一种在高COP硅单晶衬底上制备200mm-300mm低缺陷外延片的方法
【技术领域】
[0001]本发明属于集成电路用硅外延片领域，特别涉及一种在高COP硅单晶衬底上制备200mm-300mm低缺陷外延片的方法。
【背景技术】
[0002]集成电路用硅外延片，通常采用在硅单晶抛光片表面生长一层或多层具有特定厚度和电阻率的外延层来获得。在硅外延片的制备过程中，作为衬底的硅单晶抛光片的表面质量是非常重要的。
[0003]目前业内采用的硅单晶衬底片绝大多数源自直拉法(CZ)生长的硅单晶锭。CZ硅单晶在高拉速下生长时，表现为空位相对富集，富集的空位在硅单晶的生长过程和后续的冷却过程中形核并不断聚合长大，最终在硅单晶内部形成一种空洞型微缺陷，即晶体原生粒子缺陷(C0P)。在通常的生长条件下，COP缺陷在直径125mm以上的晶体中是必然出现的原生缺陷，它的密度与晶体生长条件密切相关，一般在16?1Vcm3左右，主要尺寸在80?200nm之间。这种缺陷会严重降低集成电路器件栅氧化层的完整性(G0I)。
[0004]由高COP硅单晶制成的硅抛光片，表面会存在高密度的凹坑缺陷，这是由于硅单晶体内的COP被暴露在硅片表面所致。当采用这种高COP硅单晶抛光片作为衬底生长外延层时，会导致外延层表面缺陷密度明显增大，引发外延片制备的器件产品的反向漏电流偏大等电性参数异常，影响器件的良率。
[0005]解决上述问题的途径之一是采用低⑶P的硅单晶衬底片，目前业界普遍采用的降低硅片表面COP数量的方法有两种，但都存在明显的不足之处:
[0006](I)通过特殊的热场设计和严格的工艺控制，实现完美单晶的生长，将单晶锭体内的COP数量将至极低的水平。大量的实验已经证实降低晶体生长速率可以抑制COP的产生，然而这样大大降低了生产效率，非常不利于硅片的大规模批量生产。
[0007](2)通过在炉管中通入Ar气、出气、或Ar/H2混合气体，高温下对硅片进行退火处理，可以使硅片表面的COP数量减少或消除。通常采用的退火温度为1200°C以上，时间为1-2小时，对硅片成本的增加也是不容忽视的。
[0008]综上所述，考虑到制造成本和生产效率因素，因此需要找到一种高效、简便、低成本的方法，实现在高COP硅单晶衬底上制备低缺陷密度的外延片。
【发明内容】
[0009]本发明所要解决的技术问题是提供一种在高COP硅单晶衬底上制备200mm-300mm低缺陷外延片的方法，该方法工艺简单，成本低，利用外延炉对硅单晶衬底片进行短时间的高温烘烤使表面COP数量减少或消除，并结合特定的外延生长工艺控制技术，制备得到了低缺陷密度的硅外延片。
[0010]本发明的一种在高⑶P硅单晶衬底上制备200mm-300mm低缺陷外延片的方法，包括:
[0011](I)将高⑶P硅单晶衬底置于外延炉的石墨基座中，在纯氢气气氛中升温至800?850°C，保温 5 ?1s;
[0012](2)然后升温至烘烤温度，将外延炉的保护气氛切换为氢气、氩气其中的一种或几种气氛，对上述硅单晶衬底进行烘烤；其中，烘烤温度为1150?1200°C，烘烤时间为60?180s；
[0013](3)将外延炉的保护气氛切换为纯氢气气氛，降温至外延生长工艺温度并保温;通入硅源气体，先在硅单晶衬底上生长本征外延层，随后通入硅源气体和掺杂气体，生长掺杂外延层即得低缺陷外延片。
[0014]所述步骤(I)中的升温速率为3?10°C/s。
[0015]所述步骤(2)中的升温速率为5?20°C/s。
[0016]所述步骤(3)中的降温速率为3?5°C/s。
[0017]所述步骤(3)中的外延生长工艺温度为1090?1140°C，保温时间为10?30s。
[0018]所述步骤(3)中的本征外延层的生长速率为0.5?2.5ym/min。
[0019]所述步骤(3)中的掺杂外延层的生长速率为0.5?4.0ym/min。
[0020]所述步骤(3)中硅单晶衬底中的掺杂剂反扩至本征外延层最大厚度表面处的浓度不低于掺杂外延层的掺杂浓度。
[0021]有益效果
[0022]本发明工艺简单，成本低，利用外延炉对硅单晶衬底片进行短时间的高温烘烤使表面COP数量减少或消除，并结合特定的外延生长工艺控制技术，制备得到了低缺陷密度的硅外延片。
【附图说明】
[0023]图1为尚COP娃单晶衬底片的不意图；
[0024]图2为高COP硅单晶衬底片经高温烘烤前后的变化示意图；
[0025]图3为经本发明处理的硅单晶衬底片高温烘烤前后的COP数量变化图；
[0026]图4为本发明制备得到的外延片结构图；
[0027]图5为利用表面扫描仪SPl测量得到的外延片表面缺陷数值。
【具体实施方式】
[0028]下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
[0029]图1为尚⑶P娃单晶衬底片的不意图，箭头A和箭头B所不为娃片表面裸露的COP缺陷，箭头C所示为近表面区域的COP缺陷，箭头D所示为硅片体内的COP缺陷。由图可知，COP缺陷是一种空洞型微缺陷，其内壁有一层氧化膜。箭头E所示为硅片表面因与空气接触而形成一层氧化薄层，其厚度约为10?20nm，称为自然氧化层。
[0030]实施例1
[0031]外延片采用的衬底为〈100〉晶向N型重掺砷高⑶P硅单晶抛光片，直径200mm，电阻率为0.003-0.004ohm.cm。硅衬底片和外延片表面的颗粒和COP用表面扫描仪SPl来测量。表面颗粒为凸起形态，且能够通过清洗加以去除，而COP为凹陷形态，无法通过清洗去除掉。
[0032](I)将高⑶P硅单晶衬底置于外延炉的石墨基座中，通入浓度为99.9999%的氢气，在纯氢气气氛中升温至800°C，升温速率为3°C/s，保温1s;
[0033](2)然后升温至烘烤温度，将外延炉的保护气氛切换为氢气/氩气混合气氛(氢气所占体积比为60%)，对上述硅单晶衬底进行烘烤;其中，烘烤温度为1150°C，升温速率为5°C/s，烘烤时间为180s;
[0034]在升温至烘烤温度的过程中，硅单晶衬底片表面的自然氧化层(图1中箭头E所示)会全部被氢快速地刻蚀掉，这既有利于高温下硅片体内间隙氧原子向硅片表面的扩散，又有助于避免外延层表面缺陷的生成；
[0035]在高温烘烤过程中，COP缺陷内壁的氧化膜分解为可动的间隙氧原子和硅原子。硅片近表面的氧原子更容易外扩散出硅片表面，而体内的氧原子趋向于聚集，因此近表面区COP内壁的氧化膜更容易通过外扩散而溶解，剩下由空位构成的空洞。随后，空位迅速的外扩散以及大量自间隙硅原子的注入最终导致空洞的消除，COP缺陷随之消失。此外，在高温下，娃片表面的硅原子会自发地从能量高的“凸起”流动到能量低的“凹坑”中去，从而使表面变得平整。
[0036]图2为高COP硅单晶衬底片经高温烘烤前后的变化示意图，其中箭头A’、B’、C’分别对应烘烤前的A、B、C区域。
[0037]图3为硅单晶衬底片高温烘烤前后