專利名稱：提高p型硅外延電阻率一致性的控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于硅外延的生長工藝方法，尤其涉及一種提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法。
背景技術(shù)：
硅外延材料不僅很好地解決了硅單晶片的損傷層問題，可以得到一個(gè)趨于完美的表面，還可以解決許多硅單晶片無法解決的問題。如提高了集成度、少子壽命、電路速度，降低存儲(chǔ)單元漏電流、α粒子的軟誤差，改善電路的功率特性與頻率特性。隨著IC的速度和集成度進(jìn)一步提高，對(duì)硅外延片的質(zhì)量和性能就提出了更加苛刻的要求。在重?fù)诫s襯底上進(jìn)行外延生長時(shí)，電阻率的縱向、徑向分布均勻一致性及其可控性變差。產(chǎn)生的主要原因是自摻雜現(xiàn)象，它使外延層電阻率偏離目標(biāo)參數(shù)，增大不均勻度，直觀地表現(xiàn)為爐內(nèi)片與片之間以及同一片內(nèi)電阻率的不均勻，在界面處形成比較寬的緩變雜質(zhì)過渡區(qū)，它能造成埋層圖形漂移和P-N結(jié)向外延層推移，嚴(yán)重時(shí)甚至形成反型夾層，致使器件偏離特性，可靠性降低，阻礙著雙極性集成電路速度和微波器件頻率的提高。
重?fù)诫s(B)的襯底進(jìn)行外延生長時(shí)，自摻雜現(xiàn)象嚴(yán)重，從而電阻率一致性很難控制，目前國外采用以下措施1.減壓外延也可以有效的減少自摻雜效應(yīng)，但它的缺點(diǎn)是有較高的位錯(cuò)和層錯(cuò)等缺陷，并且對(duì)于摻硼的P/P+外延，硼的自摻雜隨壓力減小而增加，這樣就限制了低壓外延的實(shí)用性。
2.IBM公司采用低壓常壓雙系統(tǒng)，進(jìn)行低壓趕氣，常壓生長，這樣系統(tǒng)復(fù)雜，生長很不方便。
3.襯底背面進(jìn)行多晶硅封閉或者SiN封閉，抑止襯底背面雜質(zhì)的逸出。由于工藝上的原因，國內(nèi)很少采用背封片，而是采用背吸工藝。
4.二次外延生長法，即先在襯底上生長一層較薄的外延層，由它蓋住襯底，以阻止雜質(zhì)自襯底繼續(xù)蒸發(fā)，但這一薄層本身具有嚴(yán)重的自摻雜，并且工藝十分復(fù)雜。
5.在重?fù)脚鹨r底上生長輕摻雜層時(shí)，氣氛中適當(dāng)摻加一定濃度的HCl可以一定程度上消除硼的自摻雜。這可能是因?yàn)镠Cl易于與硼反應(yīng)形成硼-氯化合物而被揮發(fā)掉，但這樣會(huì)降低外延生長的速度。
6.提高預(yù)烘焙溫度，加大氣體流速等，雖可改善自摻雜，但會(huì)延長工藝周期，增加成本。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服上述不足之處，為解決P型硅外延由于自摻雜引起的電阻率一致性差的技術(shù)問題，提供一種提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法。
為實(shí)現(xiàn)上述目的本發(fā)明所采用的實(shí)施方式如下一種提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法，其實(shí)施步驟是(1)硅片拋光清洗后進(jìn)行背封，即浸泡于含有雙氧水或臭氧的純水中，使硅片表面生成潔凈氧化層；(2)外延前提高溫度使之高于外延生長溫度80-120℃，迅速改變氣體流速，反復(fù)變化4-8個(gè)周期，使滯留層內(nèi)的雜質(zhì)濃度降低3-6個(gè)數(shù)量級(jí)；(3)變速趕氣后，立即降溫至生長溫度，生長本征層，將石墨基座襯底正、側(cè)面和與石墨接觸邊緣全部封閉；(4)再進(jìn)行3-6個(gè)周期變溫趕氣；(5)按所需的摻雜濃度對(duì)外延系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)摻雜，向外延系統(tǒng)中通入摻雜氣體0.5-3min，使外延系統(tǒng)中的雜質(zhì)濃度與所需的摻雜濃度相一致。
