一种功率芯片用外延片生产工艺的制作方法

本发明涉及半导体材料制备技术，具体是一种功率芯片用外延片生产工艺。

背景技术：

目前功率芯片应用越来越广泛，对其性能也提出了更高要求，作为功率芯片用外延片生产工艺的重要组成部分，硅外延片的性能越来越受到人们的重视。现今在制备硅外延片时硅片内热场分布不均匀，且存在衬底杂质固态扩散和自然掺杂现象，这导致制备的硅外延片厚度均匀性和电阻率均匀性差。如何对现有硅外延片制备工艺做出改进，以提升硅外延片的厚度均匀性和电阻率均匀性，这成为目前人们普遍关注的问题，然而，现今没有相应的工艺，也未见相关的报道。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种功率芯片用外延片生产工艺，其应用时能降低衬底杂质固态扩散和自然掺杂现象的影响，能提升硅外延片的厚度均匀性和电阻率均匀性。

本发明解决上述问题主要通过以下技术方案实现：

一种功率芯片用外延片生产工艺，包括以下步骤：

步骤1、清洗衬底硅片；

步骤2、将清洗后的硅片放入气相生长装置内，并将气相生长装置抽真空；

步骤3、向气相生长装置内输入硅烷与磷烷的混合气体；

步骤4、加热，并使气相生长装置内部温度维持在580℃～630℃，待硅片上淀积外延层厚度达到0.3～0.4μm时，停止加热；

步骤5、采用氮气冲洗气相生长装置内部腔体，然后静置气相生长装置直至其内部温度降至室温，取出硅外延片成品。本发明淀积硅外延层时在真空环境下运行，能大大减少杂质污染，得到一个超净的生长环境，有利于获得原子级洁净的衬底表面，有利于降低外延温度和改进外延质量。

本发明应用时硅烷与磷烷发生高温热分解反应，反应方程式如下：

进一步的，所述步骤1中清洗衬底硅片具体包括以下步骤：

步骤1.1、将硅片放入浓硫酸与双氧水按体积比1：1混合成的混合溶液中，采用0.8℃/s匀速升温的方式将混合液升温至100℃，并保持8min；

步骤1.2、将硅片取出放入双氧水、氨水及去离子水按体积比1：1.2：5混合成的混合溶液中，采用0.8℃/s匀速升温的方式将混合液升温至75℃，并保持10min，然后取出硅片用去离子水冲洗；

步骤1.3、将硅片放入质量分数为15%的氢氟酸溶液中浸泡40s，再取出用去离子水清洗；

步骤1.4、将硅片放入双氧水、盐酸及去离子水按1：1.5：8混合成的混合溶液中，采用0.8℃/s匀速升温的方式将混合液升温至85℃，并保持18min，然后取出硅片用去离子水冲洗；

步骤1.5、再次将硅片放入质量分数为15%的氢氟酸溶液中浸泡40s，然后取出硅片。本实施例步骤1.1中通过浓硫酸与双氧水的混合溶液去除硅片表面的蜡，步骤1.2中通过双氧水、氨水及去离子水的混合溶液去除硅片表面的有机物，步骤1.3中通过氢氟酸溶液去除硅片表面的氧化物，步骤1.4中通过双氧水、盐酸及去离子水的混合溶液去除硅片表面的无机物，步骤1.5中将处理过的硅片再放入氢氟酸溶液中浸泡，浸泡后不再经过去离子水漂洗，直接放入气相生长装置内，能防止硅片暴露时间太长而被氧化。

