一種減壓生產12寸單晶矽外延片的工藝的製作方法
2023-05-16 08:55:36
一種減壓生產12寸單晶矽外延片的工藝的製作方法
【專利摘要】本發明提供一種減壓生產12寸單晶矽外延片的工藝，它包括：(1)於1150～1190℃下用高純HCl氣體清潔反應腔體；(2)通入高純H2吹掃反應腔體內殘留的HCl氣體及反應產物；(3)將反應腔體內的溫度降溫至700～900℃，將12寸單晶矽片裝載到載片基座上；(4)將反應腔體內的壓強降低至20～200Torr，然後升溫至1000～1050℃，載氣高純H2的流量為40～160SLM；(5)反應氣體預流，調節通入DCS以及摻雜劑的反應腔體的過程和時間生長外延層；(6)降溫至900℃，取出外延片。通過本發明的上述工藝可以製備出外延層電阻率均勻，外延層和襯底電阻率過渡區窄的外延片。
【專利說明】—種減壓生產12寸單晶矽外延片的工藝
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種減壓生產12寸單晶矽外延片的工藝。
【背景技術】
[0002]隨著矽半導體技術的發展，單晶矽片的尺寸要求越來越大的，國際上逐漸由6或8寸單晶矽片過渡到12寸單晶矽片。傳統直拉工藝生產的單晶矽片存在不可或缺的原生缺陷，這種缺陷會降低後續器件的成品率和可靠性。單晶矽片的尺寸變大，控制單晶的原生缺陷就變得愈來愈困難。
[0003]利用減壓氣相沉積的方法進行生長外延層，具有良好的晶體完整性，能夠消除矽拋光片表面或近表面缺陷，提高集成電路最終晶片成品率，使得矽外延片開始廣泛應用於CMOS等先進集成電路的製造。外延技術很好的解決了這種矽片尺寸大，原生缺陷多的難題。
[0004]外延沉積單晶矽技術，外延層的摻雜易於控制，可以靈活的調節外延層電阻率，進而解決器件擊穿電壓與串聯電阻之間的矛盾。此外外延層的氧含量非常低，基本消除了直拉單晶矽拋光片中COP缺陷。然而，通常外延工藝中，由於矽片的自擴散效應或者外延爐體內部雜質熱擴散效應，使得外延層和矽片表面電阻率過渡區較寬，這就影響了矽外延片在高頻器件等領域的應用。
【發明內容】
[0005]本發明的目的在於提供一種減壓生長12寸單晶矽外延片的工藝，利用該工藝可以獲得電阻率均勻，單晶矽襯底與外延層過渡區寬度窄的12寸單晶外延片。
[0006]本發明基於12寸單晶拋光片,利用反應氣體二氯二氫娃(DCS),摻雜氣體B2H6/PH3和高純H2載氣，通過減壓系統生長單晶矽P型外延層，從而得到12寸單晶矽外延片。
[0007]具體地，本發明採用以下技術方案:
[0008]一種減壓生長12寸單晶矽外延片的工藝，包括以下步驟:
[0009](I)將化學氣相沉積設備的反應腔體升溫至1150~1190°C，向反應腔體內通入高純氯化氫氣體，清潔腔體以及載片基座上殘餘的沉積層，除去反應腔體內部的雜質；
[0010](2)向反應腔體內通入高純H2吹掃反應腔體內殘留的HCl氣體及反應產物，高純H2的流量為50SLM ；
[0011](3)將反應腔體內的溫度降溫至700~900°C，將12寸單晶矽片裝載到載片基座上;
[0012](4)將反應腔體內的壓強降低至20~200Torr，然後升溫至1000~1050°C，載氣高純H2的流量為40~160SLM ；`
[0013](5)預流DCS氣體、摻雜劑B2H6/PH3至少lmin，然後只通入DCS氣體生長一層非摻雜外延薄層，通入時間為10~120s，停止DCS通入後，立刻通入摻雜劑B2H6/PH3，通入時間為10~60s，再通入DCS氣體，此時DCS與摻雜劑B2H6/PH3同時進入反應腔體，在12寸單晶娃表面生長外延層；[0014](6)外延層生長完成後，停止對反應腔體抽真空，使反應腔體內的壓強回到大氣壓，然後降溫至900°C，取出外延片。
[0015]在上述工藝中，流量的單位「SLM」表示標準狀態下lL/min的流量。
[0016]在上述工藝過程中，所述步驟(4)中的升溫速度為I~5°C /min。
[0017]本發明在減壓條件下生長外延層，在減壓條件下反應氣體分子在反應腔體內的自由程增大，反應氣流與單晶矽襯底之間的邊界層變薄，從單晶矽襯底高溫自擴散出的雜質會快速的擴散到氣體中，被氣流帶出反應區，減小了單晶矽襯底本身雜質的自擴散效應，改善了矽片與外延層界面的電阻率分布。
[0018]由於氣體的擴散係數與壓力成反比，減壓顯著增大了摻雜氣體擴散通過邊界層的速率，摻雜氣體的熱傳導也因減壓變得顯著降低，使得邊界層的溫度梯度變小，這些因素都有利於摻雜氣體快速通過邊界層。
[0019]本發明外延層沉積工藝過程的控制非常關鍵。本發明選擇二氯二氫矽(DCS)作為矽源，摻雜氣體為乙硼烷(B2H6)或磷烷(PH3),載氣為高純H2。在外延生長之前，先在單晶矽襯底上生長DCS沉積薄層，然後通入摻雜劑，再生長外延層。開始通入DCS氣體時，DCS熱分解後沉積在12寸單晶矽片表面，可以使得單晶矽襯底自擴散出的少量摻雜劑元素高溫擴散到DCS沉積層，從而使得DCS沉積層和12寸單晶矽襯底表面之間的電阻率過渡區寬度變窄，DCS沉積後，立刻通入摻雜劑，在高溫條件下，摻雜劑熱分解，摻雜劑元素高溫擴散到DCS沉積薄層表面，降低DCS沉積薄層表面電阻率，使得電阻率與目標外延層電阻率一致，最後同時通入DCS和摻雜劑進行外延層生長，獲得目標厚度的外延層。