所述硅片表面生成的潔凈氧化層為3-5nm。
所述雙氧水含量為0.1-1％。
所述臭氧的通入量為50-150ml/min，通氣10-15min。
所述變溫變速趕氣是指外延前提高趕氣溫度80-120℃，氣體流速控制在正常生長時(shí)氣體流速的0.05-1.2倍，每個(gè)周期為10-30s。
所述生長本征層的厚度為0.1-0.5μm。
所述生長氣氛飽和是指開始外延前即向外延系統(tǒng)通入摻雜雜質(zhì)氣體，使外延系統(tǒng)中的雜質(zhì)濃度達(dá)到飽和。
本發(fā)明的有益效果和優(yōu)點(diǎn)是該方法根據(jù)CMP拋光硅片外延的工藝特點(diǎn)，運(yùn)用變溫變速趕氣法首先對(duì)外延設(shè)備進(jìn)行預(yù)處理，然后在變速趕氣后在襯底硅片表面生長本征層，保證襯底與環(huán)境中的雜質(zhì)被封閉起來，不會(huì)在外延過程中向外延層擴(kuò)散，最后開始生長前先通摻雜氣體使外延系統(tǒng)內(nèi)的雜質(zhì)濃度達(dá)到與設(shè)定的摻雜雜質(zhì)濃度一致或相近，保證外延過程中的雜質(zhì)濃度恒定，通過三步預(yù)處理工序后再進(jìn)行外延生長，可使雜質(zhì)摻雜均勻，獲得電阻率一致的P型外延硅片。通過對(duì)外延系統(tǒng)的預(yù)處理及表面本征層的制備，實(shí)現(xiàn)摻雜雜質(zhì)濃度的控制，有效的避免了自摻雜效應(yīng)的產(chǎn)生，工藝簡單且與原有工藝相兼容。該方法操作簡單，成本低、效率高、無污染，可明顯改善器件性能，提高成品率。
具體實(shí)施例方式
以下結(jié)合較佳實(shí)施例，對(duì)依據(jù)本發(fā)明提供的具體實(shí)施方式
詳述如下硅片背封硅片拋光清洗后浸泡于純水中1-3min，并向其中加入0.1-1％的雙氧水或通入臭氧50-150ml/min，通氣10-15min，使硅片表面生成3-5nm的潔凈氧化層?？蓪?shí)現(xiàn)對(duì)硅片背面和側(cè)面的封閉，使后序的外延過程中重?fù)诫s襯底中的雜質(zhì)不會(huì)向外延層中揮發(fā)。
外延系統(tǒng)的預(yù)處理通過變溫變速趕氣法消除掉殘留在滯留層內(nèi)的襯底雜質(zhì)，獲得潔凈的外延系統(tǒng)。由于吸附是放熱過程，外延前提高趕氣溫度80-120℃，吸附雜質(zhì)外擴(kuò)散增加一個(gè)數(shù)量級(jí)以上，使吸附量以指數(shù)降低，解吸量可指數(shù)增加。由滯留層模型導(dǎo)出的滯留層厚度δ∝1/υ,]]>υ為氣體流速，即當(dāng)流速增加時(shí)，厚度相應(yīng)減薄，流速減小時(shí)，滯留層相應(yīng)增厚，如流速迅速改變，則導(dǎo)致滯留層厚度也相應(yīng)迅速改變，這樣相對(duì)“靜止”的滯留層變?yōu)閯?dòng)態(tài)。這樣反復(fù)變化4-8個(gè)周期，每個(gè)周期為10-30s，則滯留層內(nèi)的雜質(zhì)濃度降低3-6個(gè)數(shù)量級(jí)，吸附在表面的雜質(zhì)迅速被解吸，并及時(shí)帶出反應(yīng)室外，而原來被吸附的位置，被無害的保護(hù)氣體氫所代替。
生長本征層為防止襯底的背側(cè)、正面再蒸發(fā)，高溫變速趕氣后，立即降溫至生長溫度，生長0.1-0.5μm本征層，將石墨基座襯底正、側(cè)面和與石墨接觸邊緣全封閉起來，隨后再進(jìn)行3-6個(gè)周期，每個(gè)周期為10-30s，基本上沒有再逸出，使之有效地消除掉殘留在滯留層內(nèi)的襯底雜質(zhì)。使襯底雜質(zhì)的外擴(kuò)散系數(shù)降低一個(gè)數(shù)量級(jí)，這層薄本征層受自摻雜效應(yīng)的影響很小，此外，這個(gè)薄本征層的作用還具有補(bǔ)償后一步正常外延生長的襯底固相擴(kuò)散引起的自摻雜。