进一步的，所述步骤2中抽真空后保持气相生长装置的真空度为10^-7Pa。

进一步的，所述步骤3中输入的混合气体中硅烷与磷烷的体积比为1：1。

进一步的， 所述气相生长装置包括壳体、封盖、支撑架、泄压组件、加热装置及真空泵，所述壳体上端开口，封盖与壳体连接且封闭壳体的上端开口，壳体构成有接通其内部的混合气体入口、氮气入口及排气口，所述加热装置设于壳体内，真空泵与壳体内部接通；所述支撑架包括矩形定位板、顶杆及支撑臂，所述矩形定位板和顶杆均设于壳体内，矩形定位板上端面内凹构成有矩形凹槽、以及位于矩形凹槽侧壁上的矩形边框支撑台，所述矩形边框支撑台上端面的水平高度低于矩形定位板上端面的水平高度，所述顶杆竖直设置且穿过矩形定位板构成矩形凹槽的区域，顶杆上端端头的直径大于矩形定位板穿过顶杆部位的孔径，所述支撑臂竖直设置，其上端穿过壳体底部且与矩形定位板下端面固定连接；所述泄压组件设有泄气入口及与泄气入口接通的泄气出口，所述泄气入口与壳体内部接通，泄气入口与泄气出口接通的通道上设有泄压腔和助封组件，所述助封组件通过其自身弹性作用配合泄压腔内气压共同控制泄压腔与泄气出口之间通道在通、断两种状态下转换。

本发明步骤二中将清洗后的硅片放入气相生长装置内时具体包括以下步骤：

步骤2.1、打开封盖，控制支撑臂带动矩形定位板下移，待顶杆下端与壳体内底部接触后，再持续下移，直至顶杆上端端头部位水平高度高于矩形定位板上端面水平高度，停止下移矩形定位板；

步骤2.2、将硅片放置于顶杆上，再控制支撑臂带动矩形定位板上移，直至硅片设于矩形边框支撑台上时，再持续上移，直至顶杆下端不再与壳体内底部接触；停止上移；

步骤2.3、将封盖与壳体密封连接。

本发明步骤5取出硅外延片成品具体包括以下步骤：

打开封盖，控制支撑臂带动矩形定位板下移，待顶杆下端与壳体内底部接触后，再持续下移，直至顶杆上端端头部位水平高度高于矩形定位板上端面水平高度，停止下移矩形定位板，取出硅外延片成品。

本发明泄压腔与泄气出口之间的通道处于常闭状态，在壳体内气压超过设定气压时才打开进行泄压，如此，可保证本发明在硅片上生长硅外延层时稳压进行，且可保证本发明在设定的高压条件下进行。本发明具体设置时，矩形边框支撑台与硅片的长宽匹配，在硅衬底上生长外延层时，矩形边框支撑台将硅片背部隔离，如此，可保证外延层仅均布于硅片的正面。

为了使本发明支承硅片时受力均衡，进一步的，所述顶杆的数量为多根，多根顶杆在同一圆周上等间距排布。

进一步的，所述泄压组件包括底座、盖板、助封弹簧、隔膜、压板、隔膜压套及调节件，所述盖板与底座连接且与底座之间构成有空腔一，所述助封弹簧、隔膜、压板、隔膜压套及调节件均设于空腔一内，隔膜压套下端与空腔一内底部固定连接，隔膜周边密封固定于盖板与隔膜压套之间，所述泄压腔的底部由隔膜构成，所述泄气出口设于隔膜正上方，所述压板连接固定于隔膜下端面，所述弹簧调节件与膈膜压套螺牙连接，助封弹簧上下两端分别作用于压板和弹簧调节件；所述助封弹簧、隔膜、压板、隔膜压套及调节件共同形成助封组件。本发明助封组件的弹性伸缩性能由助封弹簧体现，助封弹簧通过作用在压板上作用于隔膜。本发明在具体实施时，泄压腔内气压对隔膜的作用力需大于助封弹簧对隔膜的顶持作用力时隔膜才不再封闭泄压腔与泄气出口之间的通道。

综上所述，本发明具有以下有益效果：（1）本发明整体工序简单，便于操作实现，成本低，本发明应用时在真空环境内进行，能消除氧、碳等气体造成的污染，使本发明实施时具有良好的生长界面；本发明应用时保持低温生长，衬底硅片溢出的杂质能快速的从衬底表面排出，能大大降低杂质重新进入外延层的机会，进而能消除传统外延工艺中衬底杂质固态扩散和自然掺杂现象，能保证制备的硅外延片具有良好的厚度均匀性和电阻率均匀性。

