[发明专利]重掺砷衬底上外延层过渡区的控制方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种硅外延片的制造技术，尤其是指一种重掺砷衬底上外延层过渡区的控制方法。

背景技术

目前重掺砷衬底硅外延技术在电子器件的制造中应用越来越广泛，其应用范围涉及到肖特基二极管、三极管、VDMOS、变容二极管、汽车电子、IGBT等方面。电子元器件厂家为了提高管芯成品率，都需要对重掺砷衬底硅外延片的一致性和外延层的过渡区进行严格控制。

在化学气相沉积过程中，不可避免的会有杂质出现，外延片和衬底之间的过渡区内杂质分布的陡峭程度，会影响外延片的质量和电参数。制造过渡区内杂质浓度梯度陡峭的薄外延层是非常困难的，各个厂家不断追求制造杂质分布梯度陡峭的过渡区的方法。在实际工艺生产过程中，不但要根据电器元件的设计要求，精确控制由于加热炉的加热体等造成的系统沾污对外延层电参数的影响，而且还要设法减小外延沉积过程中的自掺杂，即减少过渡区的杂质含量，控制杂质的分布梯度。

目前，外延厂家已经成熟的重掺砷衬底的硅外延工艺是被称为“两步外延法”的工艺。“两步外延法”即是先在重掺砷衬底上生长出一层本征外延层，然后向炉内通入大流量的氢气进行赶气，赶气后再生长余下的外延层，直到达到要求的厚度。其基本步骤如下：

1.将衬底装炉、升温至1000～1200℃，然后通入氯化氢抛光

此步是在高温下用HCl腐蚀衬底，对衬底起到抛光作用，并有益于即将生长的外延层的晶格结构的改善。

2.用大流量H₂冲洗

在加热炉内通入大流量氢气，从而对衬底和钟罩进行冲洗、赶气，使吸附在晶片、基座表面及滞留在附面层中的杂质被主气流带走。

3.生长第一层本征外延层

利用化学气相沉积技术在衬底上生长第一层本征外延层。第一层本征外延层对晶片表面起到封闭作用，阻止衬底中的杂质进一步向外挥发。一般本征外延层的厚度可根据外延层电阻率的要求而确定。

4  第二次大流量H₂冲洗

再次向炉内通入大流量的氢气，对钟罩、基座、衬底以及衬底上的本征外延层进行冲洗、赶气，使吸附在晶片、基座表面及滞留在外延层附面层中的杂质进一步被主气流带走。

5  进行第二阶段的生长，直到外延层的厚度达到要求。

现有的“两步外延法”工艺的缺点与不足在于：

首先，高温下的HCl腐蚀虽然能够对衬底进行抛光，并对改善晶格结构有益，但其也存在不足之处：HCl抛光的同时也要产生一些副产物，而且在高温下抛光时还要使衬底的表面剥去一层，所以这些副产物及衬底中的杂质会有一部分进入气相沉积的气氛中，从而影响第一步生成的本征外延层即过渡层的杂质含量。

其次，在第一步生长的本征外延层内出现高电阻夹层的风险比较大。在生长中重掺砷衬底中的As掺杂剂会向外扩散，很难对其进行控制，从而极有可能使本征外延层出现高电阻层。

另外，这种工艺虽然能较大的提高外延层的均匀性，但是通过试验，其电阻率均匀性最好也只能达到4％，无法再进一步提高；这个结果对于要求薄层高阻的外延来说，几乎不可能达到，其电阻率均匀性的可控性极差。

第四，这种方法对于防止纵向自掺杂有效，而对于防止在界面上的横向自掺杂则效果不明显。

常规的硅外延工艺，过渡区很长，要想获得陡峭的过渡区非常困难。为了抑制自掺杂，得到陡峭的过渡区和好的电阻率均匀性，一般的工艺中会采用如下的一些方法，如使用背封衬底、降低生长温度、生长较厚的本征外延层、延长赶气时间、基座包硅等。

上述方法对控制外延层的陡峭度有一定的作用，但是对于外延层厚度较薄，或外延层电阻率较高，或衬底电阻率极低的外延，以上方法都很难得到理想的结果，并且随着本征外延层厚度的增加，器件的正向导通电阻也会增加，正向特性变坏；而基座包硅往往会影响外延片背面、边缘的粗糙度及平整度，致使边缘很难通过步进光刻机。

发明内容

本发明需要解决的技术问题是提供一种即使是在薄层高阻的外延上也可以得到陡峭的过渡区以及良好的电阻率均匀性硅外延方法。

本发明是这样实现的：

它是以两步外延法工艺为基础，它包括将硅衬底装炉、升温、通入HCl抛光、通入大流量H₂冲洗、通入三氯氢硅用化学气相方法生长一层本征外延层，形成硅片，同时采取以下措施和步骤：

A在生长完第一层本征后，降至870-930℃开炉并取出硅片；

B取出硅片期间，用HCl腐蚀基座；