一種提高ccd器件用硅外延片的厚度均勻性的方法
【專利摘要】本發明涉及一種提高CCD器件用硅外延片的厚度均勻性的方法。通過調整外延層生長時的氣體流量、基座頂盤的高度和基座的旋轉方式等影響外延層厚度均勻性的主要因素，實現爐內基座上不同位置的外延片以及各外延片內不同局部位置的厚度均勻性的提高，提供一種顯著改善CCD器件用硅外延片的厚度均勻性的工藝方法，進而獲得高厚度均勻性的硅外延片，這將大大提高制備的大面陣、高分辨率CCD器件的性能與成品率。該方法制備的硅外延片可以滿足高性能、高集成度CCD器件對外延層厚度及其均勻性的要求。采用本工藝方法獲得的硅外延片厚度均勻性可以高于98%，達到國內外先進水平，可替代進口產品，將極大推進國產CCD器件的研制進程。
【專利說明】—種提高CCD器件用硅外延片的厚度均勻性的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及半導體材料的制備工藝技術，尤其涉及一種提高CCD器件用硅外延片的厚度均勻性的方法。
【背景技術】
[0002]CCD作為一種光電稱合器件,具有光電轉換、信號儲存及信號傳輸功能，已廣泛應用于高級數碼相機、監視器和攝錄機等，成為航天領域、空間影像傳遞、武器制導等不可缺少的成像器件。硅外延片是制作大面陣、高集成度CCD器件的關鍵基礎材料，可有效降低器件的暗電流，提高響應度和陣列尺寸。硅外延片的厚度均勻性直接決定了 CCD器件的成品率和可靠性，因此為制備符合CCD器件要求的外延片，必須嚴格控制外延厚度均勻性，目前對厚度均勻性普遍要求不應小于97%，但目前國產硅外延片的厚度均勻性的控制技術較國外有一定差距，厚度均勻性不小于94%，因此難以滿足CCD器件要求。
[0003]目前，制備硅外延片的常用方法是化學氣相外延生長，即利用三氯氫硅(SiHCl3)和氫氣(H2)等氣態物質在高溫環境下進行反應，在硅單晶襯底的表面上淀積單晶薄層。該方法可以在保持外延層晶體結構完整性的前提下實現對厚度及其均勻性的良好控制，因而得到了最廣泛的應用。外延層的厚度與反應爐腔內的氣體流場和基座旋轉方式密切相關，外延層生長時腔體內的氣體流場分布、基座頂盤高度以及基座的旋轉方式是影響外延層厚度均勻性的主要因素，直接決定了氣態物質在硅襯底表面的沉積行為。因此，在滿足外延層生長厚度要求的基礎上，需要通過工藝技術的改進以實現對硅外延片的厚度均勻性的提升。
[0004]
【發明內容】
本發明的目的是根據現有工藝獲得的硅外延片在厚度均勻性控制技術中存在的問題，優化現有工藝技術，通過調整外延層生長時的氣體流量、基座頂盤的高度和基座的旋轉方式等影響外延層厚度均勻性的主要因素，實現爐內基座上不同位置的外延片以及各外延片內不同局部位置的厚度均勻性的提高，提供一種顯著改善CCD器件用硅外延片的厚度均勻性的工藝方法，進而獲得高厚度均勻性的硅外延片，這將大大提高制備的大面陣、高分辨率CXD器件的性能與成品率。
[0005]本發明是通過如下技術方案實現的:一種提高CXD器件用硅外延片的厚度均勻性的方法，其特征在于:包括以下步驟:
步驟一.首先利用HCl氣體對外延爐的基座進行腐蝕，以去除基座上的殘余沉積物，腐蝕溫度設定為115(Tl200°C，HCl氣體純度彡99.99%，流量設定為I?3 L/min，腐蝕時間設定為3?5min，隨后給基座包上一層本征多晶硅，多晶硅的生長原料為三氯氫硅氣體，純度彡99.95%，流量設定為30?35 g/min，生長時間設定為l(Tl5min。
[0006]步驟_..在基座的片坑內裝入單晶娃襯底片，依次利用氣氣和氧氣吹掃外延爐的反應腔室，氮氣和氫氣的氣體純度均> 99.999%，吹掃氣體流量設定為10(Tl50L/min，吹掃時間設定為8?lOmin。