（2）本发明配备有气相生长装置，通过气相生长装置的设置，使得本发明在放取料时便于操作，能进一步提升本发明操作时的便捷性。

（3）本发明设有泄压组件，在壳体内气压超过设定的气压值时，助封组件在其自身弹性作用配合泄压腔内气压共同控制泄压腔与泄气出口之间通道接通，使壳体内气体外泄至泄气出口外接的一储气设备内，如此，能避免壳体内压力过大对气相生成装置的组件造成损坏，以及避免壳体内气压超压而影响硅外延片的生成质量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为本发明一个具体实施例的流程图；

图2为本发明采用的气相生长装置的结构示意图；

图3为图2中泄压组件的结构示意图。

附图中标记所对应的零部件名称：1、壳体，2、封盖，3、支撑架，301、矩形定位板，302、矩形凹槽，303、环形支撑台，304、顶杆，305、支撑臂，4、混合气体入口，5、氮气入口，6、排气口，7、泄压组件，701、底座，702、盖板，703、泄气入口，704、泄气出口，705、助封弹簧，706、隔膜，707、泄压腔，708、压板，709、隔膜压套，710、调节件，8、硅片，9、加热装置，10、真空泵。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例：

如图1所示，一种功率芯片用外延片生产工艺，包括以下步骤：步骤1、清洗衬底硅片；步骤2、将清洗后的硅片放入气相生长装置内，并将气相生长装置抽真空；步骤3、向气相生长装置内输入硅烷与磷烷的混合气体；步骤4、加热，并使气相生长装置内部温度维持在580℃～630℃，待硅片上淀积外延层厚度达到0.3～0.4μm时，停止加热；步骤5、采用氮气冲洗气相生长装置内部腔体，保证气相生长装置内部腔体不再存在反应气体，然后静置气相生长装置直至其内部温度降至室温，取出硅外延片成品。本实施例在具体实施时，步骤2中抽真空后保持气相生长装置的真空度为10^-7Pa，步骤3中输入的混合气体中硅烷与磷烷的体积比为1：1，步骤4中气相生长装置内部温度优选维持在595℃，淀积外延层厚度优选为0.35μm。

本实施例步骤1中清洗衬底硅片具体包括以下步骤：步骤1.1、去蜡，将硅片放入浓硫酸与双氧水按体积比1：1混合成的混合溶液中，采用0.8℃/s匀速升温的方式将混合液升温至100℃，并保持8min；步骤1.2、去有机物，将硅片取出放入双氧水、氨水及去离子水按体积比1：1.2：5混合成的混合溶液中，采用0.8℃/s匀速升温的方式将混合液升温至75℃，并保持10min，然后取出硅片用去离子水冲洗；步骤1.3、去氧化物，将硅片放入质量分数为15%的氢氟酸溶液中浸泡40s，再取出用去离子水清洗；步骤1.4、去无机物，将硅片放入双氧水、盐酸及去离子水按1：1.5：8混合成的混合溶液中，采用0.8℃/s匀速升温的方式将混合液升温至85℃，并保持18min，然后取出硅片用去离子水冲洗；步骤1.5、再次将硅片放入质量分数为15%的氢氟酸溶液中浸泡40s，然后取出硅片。

如图2及图3所示，本实施例采用的气相生长装置包括壳体1、封盖2、支撑架3、泄压组件7、加热装置9及真空泵10，其中，壳体1上端开口，封盖2与壳体1连接且封闭壳体1的上端开口。本实施例的壳体1构成有接通其内部的混合气体入口4、氮气入口5及排气口6，混合气体入口4供硅烷与磷烷的混合气体输入，氮气入口5供氮气输入，排气口6供壳体1内气体排出。本实施例的加热装置9设于壳体1内，真空泵10与壳体1内部接通。

