CN100425744C

CN100425744C - 厚度一致的硅气相外延层的生长装置及生长方法

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Publication number: CN100425744C
Application number: CNB2006100140430A
Authority: CN
Inventors: 刘玉岭; 张建新; 黄妍妍
Original assignee: Hebei University of Technology
Current assignee: Hebei University of Technology
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2008-10-15
Anticipated expiration: 2026-06-02
Also published as: CN1896340A

Abstract

本发明公开了一种厚度一致的硅气相外延层的生长装置及生长方法，旨在提供一种外延层厚度一致，便于操作，效率高的硅气相外延层的生长装置及生长方法。该生长装置包括基座本体，在基座本体上有安放槽，安放槽底部的边缘有宽度为1～3mm的台阶，台阶上有深度为1～3mm的环形沟槽，环形沟槽最上端的宽度为1～3mm，台阶下有深度为1～5mm的弧形凹坑。该生长方法包括下述步骤：将硅衬底片放入上述基座的安放槽中，并使硅衬底片上表面低于基座上表面0.1～1mm，之后生长外延层。本发明的工艺简单，既能使外延层厚度一致，同时又能控制滑移线的分布面积，并能消除沉积在表面的金属杂质污染层，提高了硅外延片的质量，保证了产品的性能。

Description

厚度一致的硅气相外延层的生长装置及生长方法

技术领域

本发明涉及一种硅气相外延层的生长方法，更具体的说，是涉及一种对厚度的一致性进行很好控制的硅气相外延层的生长方法。

背景技术

从进一步提高硅IC的速度和集成度来看，适合于深亚微米工艺所需的硅外延片将成为今后硅材料发展的主流，这样对硅外延片的质量和性能就提出了更加苛刻的要求。

在硅平面晶体管和集成电路的制备过程中，外延层厚度一致性的好坏直接影响着后续工艺。外延层厚度不一致主要表现在：外延层边缘翘突，整个硅片上外延层厚度不一致，同一炉内处于基座不同位置上生长的外延片之间外延层厚度不一致，这些不一致尤其在厚层生长时表现突出。

如果外延层一致性差，会出现平整度差，而直接影响双极型电路的制备。它首先给隔离区的扩散带来很大困难，严重时在正常工艺条件下，硅片外延层厚的地方隔离不通，造成该区域的器件报废，即使能够扩通薄厚不均的外延层，也会由于各器件的集电区厚度不同而使电性能偏离设计指标。厚的地方会由于集电区电阻扩大而影响最大耗散功率和频率特性，薄的地方会由于集电区薄而过早击穿，使器件的反向击穿电压下降。此外，外延层的厚度不一致，还直接影响光刻工序而不能保证光刻线条的精度。硅片边缘外延层突变性的翘起，会使光刻对版时，版图和硅片接触不良，产生缝隙而造成曝光时光线散射，线条模糊，图形变形。翘边严重时，还会将光刻版划伤，使光刻板漏光而报废。由此可见，外延参数中的厚度一致性是器件制备中提高器件参数一致性的关键，外延层厚度的不一致性将严重影响由外延层制备的器件的性能和成品率。

影响厚度的主要因素有：温度、气流和反应室的几何形状。外延温度选择在生长速度与温度关系不大的温度范围内。立式与水平反应器用基座的倾斜角和气流的流速来控制厚度一致性，桶式反应器用基座面和钟罩的垂直壁之间的倾斜角和气体流速来控制厚度一致性，圆盘反应器厚度的均匀性与钟罩半径顶离基座表面和进出口的距离有关，热壁炉外延厚度的均匀性用温度梯度、特殊进气喷嘴以及低压来调节。

随着IC集成度越来越高，特征尺寸越来越小，应用这些常规方法则难以满足进一步发展的要求。在当以上常规调节达不到要求时，目前应用最多的是，在卧式反应器内装置一个硅片装载器，将待生长的硅片装在上面进行外延，使得流经各硅片的气流比较平稳均匀，长出一致性较好的外延层。但应用此方法，气流的边界效应及温度与反应气浓度存在的区域性差异，仍然能引起外延层边缘翘突和同一炉内处于基座不同位置上生长的外延片之间外延层厚度的不一致。

因此，在控制外延层厚度一致性的问题上，如何既能简洁有效地解决问题，又尽量少增加成本和设备的复杂性，是一项目前亟待解决的重要课题。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中的不足之处，提供一种外延层厚度一致，便于操作，效率高的硅气相外延层的生长装置及生长方法。