[0007]步驟三.在H2環境下對單晶硅襯底片進行高溫烘焙，以去除襯底表面的殘留雜質，4氣體流量設定為28(T320 L/min，烘焙溫度設定為116(Tl200°C，烘焙時間設定為2?5
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[0008]步驟四.對單晶硅襯底片表面進行氣相拋光，H2氣體輸送HC1氣體進入反應腔室，H2流量設定為250?300 L/min，拋光氣體HC1流量設定為1?3 L/min，拋光溫度設定為115(Tl200°C，拋光時間設定為3?5 min。
[0009]步驟五.外延層生長時的外延爐壓力始終維持在0.1 MPa的常壓，外延爐的基座頂盤高度控制在45飛0mm，外延爐的基座轉速控制在2.(Γ3.0r/min，外延層的生長溫度設定為112(Tl 150°C，外延生長時采用H2輸送三氯氫硅和硼烷摻雜劑進入反應腔室，H2流量控制在29(T300L/min，三氯氫硅作為硅外延生長的原料，流量設定為25?30 g/min,外延層生長速率控制在f 1.5 μ m/min，硼烷摻雜劑純度為50 ppm，流量設定為55?60sccm。
[0010]步驟六.外延層生長達到預定的厚度后開始降溫，并依次利用氫氣和氮氣吹掃外延爐的反應腔室，氣體流量設定為10(Tl50L/min，吹掃時間設定為8?lOmin。
[0011]步驟七.將外延片從基座片坑內取下，利用紅外線干涉法對外延層的厚度及均勻性進行測量，記錄中心點及四個距邊緣10 mm的位置的厚度，并獲得厚度平均值及均勻性。
[0012]本發明的有益效果是:提供了一種顯著提高CCD器件用硅外延片的厚度均勻性的工藝方法，該方法制備的硅外延片可以滿足高性能、高集成度CCD器件對外延層厚度及其均勻性的要求。采用本工藝方法獲得的硅外延片厚度均勻性可以高于98%，達到國內外先進水平，可替代進口產品，將極大推進國產CCD器件的研制進程。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0013]圖1是實施例1獲得的硅外延片厚度及均勻性的測試結果；
圖2是實施例2獲得的硅外延片厚度及均勻性的測試結果；
圖3是實施例3獲得的硅外延片厚度及均勻性的測試結果；
圖4是實施例4獲得的硅外延片厚度及均勻性的測試結果。
【具體實施方式】
[0014]以下結合附圖和實施例對本發明進行詳細說明:
本發明所用的外延爐為PE-2061S型桶式外延爐，采用高純石墨基座作為高頻感應加熱體。
[0015]實施例1:
(1)先利用HC1氣體對外延爐的基座進行腐蝕，以去除基座上的殘余沉積物，腐蝕溫度設定為1150°C，HC1氣體純度彡99.99%，流量設定為3L/min，腐蝕時間設定為5 min,隨后對基座重新包上一層本征多晶硅，多晶硅生長原料為三氯氫硅氣體，純度> 99.95%，流量設定為30g/min,多晶娃生長時間設定為15min。
[0016](2)在基座的片坑內裝入單晶硅襯底片，硅襯底片導電類型為P型，單面拋光，晶向為〈100>±0.5°，電阻率為0.01 Ω.cm，厚度為450 μπι，直徑為100mm。利用氮氣和氫氣吹掃外延爐的反應腔室，氮氣和氫氣的純度均> 99.999%，吹掃氣體流量設定為100 L/min,吹掃時間設定為8min。
[0017](3)在H2環境下對單晶娃襯底片進行聞溫供倍，以去除單晶娃襯底片表面的殘留雜質，H2流量設定為300 L/min，烘焙溫度設定為1160°C，烘焙時間設定為3 min。
[0018](4)對單晶娃襯底片表面進行氣相拋光,H2輸送HCl氣體進入反應腔室,拋光氣體HCl流量設定為3L/min，H2流量設定為300 L/min，拋光溫度設定為1160°C，拋光時間設定為 5min。