本实施例的支撑架3包括矩形定位板301、顶杆304及支撑臂305，其中，矩形定位板301和顶杆304均设于壳体1内，矩形定位板301上端面内凹构成有矩形凹槽302、以及位于矩形凹槽302侧壁上的矩形边框支撑台303，矩形边框支撑台303上端面的水平高度低于矩形定位板301上端面的水平高度，顶杆304竖直设置且穿过矩形定位板301构成矩形凹槽302的区域，顶杆304上端端头的直径大于矩形定位板301穿过顶杆304部位的孔径。本实施例在具体设置时，顶杆304的数量为多根，多根顶杆304在同一圆周上等间距排布。本实施例的支撑臂305竖直设置，其上端穿过壳体1底部且与矩形定位板301下端面固定连接，壳体1穿过支撑臂305的部位与支撑臂305密封接触。

本实施例的泄压组件7设有泄气入口703及与泄气入口703接通的泄气出口704，泄气入口703与壳体1内部接通，泄气入口703与泄气出口704接通的通道上设有泄压腔707和助封组件，助封组件通过其自身弹性作用配合泄压腔707内气压共同控制泄压腔707与泄气出口704之间通道在通、断两种状态下转换。本实施例通过泄压组件7来控制壳体1内气压，以使本实施例实施时生长压力出现较小的波动。

本实施例在具体设置时，泄压组件7包括底座701、盖板702、助封弹簧705、隔膜706、压板708、隔膜压套709及调节件710，其中，盖板702与底座701连接且与底座701之间构成有空腔一，助封弹簧705、隔膜706、压板708、隔膜压套709及调节件710均设于空腔一内，隔膜压套709下端与空腔一内底部固定连接，隔膜706周边密封固定于盖板702与隔膜压套709之间，泄压腔707的底部由隔膜706构成，泄气出口704设于隔膜706正上方，压板708连接固定于隔膜706下端面，弹簧调节件710与膈膜压套709螺牙连接，助封弹簧705上下两端分别作用于压板708和弹簧调节件709，助封弹簧705、隔膜706、压板708、隔膜压套709及调节件710共同形成助封组件。

本发明步骤二中将清洗后的硅片放入气相生长装置内时具体包括以下步骤：步骤2.1、打开封盖2，控制支撑臂305带动矩形定位板301下移，待顶杆304下端与壳体1内底部接触后，再持续下移，直至顶杆304上端端头部位水平高度高于矩形定位板301上端面水平高度，停止下移矩形定位板301；步骤2.2、将硅片8放置于顶杆304上，再控制支撑臂305带动矩形定位板301上移，直至硅片8设于矩形边框支撑台303上时，再持续上移，直至顶杆304下端不再与壳体1内底部接触；停止上移；步骤2.3、将封盖2与壳体1密封连接。

本发明步骤5取出硅外延片成品具体包括以下步骤：打开封盖2，控制支撑臂305带动矩形定位板301下移，待顶杆304下端与壳体1内底部接触后，再持续下移，直至顶杆304上端端头部位水平高度高于矩形定位板301上端面水平高度，停止下移矩形定位板301，取出硅外延片成品。

本实施例制备的硅外延片经X射线双晶衍射测试，硅的衍射峰半高宽为1.6min，表明本实施例制备的硅外延片具有良好的结晶质量，而完整的晶格能提升功率芯片的接触特性。本实施例制备的硅外延片经扫描电镜测试，硅外延片表面平整，光洁，历洁净平整的外延层表面能使势垒金属形成紧密接触，故本实施例制备的硅外延片能进一步提升功率芯片的接触特性。本实施例制备的硅外延片经扩展电阻测试，衬底与外延层之间有明显的过渡区，由此可见，本实施例采用较低的外延温度，能大大降低高温引起的气相掺杂和固态扩散现象。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。