本发明通过下述技术方案实现：

一种厚度一致的硅气相外延层的生长装置，包括基座本体，在基座本体上设置有安放槽，其特征在于安放槽底部的边缘处设置有宽度为1～3mm的台阶，所述台阶上设置有深度为1～3mm的环形沟槽，所述环形沟槽最上端的宽度为1～3mm，所述台阶下设置有深度为1～5mm的弧形凹坑。

一种厚度一致的硅气相外延层的生长方法，其特征在于包括下述步骤：将硅衬底片放入上述基座的安放槽中，并使硅衬底片上表面低于基座上表面0.1～1mm，之后按照常规的方法生长外延层。

当实验片的厚度一致性不符合要求时，在以后的外延层生长过程中，控制外延层的生长厚度大于预定厚度0.1～1μm，再用卤化氢气体或卤素单质气体对外延片进行气相抛光，去除厚度为0.1～1μm。

所述卤化氢气体为HCl或HBr。

所述卤素单质气体为Cl₂或Br₂。

本发明具有下述技术效果：

1.本发明中，在安放槽底部设置有弧形凹坑，凹坑内存有气体，加热衬底片的热量不只是由基座以热辐射形式直接传输，而且基座还可以加热凹坑内的气体，再由气体通过热辐射和热传导的形式将热量传输给衬底片。由此可使衬底片处于均匀的热量场中，从而避免由于基座散热不均匀而导致衬底片上不同区域内存在的温度差异，使整体外延层厚度趋于一致。

2.台阶上的一圈沟槽能够分散集中于边缘任何一处应力集中区域的应力。由应力片测试表明，应用此方法可将应力区域面积降低98％以上，从而有效控制了滑移线、滑移位错及位错排向外延片内部延伸，使得滑移线及位错缺陷只是围绕在有限的边缘区域，从而大大增加了中心完美区域的面积，有效地提高IC成品率。

3.外延生长一般处于质量转移控制区域内，传质速率越快则外延层生长越快，相应地外延层厚度就越厚。反应气的滞流层厚度是影响传质速率的主要因素，滞流层越厚则传质越慢，反之则传质越快。使衬底片上表面低于基座上表面，可使衬底片边缘处滞流层厚度加大，从而减慢该处的传质速率，很好地解决因边缘晶核易于沉积而生长过快的问题，使翘边现象有所缓解，甚至完全消失。

4.控制外延层的生长厚度大于预定厚度0.1～1μm，再将这部分多余厚度实施气相抛光，能很好的解决外延片边缘的轻微突起或轻微塌边及因各种因素综合作用的结果而产生的外延层厚度偏差问题。这是因为气相抛光过程是外延生长过程的逆过程，在外延生长中生长速率较大的区域在气相抛光中会因滞流层厚度很小而出现加速去除的效果；反之，外延生长中速率较小的区域，在气相抛光中的去除速率会因滞流层很厚而变得更小。因此，在气相抛光过程中，对于存在厚度差异的外延片，突起区域的去除速率要远远大于表面平坦区域的去除速率，而实现快速削平突起区域的效果。只需要经过很短时间的气相抛光处理，去除很薄的预留外延层厚度0.1～1μm，就可使突起区域迅速消失，整个表面趋于平坦。

5.在外延生长过程中，生长系统中会存在一定量的金属元素，外延的高温生长条件，会使金属元素在硅中的固溶度较大，再加上金属原子半径比硅原子大，在降温过程中使金属原子易集中于能量较低的外延层表层。外延生长结束后，由高温降至低温，此时金属元素在硅中的固溶度变得极小(如Cu在高温和低温下的固溶度相差1×10⁶倍)，从而使金属原子在外延层表层沉积而成为微缺陷的成核中心，表层则成为金属与微缺陷的集中区。气相抛光后就可以直接把将会严重影响器件质量的表层去除，大大提高外延片的质量。

6.本发明的工艺简单，既能使外延层厚度一致并远远超过SEMI国际标准，同时又能控制滑移线、滑移位错及位错排的分布面积，并能消除沉积在外延片表面的金属杂质污染层，从而有效提高了硅外延片的质量，保证了产品的性能，而且，便于操作，效率高，成本低，与常规外延工艺完全兼容。

附图说明

图1为本发明的基座的剖视图；

图2为本发明的基座的俯视图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明详细说明。

本发明的外延生长反应器基座的剖视图如图所示，俯视图如图2所示，包括基座本体5，在基座本体5上设置有安放槽4，安放槽4底部的边缘处设置有宽度为1～3mm的台阶1，台阶1上设置有深度为1～3mm的环形沟槽2，环形沟槽2最上端的宽度为1～3mm，台阶1下设置有深度为1～5mm的弧形凹坑3。环形沟槽的横截面可以是任意形状的，如锥形、半圆形、方形、梯形等。