[0020]通過嚴格控制DCS沉積薄層的厚度以及摻雜劑B2H6/PH3熱分解擴散過程，進一步加強了界面電阻率的突變，使得電阻率過渡區寬度窄。
[0021]本發明的優點在於:
[0022]本發明在減壓條件下生`產12寸單晶矽外延片，通過嚴格控制外延層沉積工藝過程，可以獲得外延層電阻率均勻，外延層與12寸單晶矽片襯底之間電阻率過渡區寬度窄的12寸單晶娃外延片。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0023]圖1為12寸單晶矽外延片各層界面示意圖。
[0024]圖2為12寸單晶矽外延片電阻率VS外延層厚度變化曲線。
【具體實施方式】
[0025]以下通過具體實施例對本發明做進一步說明。
[0026]實施例1
[0027]準備生產外延片時，確保外延所需要的氣體，水冷等外圍廠務正常，將反應腔體加熱升溫到900°C，熱機5~lOmin，升溫到1190°C，並通入高純HCl氣體，清潔腔體內部以及基座上的沉積層，然後通入大流量50SLM的高純H2吹掃腔體內部的殘留的HCl氣體以及反應產物，確保腔體內部雜質包括摻雜劑儘量少，以免影響外延層的電阻率。
[0028]反應腔體經高純HCl氣體腐蝕完成以後，將其溫度降至850°C，將12寸單晶矽片通過機械手裝載到反應基座上，然後利用真空泵將反應腔體內的壓力降到SOTorr，使得12寸單晶矽片處於一種減壓的環境中。加熱升溫到1030°C，升溫速率為I~5°C /min,同時將高純H2的流量提高到40~160SLM，升溫到設定溫度後，開始預流DCS，以及摻雜劑B2H6,預流時間至少3min，然後將DCS以及B2H6通過閥門轉化進入排氣管道。
[0029]沉積時，首先通過閥門轉化只通入DCS，通入時間為40s，然後DCS通過閥門切換通入尾氣管道，與此同時B2H6直接通入反應腔體，通入時間為20s，然後同時通入DCS和B2H6,通入時間為295s，外延層厚度約為2.5μπι。完成沉積後，停止DCS和B2H6的通入，用大量的高純H2吹掃反應腔體，將未完成反應的氣體以及副產物快速排出。然後停止減壓，當反應腔體壓力達到大氣壓時，降溫到900°C，取出外延片。
[0030]外延片各層界面示意圖如圖1所示，開始通入DCS，在12寸單晶矽片襯底I上生長一層DCS沉積薄層2，高溫促使單晶矽片襯底I表面的B元素擴散到DCS沉積薄層2中(如箭頭所示)，消除界面層電阻過低現象，在通入摻雜劑後，摻雜劑元素高溫擴散到DCS沉積薄層，避免電阻率過大，便於獲得目標電阻率。生長的外延片3的電阻測試結果率如圖2所示，其中縱坐標為電阻率，橫坐標為外延層表面到襯底之間的深度。由圖2看出，外延層厚度大約2.8 μ m,外延層穩定區域大約為O~2.6 μ m,其電阻率值大約llohm-cm,襯底電阻率大約為8ohm-cm,襯底與外延層之間的過渡區電阻率由8ohm_cm突變至llohm-cm,過度區寬度大約為0.2 μ m，可以看出所獲得的12寸單晶矽外延片的外延層電阻率均勻，電阻率過渡區窄。`
【權利要求】
1.一種減壓生產12寸單晶矽外延片的工藝，其特徵在於，包括以下步驟: (1)將化學氣相沉積設備的反應腔體升溫至1150~1190°C，向反應腔體內通入高純氯化氫氣體，清潔腔體以及載片基座上殘餘的沉積層，除去反應腔體內部的雜質； (2)向反應腔體內通入高純H2吹掃反應腔體內殘留的HCl氣體及反應產物，高純H2的流量為50SLM ； (3)將反應腔體內的溫度降溫至700~900°C，將12寸單晶矽片裝載到載片基座上； (4)將反應腔體內的壓強降低至20~200Torr，然後升溫至1000~1050°C，載氣高純H2的流量為40~160SLM ； (5)預流二氯二氫矽氣體、摻雜劑民仏外成至少lmin，然後只通入DCS氣體生長一層非摻雜外延薄層，通入時間為10~120s，停止二氯二氫矽氣體的通入，立刻通入摻雜劑B2H6/PH3，通入時間為10~60s，再通入二氯二氫矽氣體，此時二氯二氫矽氣體與摻雜劑B2H6/PH3同時進入反應腔體，在12寸單晶矽表面生長外延層； (6)外延層生長完成後，停止對反應腔體抽真空，使反應腔體內的壓強回到大氣壓，然後降溫至900°C，取出外延片。
2.根據權利要求1所述的減壓生產12寸單晶矽外延片的工藝，其特徵在於，在上述工藝過程中，所述步驟 (4)中的升溫速度為I~5°C /min。
【文檔編號】C30B29/06GK103820849SQ201210464962
【公開日】2014年5月28日 申請日期:2012年11月16日 優先權日:2012年11月16日
【發明者】趙而敬, 馮泉林, 閆志瑞, 李宗峰, 盛方毓 申請人:有研半導體材料股份有限公司