一種6英寸重摻砷襯底上生長高阻厚層硅外延的方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種半導體材料的制備工藝技術，特別涉及一種6英寸重摻砷襯底上生長高阻厚層硅外延的方法。
【背景技術】
[0002]高阻厚層娃外延片一般指厚度介于30~150 μπι,電阻率大于15WX cm的外延片，該類型外延片主要用于MOSFET及功率放大器件。隨著硅片直徑的不斷增大，對片內均勻性及缺陷的控制難度也隨之加大。高阻厚層硅外延片通常選擇摻砷和摻銻的襯底，其中摻砷(r:0.002-0.004WXcm)的硅襯底相比于摻銻(r:0.01-0.02WXcm)的硅襯底具有更低的電阻率，當應用于功率MOS器件時可以降低正向導通壓降，同時還可省去襯底背面金屬化注入的工序，可以節省器件制備的成本。
[0003]外延層的關鍵參數指標包括外延層/界面的過渡區寬度，以及外延層的電阻率均勻性，它們與器件性能密切相關。過渡區寬度決定了外延層的有效厚度，與功率MOS器件的正向導通電阻密切相關；外延層的電阻率均勻性直接決定了功率MOS器件的擊穿電壓，而這兩項關鍵外延指標都受襯底雜質的非主動摻雜效應影響，非主動摻雜量越少，電阻率均勻性就會越好，同時外延層與襯底界面處的過渡區就會變陡，器件成品率也會越高。對于6英寸的重摻雜硅襯底上生長厚層高阻外延結構，由于所需工藝時間較長，加之外延片表面尺寸的增大，襯底邊緣位置受雜質非主動摻雜效應的影響更大，因此制備高電阻率均勻性、窄過渡區的外延層也更加困難。
【發明內容】
[0004]鑒于現有技術存在的問題，本發明提供一種通過工藝優化獲得有效抑制大尺寸重摻砷襯底非主動摻雜效應的方法，顯著提高外延片的電阻率參數的均勻性，滿足功率MOS器件的使用要求，具體技術方案是，一種6英寸重摻砷襯底上生長高阻厚層硅外延的方法，其特征在于:步驟包括，
(I)利用純度多99.99%的氯化氫在高溫下對外延爐基座進行腐蝕，完全去除基座上的殘余沉積物質，溫度設定為1170~1 100C，氯化氫氣體流量設定為3~5 L/min，刻蝕時間設定為 10-15 mino
[0005](2)向外延爐基座片坑內裝入娃襯底片，依次利用純度均彡99.999%的氮氣和氫氣吹掃外延爐腔體8~10分鐘，氣體流量設定為100~150 L/min。
[0006](3)利用氯化氫氣體對硅襯底片表面進行原位腐蝕，對襯底起到表面拋光作用，有助于改善晶格結構，采用氫氣輸送氯化氫氣體進入反應腔室，氫氣流量設定為100~150 L/min，氯化氫流量設定為1~3 L/min，溫度設定為1060~1070°C，時間設定為1~2 min ；
(4)采用大流量氫氣對硅襯底片表面進行吹掃，將氯化氫原位腐蝕時產生的副產物，以及吸附在襯底表面、基座表面的雜質完全去除，氫氣流量設定為220~250 L/min,時間設定為 2~5 min ； (5 )進行本征外延層的生長，采用不摻雜的三氯氫硅在襯底上生長本征外延層，對襯底表面及邊緣處進行包封，阻止重摻襯底雜質的溢出。本征層生長溫度設定為1060~1070°C，利用高溫快速本征生長方法，迅速完成包封，更利于抑制非主動摻雜效應。用氫氣輸送氣態三氯氫硅進入反應腔室，氫氣流量控制在100~150 L/min,三氯氫硅流量設定為4~7g/min，本征層生長速率控制在1~1.5 μ m/min,生長時間控制在0.5~1 min。
[0007](6)進行摻雜外延層的生長，外延爐基座轉速控制在3.0~5.0 r/min。生長溫度設定為1040~1050°C，相比高于1100°C的常規外延工藝，采用較低的生長溫度可以降低襯底雜質的反擴速率，有利于獲得更好的電阻率均勻性和較窄的過渡區。用氫氣輸送氣態三氯氫娃和磷燒摻雜劑進入反應腔室，氫氣流量控制在100~150 L/min，三氯氫娃流量設定為12~14g/min,磷烷流量設定為55~57sccm，外延層生長速率控制在2.0-2.5 μ m/min。
[0008](7)外延層生長達到預定厚度后開始降溫，將氫氣和氮氣流量設定為100~150 L/min,依次吹掃外延爐反應腔室8~10分鐘，然后將外延片從基座上取出。利用傅里葉紅外測試法對外延層的厚度及其均勻性進行測量，利用汞探針CV測試法對硅外延片的電阻率及其均勻性進行測量，利用擴展電阻測試法測量襯底與外延層之間的過渡區結構。
[0009]所用的外延爐為常壓平板式外延爐。
[0010]本發明的有益效果是，實現了對重摻襯底非主動摻雜效應的有效抑制，成功制備出均勻性好、過渡區窄的高阻厚層外延結構，其厚度不均勻性〈1%，電阻率不均勻性〈1%，表面無層錯、位錯、滑移線、霧等缺陷，最佳過渡區寬度〈4 um，在參數上完全滿足功率MOS器件對硅外延材料的要求。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明實施例一的厚度分布圖。
[0012]圖2為本發明實施例一的電阻率分布圖。
[0013]圖3為本發明實施例一的襯底和外延層之間的過渡區形貌圖。
[0014]圖4為本發明實施例二的厚度分布圖。