[0019](5)外延層生長時的外延爐壓力始終維持在0.1 MPa的常壓，外延爐的基座頂盤高度控制在50mm，外延爐的基座轉速控制在3.0 r/min，外延層的生長溫度設定為1120°C，H2輸送HCl氣體進入反應腔室，H2流量設定為300L/min，三氯氫硅作為硅外延生長的原料，流量設定為25g/min，外延層生長速率設定為lym/min，外延生長時需要控制摻雜劑流量，以控制外延層電阻率，采用H2輸送三氯氫硅和硼烷摻雜劑進入反應腔室，摻雜劑硼烷(B2H6)純度為50ppm,流量設定為55sccm。
[0020](6)外延層生長達到預定的厚度后開始降溫，并依次利用氫氣和氮氣吹掃外延爐的反應腔室，吹掃氣體流量設定為100L/min，吹掃時間設定為8min。
[0021](7)將外延片從基座片坑內取下，利用NIC0LET 6700傅里葉紅外光譜儀對外延層的厚度及均勻性進行測量，記錄中心點及四個距邊緣10 mm的位置的厚度，并獲得厚度平均值及其均勻性。
[0022]以上實施例1制得的硅外延層片厚度測試結果如圖1所示，厚度平均值為14.719μ m,厚度均勻性為99.829%。所制外延厚度及其均勻性完全滿足CCD器件的指標要求。
[0023]實施例2:
(I)利用HCl氣體對外延爐的基座進行腐蝕，以去除基座上的殘余沉積物，腐蝕溫度設定為1160°C，HC1氣體純度> 99.99%，流量設定為3L/min，腐蝕時間設定為5min，隨后對基座重新包上一層本征多晶硅，多晶硅生長原料為三氯氫硅氣體，純度> 99.95%，流量設定為30 g/min,多晶娃生長時間設定為15min。
[0024](2)在基座的片坑內裝入單晶硅襯底片，硅襯底片導電類型為P型，單面拋光，晶向為〈100>±0.5°，電阻率為0.01 Ω.cm，厚度為450 μ m，直徑為100臟。利用氮氣和氫氣吹掃外延爐的反應腔室，氮氣和氫氣的純度均> 99.999%，吹掃氣體流量設定為100 L/min,吹掃時間設定為lOmin。
[0025](3)在H2環境下對單晶硅襯底片進行高溫烘焙，以去除單晶硅襯底片表面的殘留雜質，H2流量設定為320 L/min，烘焙溫度設定為1160°C，烘焙時間設定為2 min。
[0026](4)對單晶硅襯底片表面進行氣相拋光，H2輸送HCL氣體進入反應腔室，H2流量設定為300L/min，拋光氣體HCl流量設定為3 L/min，拋光溫度設定為1160°C，拋光時間設定為 5min。
[0027](5)外延層生長時的外延爐壓力始終維持在0.1 MPa的常壓，外延爐的基座頂盤高度控制在50mm，外延爐的基座轉速控制在3.0 r/min，外延層的生長溫度設定為1120°C，外延生長時需要控制摻雜劑流量，以控制外延層電阻率，采用H2輸送三氯氫硅和硼烷摻雜劑進入反應腔室，H2流量設定為300L/min，三氯氫硅作為硅外延生長的原料，流量設定為25g/min，外延層生長速率設定為1.2 μ m/min，摻雜劑硼烷(B2H6)純度為50ppm，流量設定為55sccm0
[0028](6)外延層生長達到預定的厚度后開始降溫，并依次利用氫氣和氮氣吹掃外延爐的反應腔室，吹掃氣體流量設定為100L/min，吹掃時間設定為lOmin。
[0029](7)將外延片從基座片坑內取下，利用NICOLET 6700傅里葉紅外光譜儀對外延層的厚度及均勻性進行測量，記錄中心點及四個距邊緣10 mm的位置的厚度，并獲得厚度平均值及其均勻性。
[0030]以上實施例2制得的硅外延片厚度測試結果如圖2所示，厚度平均值為14.732 μ m,厚度均勻性為99.799%。所制外延片的厚度及其均勻性完全滿足高性能CXD器件的指標要求。
[0031]實施例3:
(I)先利用HCl氣體對外延爐的基座進行腐蝕，以去除基座上的殘余沉積物,腐蝕溫度設定為1180°C，HC1氣體純度> 99.99%，流量設定為3L/min，腐蝕時間設定為5min，隨后對基座重新包上一層本征多晶硅，多晶硅生長原料為三氯氫硅(SiHCl3)氣體，純度彡99.95%，流量設定為30g/min，多晶硅生長時間設定為15min。