生長氣氛的控制在開始外延生長前，按所需的摻雜濃度對(duì)外延系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)摻雜，向外延系統(tǒng)中通入摻雜氣體0.5-3min，使外延系統(tǒng)中的雜質(zhì)濃度達(dá)到飽和穩(wěn)定后再開始生長，以保證外延過程中的雜質(zhì)濃度保持恒定。
實(shí)施例11、拋光清洗后的硅片放入加入1％雙氧水的純水中，放置3分鐘，表面生成5nm的潔凈氧化層；2、硅片放入外延爐內(nèi)，按傳統(tǒng)工藝依次通氮?dú)狻錃?，再用高純氯化氫進(jìn)行原位拋光，升溫至1220度，用氮?dú)庾兞髁口s氣4次，每次30s，大流量為正常生長通氣流量，小流量為正常生長通氣流量的1/10，使滯留層內(nèi)的雜質(zhì)濃度降低3-6個(gè)數(shù)量級(jí)；3、降溫至1100度，通硅源氣體生長硅本征層，厚度為0.5μm；4、用氮?dú)庾兞髁口s氣4次，每次30s，大流量為正常生長通氣流量，小流量為正常生長通氣流量的1/10；5、按所需的摻雜濃度對(duì)外延系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)摻雜，向外延系統(tǒng)中通入摻雜氣體0.5-3min，使外延系統(tǒng)中的雜質(zhì)濃度與所需的摻雜濃度相一致；6、進(jìn)行正常外延生長。
片內(nèi)電阻率均一性為4.36％，層間電阻率一致性為2.23％。
實(shí)驗(yàn)證明變流量趕氣法有效地改善了電阻率一致性。
實(shí)施例21、拋光清洗后的硅片放入加入0.5％雙氧水的純水中，放置3分鐘，表面生成3nm的潔凈氧化層。
2、硅片放入外延爐內(nèi)，按傳統(tǒng)工藝依次通氮?dú)狻錃?，再用高純氯化氫進(jìn)行原位拋光，升溫至1230度，用氮?dú)庾兞髁口s氣10次，每次20s，大流量為正常生長通氣流量，小流量為正常生長通氣流量的1/10。
3、降溫至1150度，通硅源氣體生長硅本征層，厚度為0.3μm。
4、用氮?dú)庾兞髁口s氣6次，每次20s，大流量為正常生長通氣流量，小流量為正常生長通氣流量的1/10。
5、按所需的摻雜濃度對(duì)外延系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)摻雜，向外延系統(tǒng)中通入摻雜氣體0.5-3min，使外延系統(tǒng)中的雜質(zhì)濃度與所需的摻雜濃度相一致；6、進(jìn)行正常外延生長。
實(shí)施例31、硅片拋光清洗后浸泡于含有臭氧的純水中3min，臭氧的通入量為50-150ml/min，通氣10-15min，使硅片表面生成4nm的潔凈氧化層；2、硅片放入外延爐內(nèi)，按傳統(tǒng)工藝依次通氮?dú)?、氫氣，再用高純氯化氫進(jìn)行原位拋光，升溫至1250度，用氮?dú)庾兞髁口s氣6次，每次15s，大流量為正常生長通氣流量，小流量為正常生長通氣流量的1/10，使滯留層內(nèi)的雜質(zhì)濃度降低3-6個(gè)數(shù)量級(jí)；3、降溫至1160度，通硅源氣體生長硅本征層，厚度為0.2μm，將石墨基座襯底正、側(cè)面和與石墨接觸邊緣全部封閉；4、用氮?dú)庾兞髁口s氣3次，每次30s，大流量為正常生長通氣流量，小流量為正常生長通氣流量的1/10；5、按所需的摻雜濃度對(duì)外延系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)摻雜，向外延系統(tǒng)中通入摻雜氣體0.5-3min，使外延系統(tǒng)中的雜質(zhì)濃度與所需的摻雜濃度相一致；6、進(jìn)行正常外延生長。