[0015]圖5為本發明實施例二的電阻率分布圖。
[0016]圖6為本發明實施例二的襯底和外延層之間的過渡區形貌圖。
[0017]圖7為本發明實施例的三厚度分布圖。
[0018]圖8為本發明實施例三的電阻率分布圖。
[0019]圖9為本發明實施例三的襯底和外延層之間的過渡區形貌圖。
[0020]圖10為本發明實施例四的厚度分布圖。
[0021]圖11為本發明實施例四的電阻率分布圖。
[0022]圖12為本發明實施例四的襯底和外延層之間的過渡區形貌圖。
【具體實施方式】
[0023]以下結合附圖對本發明的【具體實施方式】進行詳細的說明:
本發明所用的設備為PE-3061D型常壓平板式外延爐，外延爐基座轉速控制在4.0 r/
mino
[0024]實施例一 (1)利用純度多99.99%的氯化氫氣體在高溫下對外延爐基座進行腐蝕，完全去除基座上的殘余沉積物質，溫度設定為1090°C，氯化氫氣體流量設定為5 L/min，刻蝕時間設定為10 min ；
(2)向外延爐基座片坑內裝入硅襯底片，依次利用純度均多99.999%的氮氣和氫氣吹掃外延爐腔體8分鐘，氣體流量設定為100 L/min ；
(3)利用氯化氫氣體對硅襯底片表面進行原位腐蝕，對襯底起到表面拋光作用，有助于改善晶格結構，采用氫氣輸送氯化氫進入反應腔室，氫氣流量設定為150 L/min，氯化氫流量設定為2 L/min，溫度設定為1065°C，時間設定為2 min ；
(4)采用大流量氫氣對硅襯底片表面進行吹掃，將氯化氫原位腐蝕時產生的副產物，以及吸附在襯底表面、基座表面的雜質完全去除，氫氣流量設定為230 L/min,吹掃時間設定為 5 min ；
(5 )進行本征外延層的生長，采用不摻雜的三氯氫硅在襯底上生長本征外延層，對襯底表面進行包封，阻止重摻襯底雜質的溢出，本征層生長溫度設定為1060°C，用氫氣輸送氣態三氯氫娃進入反應腔室，氫氣流量控制在150 L/min,三氯氫娃流量設定為4g/min，本征層生長速率控制在1.25 μ m/min，生長時間控制在I min。
[0025](6)進行摻雜外延層的生長，生長溫度設定為1045°C。用氫氣輸送氣態三氯氫硅和磷烷摻雜劑進入反應腔室，氫氣流量控制在150 L/min,三氯氫硅流量設定為13g/min，磷烷流量設定為55.0sccm，外延層生長速率控制在2.1 μ m/min。
[0026](7)外延層生長達到預定厚度后開始降溫，將氫氣和氮氣流量設定為100 L/min,依次吹掃外延爐反應腔室8分鐘，然后將外延片從基座上取出。利用Nicolet 6700紅外厚度測試儀，記錄中心點、四個距邊緣10 mm的位置以及四個1/2半徑位置，共計九個測試點的厚度，獲得硅外延片的平均厚度及其均勻性，利用SSM495汞探針C-V測試儀記錄中心點、四個距邊緣10 mm的位置以及四個1/2半徑位置共計九個測試點的電阻率，獲得硅外延片的平均電阻率及其均勻性，利用SRP 2000擴展電阻測試儀獲得硅外延層與襯底形成的過渡區的寬度。
[0027]實施例一制得的硅外延層的導電類型為N型，外延片表面光亮，無層錯、位錯、滑移線、霧等表面缺陷，測試結果如附圖1~3所示，厚度平均值為54.063 μπι，厚度不均勻性為0.618%，電阻率平均值為18.052 ? ■ cm,電阻率不均勻性為0.937%，過渡區寬度為6.6Mm，界面分布較為陡峭，滿足功率MOS器件的指標要求。
[0028]實施例二
(I)利用純度多99.99%的氯化氫氣體在高溫下對外延爐基座進行腐蝕，完全去除基座上的殘余沉積物質，溫度設定為1080°C，氯化氫氣體流量設定為5 L/min，刻蝕時間設定為10 min。
[0029](2)向外延爐基座片坑內裝入娃襯底片，依次利用純度均彡99.999%的氮氣和氫氣吹掃外延爐腔體8分鐘，氣體流量設定為150 L/min。
[0030](3)利用氯化氫氣體對硅襯底片表面進行原位腐蝕，對襯底起到表面拋光作用，有助于改善晶格結構，采用氫氣輸送氯化氫進入反應腔室，氫氣流量設定為150 L/min，氯化氫流量設定為2 L/min，溫度設定為1070°C，時間設定為2 min ；
(4)采用大流量氫氣對硅襯底片表面進行吹掃，將氯化氫原位腐蝕時產生的副產物，以及吸附在襯底表面、基座表面的雜質完全去除，氫氣流量設定為250L/min，時間設定為5min ；
(5 )進行本征外延層的生長，采用不摻雜的三氯氫硅在襯底上生長本征外延層，對襯底表面進行封閉，阻止重摻襯底雜質的溢出，本征層生長溫度設定為1070°C，用氫氣輸送氣態三氯氫娃進入反應腔室，氫氣流量控制在150 L/min,三氯氫娃流量設定為7g/min，本征層生長速率控制在1.5 μ m/min，生長時間控制在0.5 min ；
(6)進行摻雜外延層的生長，生長溫度設定為1045°C。用氫氣輸送氣態三氯氫硅和磷烷摻雜劑進入反應腔室，氫氣流量控制在150 L/min,三氯氫硅流量設定為14g/min，磷烷流量設定為55sccm，外延層生長速率控制在2.3 μ m/min ；
(7)外延層生長達到預定厚度后開始降溫，將氫氣和氮氣流量