一种高频器件用硅外延片的制备方法与流程

本发明涉及一种半导体硅外延材料的制备技术领域，尤其涉及一种高频器件用硅外延片的制备方法。

背景技术：

普通电力电子器件以击穿电压、正向导通电压以及抗静电干扰能力等为主要评估参数，采用的硅外延片由轻掺硅衬底片与重掺硅外延层两部分组成，常规硅外延层厚度为保证电力电子器件耐压要求，参数普遍高于3μm，此时在反应时间足够长的情况下，硅外延层电阻率高于硅衬底片电阻率2个数量级，技术难度可控。但是ka波段的高频领域器件，由于结电容、正向微分电阻率等参数的要求，硅外延层的厚度被大幅缩短为亚微米级（0.3~0.7）μm，但此时仍要求硅外延层的电阻率需高于硅衬底片的电阻率2个数量级，在现有技术下如此超薄层高阻硅外延制备过程中，因生长时间明显缩短，稳态生长过程的占比被进一步缩短，反应中间产物成份复杂，生长的厚度、电阻率参数随时面临失控状态，经常出现电阻率爬升缓慢、厚度参数稳定性差、甚至表面质量差的问题，且参数控制稳定性能力不足，因此如何实现电阻率从硅衬底片向硅外延层的快速提升，并能实现工艺过程的稳定控制，成为国内外延工艺技术的主要难点。

目前常规常压条件下硅外延层的生长速率普遍高于1μm/min，此时电阻率仅能实现一个数量级的提升，此时提升幅度过慢造成不能满足应用要求。基于硅外延层的生长速率，与生长温度和硅源流量均密切相关，采用现有技术实现常压低速外延生长，随时面临低硅源流量控制稳定性、低温生长与表面生长质量兼容性的技术挑战；而单纯采用低于1000℃的较低温度生长，硅外延层的生长速率可以降低，但同时硅外延层容易呈现雾面粗糙的状态；而大幅降低硅源浓度接近流量计控制能力极限，使硅外延层生长速率低于0.5μm/min的工艺稳定性较差，亟待开发低鼓泡温度、高鼓泡压力和大流量氢气三种工艺相互配合携带低三氯氢硅浓度的方式，可有效实现常压低速硅外延层生长工艺。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有高频器件用硅外延片制备过程中面临硅外延层电阻率提升速率慢，工艺稳定性差的问题，获得一种超薄层高阻硅外延片的制备方法，通过低鼓泡温度、高鼓泡压力和大流量氢气的工艺组合，显著改善了硅外延层的电阻率爬升速率及生长过程的稳定性。

本发明采取的技术方案是：一种高频器件用硅外延片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）硅外延炉反应腔体内部的石英部件预先用酸液清洗干净，随后用清水冲洗干净，高温烘干后在氮气柜中静置时间不低于12小时，随后重新装入反应腔体；

（2）硅外延炉反应腔体的基座升温至1160℃，通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为35l/min，对硅外延炉反应腔体的基座进行一次10min的刻蚀，随后将基座温度降至60℃；

（3）硅衬底片装在硅外延炉反应腔体的基座上，升温至1100~1110℃，反应腔体内通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为3~5l/min，对硅衬底片表面进行气相抛光，抛光时间设定为5min；

（4）使用氢气对反应腔体进行吹扫，氢气流量从40l/min上升到400l/min，时间设定为0.5min，在氢气流量为400l/min下进行吹扫，时间设定为5min，氢气流量从400l/min下降至40l/min，时间设定为0.5min，在氢气流量为40l/min下进行吹扫，时间设定为3min；

（5）三氯氢硅原料位于鼓泡器内，以氢气鼓泡的方式进入反应腔体，作为硅外延层的生长原料，鼓泡温度设定为14~16℃，鼓泡压力设置为220~230kpa，三氯氢硅的流量设定为4~5l/min，在管道中的排空时间设定为1min，硅外延层的生长时间为60~90sec；

（6）硅外延片的硅外延层生长完成后，用氮气进行吹扫和降温，温度下降速率设为100℃/min，待硅外延片温度降低至60℃后从基座上取出；

所用的硅外延炉为pe-2061s型常压桶式硅外延炉，反应腔体为圆桶式结构，基座距石英顶盘的高度设定为45~50mm，生长过程中反应腔体的基座转速控制为5~6r/min；

所述硅衬底片导电类型为n型，电阻率低于0.005ω·cm；

所述硅外延片的硅外延层导电类型为n型，厚度为0.3~0.7μm，表层电阻率高于0.3ω·cm。

本发明的有益效果是，通过反应腔体内的石英部件的预先清洗和氢气的反复吹扫，净化了硅外延炉的反应腔体，实现了厚度小于1μm的硅外延层生长过程，电阻率可稳定快速的爬升至高于0.1ω·cm的能力，显著提高了亚微米级的硅外延层的生长控制能力，克服了现有超薄硅外延层制备工艺中长期面临的厚度、电阻率以及结晶质量无法稳定控制的技术问题。

附图说明

图1为实施例1的硅外延层测试曲线图；

图2为实施例2的硅外延层测试曲线图；

图3为实施例3的硅外延层测试曲线图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明：

本发明所用的硅外延炉为pe-2061s型常压桶式硅外延炉，反应腔体为圆桶式结构，基座距石英顶盘的高度设定为45mm，生长过程中反应腔体的基座转速控制为5r/min，所述硅衬底片导电类型为n型，电阻率低于0.005ω·cm，硅外延片的硅外延层导电类型为n型。