上述參照實(shí)施例對(duì)提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法進(jìn)行的詳細(xì)描述，是說明性的而不是限定性的，可按照所限定范圍列舉出若干個(gè)實(shí)施例，因此在不脫離本發(fā)明總體構(gòu)思下的變化和修改，應(yīng)屬本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法，其實(shí)施步驟是(1)硅片拋光清洗后進(jìn)行背封，即浸泡于含有雙氧水或臭氧的純水中，使硅片表面生成潔凈氧化層；(2)外延前提高趕氣溫度80-120℃，迅速改變氣體流速，反復(fù)變化4-12個(gè)周期，使滯留層內(nèi)的雜質(zhì)濃度降低3-6個(gè)數(shù)量級(jí)；(3)變速趕氣后，立即降溫至生長溫度，生長本征層，將石墨基座襯底正、側(cè)面和與石墨接觸邊緣全部封閉；(4)再進(jìn)行3-6個(gè)周期變溫趕氣；(5)按所需的摻雜濃度對(duì)外延系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)摻雜，向外延系統(tǒng)中通入摻雜氣體0.5-3min，使外延系統(tǒng)中的雜質(zhì)濃度達(dá)到與所需的摻雜濃度相一致。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法，其特征是所述硅片表面生成的潔凈氧化層為3-5nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法，其特征是所述雙氧水含量為0.1-1％。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法，其特征是所述臭氧的通入量為50-150ml/min，通氣10-15min。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法，其特征是所述變溫變速趕氣是指外延前提高趕氣溫度80-120℃，氣體流速控制在正常生長時(shí)氣體流速的0.05-1.2倍，每個(gè)周期為10-30s。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法，其特征是所述生長本征層的厚度為0.1-0.5μm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法，其特征是所述開始外延生長前即向外延系統(tǒng)通入摻雜雜質(zhì)氣體，使外延系統(tǒng)中的雜質(zhì)濃度達(dá)到外延層的預(yù)定摻雜濃度。
全文摘要
本發(fā)明涉及提高P型硅外延電阻率一致性的控制方法，其步驟如下(1)硅片拋光清洗后進(jìn)行背封，即浸泡于含有雙氧水或臭氧的純水中，使硅片表面生成潔凈氧化層；(2)外延前提高趕氣溫度80－120℃，迅速改變氣體流速，反復(fù)變化4－12個(gè)周期，使滯留層內(nèi)的雜質(zhì)濃度降低3－6個(gè)數(shù)量級(jí)；(3)變速趕氣后，立即降溫至生長溫度，生長本征層，將石墨基座襯底正、側(cè)面和與石墨接觸邊緣全部封閉；(4)再進(jìn)行3－6個(gè)周期變溫趕氣；(5)按所需的摻雜濃度對(duì)外延系統(tǒng)進(jìn)行預(yù)摻雜，向外延系統(tǒng)中通入摻雜氣體0.5－3min，使外延系統(tǒng)中的雜質(zhì)濃度達(dá)到飽和。該方法通過對(duì)外延系統(tǒng)的預(yù)處理及表面本征層的制備，實(shí)現(xiàn)摻雜雜質(zhì)濃度的控制，有效避免了自摻雜效應(yīng)的產(chǎn)生。
文檔編號(hào)H01L21/02GK1870219SQ20061001430
公開日2006年11月29日 申請(qǐng)日期2006年6月9日 優(yōu)先權(quán)日2006年6月9日
發(fā)明者劉玉嶺, 檀柏梅 申請(qǐng)人:河北工業(yè)大學(xué)