[0032]( 2)在基座的片坑內裝入單晶硅襯底片，硅襯底片導電類型為P型，單面拋光，晶向為〈100>±0.5°，電阻率為0.01 Ω.cm，厚度為450 μ m，直徑為100mm。利用氮氣和氫氣吹掃外延爐的反應腔室，氮氣和氫氣的純度均> 99.999%，吹掃氣體流量設定為10L/min,吹掃時間設定為8min。
[0033](3)在H2環境下對單晶硅襯底片進行高溫烘焙，以去除單晶硅襯底片表面的殘留雜質，H2流量設定為320 L/min，烘焙溫度設定為1180°C，烘焙時間設定為3 min。
[0034](4)對單晶娃襯底片表面進行氣相拋光,H2輸送HCl氣體進入反應腔室,拋光氣體HCl流量設定為3L/min，H2流量設定為300 L/min，拋光溫度設定為1180°C，拋光時間設定為 3min。
[0035](5)外延層生長時的外延爐壓力始終維持在0.1 MPa的常壓，外延爐的基座頂盤高度控制在50mm，外延爐的基座轉速控制在3.0 r/min，外延層的生長溫度設定為1140°C，H2輸送HCl氣體進入反應腔室，H2流量設定為300 L/min,三氯氫硅作為硅外延生長的原料，流量設定為25g/min，外延層生長速率設定為1.2 μ m/min，外延生長時需要控制摻雜劑流量，以控制外延層電阻率，采用H2輸送三氯氫硅和硼烷摻雜劑進入反應腔室，摻雜劑硼烷(B2H6)純度為50ppm,流量設定為55sccm。
[0036](6)外延層生長達到預定的厚度后開始降溫，并依次利用氫氣和氮氣吹掃外延爐的反應腔室，吹掃氣體流量設定為100L/min，吹掃時間設定為8min。
[0037](7)將外延片從基座片坑內取下，利用NICOLET 6700傅里葉紅外光譜儀對外延層的厚度及均勻性進行測量，記錄中心點及四個距邊緣10 mm的位置的厚度，并獲得厚度平均值及其均勻性。
[0038]以上實施例3制得的硅外延片厚度測試結果如圖3所示，厚度平均值為14.730 μ m,厚度均勻性為99.834%。所制外延片的厚度及其均勻性完全滿足高性能CXD器件的指標要求。
[0039]實施例4:
(I)先利用HCl氣體對外延爐的基座進行腐蝕，以去除基座上的殘余沉積物,腐蝕溫度設定為1180°C，HC1氣體純度> 99.99%，流量設定為3L/min，腐蝕時間設定為5min，隨后對基座重新包上一層本征多晶硅，多晶硅生長原料為三氯氫硅(SiHCl3)氣體，純度彡99.95%，流量設定為33 g/min，多晶硅生長時間設定為12min。
[0040](2)在基座的片坑內裝入單晶硅襯底片，硅襯底片導電類型為P型，單面拋光，晶向為〈100>±0.5°，電阻率為0.01 Ω.cm，厚度為450 μ m，直徑為100mm。利用氮氣和氫氣吹掃外延爐的反應腔室，氮氣和氫氣的純度均> 99.999%，吹掃氣體流量設定為100L/min,吹掃時間設定為lOmin。
[0041](3)在H2環境下對單晶硅襯底片進行高溫烘焙，以去除單晶硅襯底片表面的殘留雜質，H2流量設定為320 L/min，烘焙溫度設定為1180°C，烘焙時間設定為3 min。
[0042](4)對單晶娃襯底片表面進行氣相拋光,H2輸送HC1氣體進入反應腔室，拋光氣體HC1流量設定為3L/min，H2流量設定為300 L/min，拋光溫度設定為1180°C，拋光時間設定為 5min。