实施例1

（1）硅外延炉反应腔体内部的石英部件预先用酸液清洗干净，随后用清水冲洗干净，高温烘干后在氮气柜中静置时间不低于12小时，随后重新装入反应腔体；

（2）硅外延炉反应腔体的基座升温至1160℃，通入氯化氢气体，氯化氢流量设定为35l/min，对硅外延炉反应腔体的基座进行一次10min的刻蚀，随后将基座温度降至60℃；

（3）硅衬底片装在硅外延炉反应腔体的基座上，升温至1130℃，反应腔体内通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为3l/min，对硅衬底片表面进行气相抛光，抛光时间设定为5min；

（4）使用氢气对反应腔体进行吹扫，氢气流量从40l/min上升到400l/min，时间设定为0.5min，在氢气流量为400l/min下进行气体吹扫，时间设定为5min，氢气流量从400l/min下降至40l/min，时间设定为0.5min，在氢气流量为40l/min下进行气体吹扫，时间设定为3min；

（5）三氯氢硅原料位于鼓泡器内，以氢气鼓泡的方式进入反应腔体，作为硅外延层的生长原料，鼓泡温度设定为16℃，鼓泡压力设置为230kpa，三氯氢硅的流量设定为5l/min，在管道中的排空时间设定为1min，硅外延层的生长时间为90sec；

（6）硅外延片的硅外延层生长完成后，用氮气进行吹扫和降温，温度下降速率设为100℃/min，待硅外延片温度降低至60℃后从基座上取出；

实施例1制得的硅外延片表面光亮，无滑移线和雾等缺陷，厚度和电阻率测试结果如图1所示。硅外延片的硅外延层电阻率为0.3ω·cm，符合电阻率指标要求，但此时硅外延片的硅外延层厚度为0.8μm，不符合厚度指标要求。

实施例2

（1）硅外延炉反应腔体内部的石英部件预先用酸液清洗干净，随后用清水冲洗干净，高温烘干后在氮气柜中静置时间不低于12小时，随后重新装入反应腔体；

（2）硅外延炉反应腔体的基座升温至1160℃，通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为35l/min，对硅外延炉反应腔体的基座进行一次10min的刻蚀，随后将基座温度降至60℃；

（3）硅衬底片装在硅外延炉反应腔体的基座上，升温至1110℃，反应腔体内通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为3l/min，对硅衬底片表面进行气相抛光，抛光时间设定为5min；

（4）使用氢气对反应腔体进行吹扫，氢气流量从40l/min上升到400l/min，时间设定为0.5min，在氢气流量为400l/min下进行气体吹扫，时间设定为5min，氢气流量从400l/min下降至40l/min，时间设定为0.5min，在氢气流量为40l/min下进行气体吹扫，时间设定为3min；

（5）三氯氢硅原料位于鼓泡器内，以氢气鼓泡的方式进入反应腔体，作为硅外延层的生长原料，鼓泡温度设定为16℃，鼓泡压力设置为230kpa，三氯氢硅的流量设定为5l/min，在管道中的排空时间设定为1min，硅外延层的生长时间为90sec；

（6）硅外延片的硅外延层生长完成后，用氮气进行吹扫和降温，温度下降速率设为100℃/min，待硅外延片温度降低至60℃后从基座上取出；

实施例2制得的硅外延片表面光亮，无滑移线和雾等缺陷，厚度和电阻率测试结果如图2所示。硅外延片的硅外延层厚度为0.5μm，符合厚度指标要求，但硅外延片的硅外延层电阻率为0.25ω·cm，不符合电阻率指标要求。

实施例3

（1）硅外延炉反应腔体内部的石英部件预先用酸液清洗干净，随后用清水冲洗干净，高温烘干后在氮气柜中静置时间不低于12小时，随后重新装入反应腔体；

（2）硅外延炉反应腔体的基座升温至1160℃，通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为35l/min，对硅外延炉反应腔体的基座进行一次10min的刻蚀，随后将基座温度降至60℃；

（3）硅衬底片装在硅外延炉反应腔体的基座上，升温至1100℃，反应腔体内通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为3l/min，对硅衬底片表面进行气相抛光，抛光时间设定为5min；

（4）使用氢气对反应腔体进行吹扫，氢气流量从40l/min上升到400l/min，时间设定为0.5min，在氢气流量为400l/min下进行气体吹扫，时间设定为5min，氢气流量从400l/min下降至40l/min，时间设定为0.5min，在氢气流量为40l/min下进行气体吹扫，时间设定为3min；

（5）三氯氢硅原料位于鼓泡器内，以氢气鼓泡的方式进入反应腔体，作为硅外延层的生长原料，鼓泡温度设定为14℃，鼓泡压力设置为230kpa，三氯氢硅的流量设定为4l/min，在管道中的排空时间设定为1min，硅外延层的生长时间为90sec；

（6）硅外延片的硅外延层生长完成后，用氮气进行吹扫和降温，温度下降速率设为100℃/min，待硅外延片温度降低至60℃后从基座上取出；

实施例3所制得的硅外延片无滑移线和雾等缺陷，厚度和电阻率测试结果如图3所示，硅外延片的硅外延层厚度为0.40μm，硅外延片的硅外延层电阻率为0.37ω·cm。

与实施例1、实施例2相比，实施例3通过设计工艺温度、氢气流量、硅源流量、鼓泡温度和鼓泡压力等关键硅外延层生长条件，硅外延层的电阻率提升速率获得明显改善，同时符合硅外延层厚度、电阻率指标要求。因此，实施例3为本发明的最佳实施例。

显然，本领域的技术人员可以对本发明的制备方法进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若对本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。