本发明选择台阶的宽度为1～3mm，台阶太窄，会导致开出的沟槽与弧形凹坑边缘的距离太近，则会使沟槽所起的消除滑移线的作用消失；台阶太宽，会使开出弧形凹坑的面积变得很小，直接导致温度均匀区的范围过小，则影响硅衬底片整体的温度均匀性。

本发明选择环形沟槽的深度为1～3mm，沟槽过浅，会使其中所存有的气体的流通传热能力消失，而不能消除不同区域存在的温度差异；沟槽过深，则加工难度较大，而且存留在沟槽底部的有害杂质不易被清除，而严重影响产品质量。

本发明凹坑的深度为1～5mm，凹坑过浅，也会使其中所存有的气体的流通传热能力消失，而不能消除不同区域存在的温度差异；凹槽过深，则加工难度较大，而且在高温外延生长过程中，会导致硅衬底片因重力引起的形变。

本发明的厚度一致的硅气相外延层性的生长方法包括下述步骤：将硅衬底片放入上述反应器基座的安放槽中，并使硅衬底片上表面低于基座上表面0.1～1mm，之后按照常规的方法生长外延层。硅衬底片上表面低于基座上表面的数据是根据滞流层厚度随表面形貌差异而变化的流动力学理论而确定的。在外延生长(尤其是厚外延生长)中若没有完全解决翘边现象，而使得外延片边缘呈现轻微突起或轻微塌边的外形。此时则需要进行气相抛光。

根据实验片的厚度差异以及厚度一致性的要求，确定需要气相抛光的厚度，在以后的生长过程中，控制外延层的生长厚度大于预定厚度0.1～1μm，再将这部分多余厚度实施气相抛光，能很好的解决外延片边缘的轻微突起或轻微塌边及因各种因素综合作用的结果而产生的外延层厚度偏差问题。

实验条件：

外延设备：意大利进口LPE2061S型外延炉。基座可装3×8片φ4″硅片(三层八个面)，在每层各放一个片子进行生长实验。

厚度测试方法：磨角染色法

硅源：SiHCl₃ 掺杂剂：PH₃

P⁺<111>，φ4″硅衬底片厚度W＝525μm，且均选取厚度一致性很好的衬底片。N外延层的目标厚度W＝20±2μm，厚度一致性λ≤3.50％，滑移线不超过5条，且总长度小于硅片直径。

厚度一致性数值λ的计算方法为：

实施例1

在石墨基座上表面开出φ4″安放槽，槽内台阶宽度为1mm，沟槽深度为1mm，弧形凹坑深度为1mm，硅衬底片上表面低于基座上表面0.1mm。使用上述石墨基座，按照常规方法实施外延工艺，所得外延层表面出现的滑移线为4条，且总长度小于硅片直径，符合滑移线的控制要求。

外延层厚度参数如下：

W_上＝21.17 W_中＝20.56 W_下＝20.26 W_左＝21.93 W_右＝20.99

其厚度一致性λ＝3.96％，但还未达到要求的厚度一致性范围，所以要对外延层进行气相抛光。

根据厚度一致性的要求，确定平均去除厚度为0.48μm。在下一组的外延片生长过程中，控制生长厚度大于预定厚度0.48μm，选用Br₂气体对外延片进行气相抛光，去除厚度为0.48μm，所得外延层的厚度参数如下：

W_上＝20.56 W_中＝20.29 W_下＝20.18 W_左＝20.97 W_右＝20.50

其厚度一致性λ＝1.92％，由此可见，外延层厚度进一步趋于一致，且大大优于SEMI国际标准。

采用同样的硅衬底片只实施常规外延工艺，所得外延层表面出现的滑移线超过18条，总长度远远大于硅片直径，大大超出了滑移线的要求范围。外延层的厚度参数如下：

W_上＝19.54 W_中＝23.45 W_下＝20.66 W_左＝20.42 W_右＝19.28

其厚度一致性λ＝9.76％，远远超过了SEMI国际标准范围和要求的厚度一致性范围。

可见使用本发明的方法外延层厚度一致性得到了很大改善，滑移线也得到了很好的控制。

实施例2

在石墨基座上表面开出φ4″安放槽，槽内台阶宽度为3mm，沟槽深度为3mm，弧形凹坑深度为5mm，硅衬底片上表面低于基座上表面1mm。所得外延层表面出现的滑移线为1条，且长度小于硅片直径，符合滑移线的控制要求。

