，升温至1220度，用氮气变流量赶气4次，每次30s，大流量为正常生长通气流量，小流量为正常生长通气流量的1/10，使滞留层内的杂质浓度降低3-6个数量级；

3、降温至1100度，通硅源气体生长硅本征层，厚度为0.5μm；

4、用氮气变流量赶气4次，每次30s，大流量为正常生长通气流量，小流量为正常生长通气流量的1/10；

5、按所需的掺杂浓度对外延系统进行预掺杂，向外延系统中通入掺杂气体0.5-3min，使外延系统中的杂质浓度与所需的掺杂浓度相一致；

6、进行正常外延生长。

片内电阻率均一性为4.36％，层间电阻率一致性为2.23％。

实验证明：变流量赶气法有效地改善了电阻率一致性。

实施例2

1、抛光清洗后的硅片放入加入0.5％双氧水的纯水中，放置3分钟，表面生成3nm的洁净氧化层。

2、硅片放入外延炉内，按传统工艺依次通氮气、氢气，再用高纯氯化氢进行原位抛光，升温至1230度，用氮气变流量赶气10次，每次20s，大流量为正常生长通气流量，小流量为正常生长通气流量的1/10。

3、降温至1150度，通硅源气体生长硅本征层，厚度为0.3μm。

4、用氮气变流量赶气6次，每次20s，大流量为正常生长通气流量，小流量为正常生长通气流量的1/10。

5、按所需的掺杂浓度对外延系统进行预掺杂，向外延系统中通入掺杂气体0.5-3min，使外延系统中的杂质浓度与所需的掺杂浓度相一致；

6、进行正常外延生长。

实施例3

1、硅片抛光清洗后浸泡于含有臭氧的纯水中3min，臭氧的通入量为50-150ml/min，通气10-15min，使硅片表面生成4nm的洁净氧化层；

2、硅片放入外延炉内，按传统工艺依次通氮气、氢气，再用高纯氯化氢进行原位抛光，升温至1250度，用氮气变流量赶气6次，每次15s，大流量为正常生长通气流量，小流量为正常生长通气流量的1/10，使滞留层内的杂质浓度降低3-6个数量级；

3、降温至1160度，通硅源气体生长硅本征层，厚度为0.2μm，将石墨基座衬底正、侧面和与石墨接触边缘全部封闭；

4、用氮气变流量赶气3次，每次30s，大流量为正常生长通气流量，小流量为正常生长通气流量的1/10；

5、按所需的掺杂浓度对外延系统进行预掺杂，向外延系统中通入掺杂气体0.5-3min，使外延系统中的杂质浓度与所需的掺杂浓度相一致；

6、进行正常外延生长。

上述参照实施例对提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法进行的详细描述，是说明性的而不是限定性的，可按照所限定范围列举出若干个实施例，因此在不脱离本发明总体构思下的变化和修改，应属本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1、一种提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法，其实施步骤是：

(1)硅片抛光清洗后进行背封，即浸泡于含有双氧水或臭氧的纯水中，使硅片表面生成洁净氧化层；

(2)外延前提高赶气温度80-120℃，迅速改变气体流速，反复变化4-12个周期，使滞留层内的杂质浓度降低3-6个数量级；

(3)变速赶气后，立即降温至生长温度，生长本征层，将石墨基座衬底正、侧面和与石墨接触边缘全部封闭；

(4)再进行3-6个周期变温赶气；

(5)按所需的掺杂浓度对外延系统进行预掺杂，向外延系统中通入掺杂气体0.5-3min，使外延系统中的杂质浓度达到与所需的掺杂浓度相一致。

2、根据权利要求1所述的提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法，其特征是：所述硅片表面生成的洁净氧化层为3-5nm。

3、根据权利要求1所述的提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法，其特征是：所述双氧水含量为0.1-1％。

4、根据权利要求1所述的提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法，其特征是：所述臭氧的通入量为50-150ml/min，通气10-15min。

5、根据权利要求1所述的提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法，其特征是：所述变温变速赶气是指外延前提高赶气温度80-120℃，气体流速控制在正常生长时气体流速的0.05-1.2倍，每个周期为10-30s。

6、根据权利要求1所述的提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法，其特征是：所述生长本征层的厚度为0.1-0.5μm。

7、根据权利要求1所述的提高P型硅外延电阻率一致性的控制方法，其特征是：所述开始外延生长前即向外延系统通入掺杂杂质气体，使外延系统中的杂质浓度达到外延层的预定掺杂浓度。