[0043](5)外延層生長時的外延爐壓力始終維持在0.1 MPa的常壓，外延爐的基座頂盤高度控制在50mm，外延爐的基座轉速控制在3.0 r/min，外延層的生長溫度設定為1130°C，H2流量設定為300L/min，三氯氫硅(SiHCl3)作為硅外延生長的原料，流量設定為25g/min，夕卜延層生長速率設定為1.2 μ m/min，外延生長時需要控制摻雜劑流量，以控制外延層電阻率，采用H2輸送三氯氫硅和硼烷摻雜劑進入反應腔室，摻雜劑硼烷(B2H6)純度為50ppm，流量設定為 55sccm0
[0044](6)外延層生長達到預定的厚度后開始降溫，并依次利用氫氣和氮氣吹掃外延爐的反應腔室，吹掃氣體流量設定為100 L/min，吹掃時間設定為10 min。
[0045](7)將外延片從基座片坑內取下，利用NICOLET 6700傅里葉紅外光譜儀對外延層的厚度及均勻性進行測量，記錄中心點及四個距邊緣10 mm的位置的厚度，并獲得厚度平均值及其均勻性。
[0046]以上實施例4制得的硅外延片厚度測試結果如圖4所示，厚度平均值為14.743μ m,厚度均勻性為99.9%。所制外延片的厚度及其均勻性完全滿足高性能CCD器件的指標要求。并且與實施例1、實施例2和實施3相比，在其相應的工藝條件下，實施例4所制得的外延片的均勻性相對最優。因此，實施例4為本發明的最佳實施例。
【權利要求】
1.一種提高CCD器件用硅外延片的厚度均勻性的方法，其特征在于:包括以下步驟: 步驟一.首先利用HCl氣體對外延爐的基座進行腐蝕，以去除基座上的殘余沉積物，腐蝕溫度設定為115(Tl200°C，HCl氣體純度彡99.99%，流量設定為I?3 L/min，腐蝕時間設定為3?5min，隨后給基座包上一層本征多晶硅，多晶硅的生長原料為三氯氫硅氣體，純度彡99.95%，流量設定為30?35 g/min，生長時間設定為l(Tl5min ； 步驟二.在基座的片坑內裝入單晶硅襯底片，依次利用氮氣和氫氣吹掃外延爐的反應腔室，氮氣和氫氣的氣體純度均> 99.999%，吹掃氣體流量設定為10(Tl50L/min，吹掃時間設定為8?1min ；步驟三.在H2環境下對單晶硅襯底片進行高溫烘焙，以去除襯底表面的殘留雜質，H2氣體流量設定為28(T320 L/min，烘焙溫度設定為116(Tl200°C，烘焙時間設定為2?5 min ；步驟四.對單晶硅襯底片表面進行氣相拋光，H2氣體輸送HCl氣體進入反應腔室，H2流量設定為250?300 L/min,拋光氣體HCl流量設定為I?3 L/min,拋光溫度設定為115(Tl200°C，拋光時間設定為3?5 min ； 步驟五.外延層生長時的外延爐壓力始終維持在0.1 MPa的常壓，外延爐的基座頂盤高度控制在45飛0mm，外延爐的基座轉速控制在2.(Γ3.0r/min，外延層的生長溫度設定為112(Tll50°C，外延生長時采用H2輸送三氯氫硅和硼烷摻雜劑進入反應腔室，H2流量控制在29(T300L/min，三氯氫硅作為硅外延生長的原料，流量設定為25?30 g/min，外延層生長速率控制在廣1.5 μ m/min，硼烷摻雜劑純度為50 ppm，流量設定為55?60sccm ； 步驟六.外延層生長達到預定的厚度后開始降溫，并依次利用氫氣和氮氣吹掃外延爐的反應腔室，氣體流量設定為10(Tl50L/min，吹掃時間設定為8?1min ； 步驟七.將外延片從基座片坑內取下，利用紅外線干涉法對外延層的厚度及均勻性進行測量，記錄中心點及四個距邊緣10 mm的位置的厚度，并獲得厚度平均值及均勻性。
2.根據權利要求1的一種提高CCD器件用硅外延片的厚度均勻性的方法，其特征在于:所述的外延爐為PE-2061S型桶式外延爐。
【文檔編號】H01L27/146GK104269354SQ201410570410
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月23日 優先權日:2014年10月23日
【發明者】王文林, 李揚, 陳濤, 李明達 申請人:中國電子科技集團公司第四十六研究所