外延层的厚度参数如下：

W_上＝20.66 W_中＝20.94 W_下＝21.42 W_左＝22.02 W_右＝21.18

其厚度一致性λ＝3.19％，处于要求的厚度一致性范围内，所以不必实施气相抛光。

采用同样的硅衬底片只实施常规外延工艺，所得外延层表面出现的滑移线超过16条，总长度远远大于硅片直径，大大超出了滑移线的要求范围。

外延层的厚度参数如下：

W_上＝18.53 W_中＝22.57 W_下＝21.52 W_左＝19.85 W_右＝20.25

其厚度一致性λ＝9.83％，远远超过了SEMI国际标准范围和要求的厚度一致性范围。

可见使用本发明的改进方法，使外延层厚度一致性得到了很大改善，滑移线也得到了很好的控制。

实施例3

在石墨基座上表面开出φ4″安放槽，槽内台阶宽度为2mm，沟槽深度为2mm，弧形凹坑深度为3mm，硅衬底片上表面低于基座上表面0.4mm。所得外延层表面出现的滑移线为1条，且长度小于硅片直径，符合滑移线的控制要求。

外延层的厚度参数如下：

W_上＝21.00 W_中＝21.17 W_下＝21.77 W_左＝21.80 W_右＝22.26

其厚度一致性λ＝2.91％，处于要求的厚度一致性范围内，所以不必实施气相抛光。

采用同样的硅衬底片只实施常规外延工艺，所得外延层表面出现的滑移线超过20条，总长度远远大于硅片直径，大大超出了滑移线的要求范围。

外延层的厚度参数如下：

其厚度一致性λ＝12.0％，远远超过了SEMI国际标准范围和要求的厚度一致性范围。

实施例4

选用HCl气体对实施例1生长出的厚度一致性不符合要求的外延片进行气相抛光。根据厚度一致性的要求，确定平均去除厚度为0.35μm。在下一组的外延片生长过程中，控制生长厚度大于预定厚度0.35μm，选用HCl气体对外延片进行气相抛光，去除厚度为0.35μm，所得外延层的厚度参数如下：

W_上＝20.69 W_中＝20.41 W_下＝20.23 W_左＝21.34 W_右＝20.50

其厚度一致性λ＝2.67％。

实施例5

选用HBr气体对实施例1生长出的厚度一致性不符合要求的外延片进行气相抛光，根据厚度一致性的要求，确定平均去除厚度为1.0μm。在下一组的外延片生长过程中，控制生长厚度大于预定厚度1.0μm，选用HBr气体对外延片进行气相抛光，去除厚度为1.0μm，所得外延层的厚度参数如下：

W_上＝19.95 W_中＝19.89 W_下＝19.86 W_左＝20.06 W_右＝19.92

其厚度一致性λ＝0.50％。

实施例6

选用Cl₂气体对实施例1生长出的厚度一致性不符合要求的外延片进行气相抛光，根据厚度一致性的要求，确定平均去除厚度为0.13μm。在下一组的外延片生长过程中，控制生长厚度大于预定厚度0.13μm，选用Cl₂气体对外延片进行气相抛光，去除厚度为0.13μm，所得外延层的厚度参数如下：

W_上＝21.08 W_中＝20.50 W_下＝20.24 W_左＝21.63 W_右＝20.79

其厚度一致性λ＝3.32％。

尽管参照实施例对所公开的涉及一种厚度一致的硅气相外延层性的生长装置及生长方法进行了特别描述，以上描述的实施例是说明性的而不是限制性的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，所有的变化和修改都在本发明的范围之内。

Claims

1、一种厚度一致的硅气相外延层的生长装置，包括基座本体，所述基座本体上设置有安放槽，其特征在于，所述安放槽底部的边缘处设置有宽度为1～3mm的台阶，所述台阶上设置有深度为1～3mm的环形沟槽，所述环形沟槽最上端的宽度为1～3mm，所述台阶下设置有深度为1～5mm的弧形凹坑。

2、一种使用权利要求1中的生长装置生长硅气相外延层的方法，其特征在于，包括下述步骤：将硅衬底片放入权利要求1中的反应器基座的安放槽中，并使硅衬底片上表面低于基座上表面0.1～1mm，之后按照常规的方法生长外延层。

3、根据权利要求2所述的硅气相外延层的生长方法，其特征在于，在外延层生长过程中，控制外延层的生长厚度大于预定厚度0.1～1μm，用卤化氢气体或卤素单质气体对外延片进行气相抛光，去除厚度为0.1～1μm。

4、根据权利要求3所述的硅气相外延层的生长方法，其特征在于，所述卤化氢气体为HCl或HBr。

5、根据权利要求3所述的硅气相外延层的生长方法，其特征在于，所述卤素单质气体为Cl₂或Br₂。