一种硅反外延片的制备方法
阅读说明：本技术 一种硅反外延片的制备方法 (Preparation method of silicon anti-epitaxial wafer ) 是由 李杨 傅颖洁 李明达 薛兵 唐发俊 于 2020-12-28 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种硅反外延片的制备方法,反应腔体内通入氯化氢气体；将直筒式石墨基座表面沉积一层无掺杂致密多晶硅；向反应腔体内直筒式石墨基座上装入硅衬底片；磷烷气体进入反应腔体,使磷烷气体充满反应腔体；在硅衬底片上进行第一层硅外延层生长；第一层硅外延层生长完成后,磷烷气体进入反应腔体,使磷烷气体充满反应腔体；在第一层硅外延层上进行第二层硅外延层生长；第二层硅外延层生长完成后,磷烷气体进入反应腔体,使磷烷气体充满反应腔体；在第二层硅外延层上进行第三层硅外延层生长；第三层硅外延层生长完成后得到硅反外延片。本方法显著提升了硅外延片的硅外延层掺杂浓度一个数量级,硅外延层厚度达到250～260μm的超厚状态。(The invention relates to a preparation method of a silicon anti-epitaxial wafer, wherein hydrogen chloride gas is introduced into a reaction cavity; depositing a layer of undoped compact polysilicon on the surface of a straight cylinder type graphite base; a silicon substrate slice is arranged on a straight cylinder type graphite base in the reaction cavity; allowing the phosphine gas to enter the reaction cavity to fill the reaction cavity with the phosphine gas; growing a first silicon epitaxial layer on a silicon substrate; after the growth of the first silicon epitaxial layer is finished, allowing phosphine gas to enter the reaction cavity, so that the reaction cavity is filled with the phosphine gas; growing a second silicon epitaxial layer on the first silicon epitaxial layer; after the growth of the second silicon epitaxial layer is finished, allowing phosphine gas to enter the reaction cavity, so that the reaction cavity is filled with the phosphine gas; growing a third silicon epitaxial layer on the second silicon epitaxial layer; and obtaining the silicon reverse epitaxial wafer after the growth of the third silicon epitaxial layer is finished. The method obviously improves the doping concentration of the silicon epitaxial layer of the silicon epitaxial wafer by one order of magnitude, and the thickness of the silicon epitaxial layer reaches an ultra-thick state of 250-260 mu m.)
技术领域
本发明涉及一种半导体外延材料的制备技术领域，尤其涉及一种硅反外延片的制备方法。
背景技术
光电探测器的工作原理为光电效应，当一个入射光子能量大于或等于半导体的带隙能量时，将激励价带上的一个电子吸收光子的能量而跃迁到导带上，此过程产生自由的电子一空穴对。在光电二极管的PN结中间引入一层浓度很低的N型半导体，就可以增大耗尽区的宽度，达到减小扩散运动的影响，提高响应速度的目的。由于这一掺入层的掺杂浓度低，近乎本征（Intrinsic）半导体，故称I层，因此这种结构成为PIN光电二极管。I层较厚，几乎占据了整个耗尽区。绝大部分的入射光在I层内被吸收并产生大量的电子-空穴对。在I层两侧是掺杂浓度很高的P型和N型半导体，P层和N层很薄，吸收入射光的比例很小。因而光产生电流中漂移分量占了主导地位，这就大大加快了响应速度。
PIN光电二极管对硅材料要求超高电阻率和超厚层，外延工艺已无法实现。长期以来，器件研究单位均采用区熔硅单晶衬底作基底，但是由于接触电阻过大，器件性能受到极大的制约。
硅反外延片与硅外延片用法相反，把区熔硅单晶作为器件有源区域，所制外延层掺杂浓度高且超厚形成电势的梯度,让金属电极和重掺杂外延层区域形成欧姆接触。因此硅反外延片的硅外延层掺杂浓度需达到>4×1019cm-3的高掺杂浓度，硅外延层的厚度需要达到250~260μm的超厚状态，且硅外延层晶体完整性要好，防止因缺陷导致的外延层破损和碎片。而常规直接生长超厚状态的低缺陷重掺外延层难度很大，硅外延层掺杂浓度通常只能达到1×1018cm-3~6×1018cm-3的量级，与目标值相比低1个数量级，严重影响器件实际应用。
发明内容
本发明的目的是克服了现有硅反外延片在常规外延生长工艺中存在的重掺杂浓度和低缺陷超厚外延生长难以兼容的控制问题，通过设计多段外延生长和高浓度磷烷气体预进入反应腔体的方法，获得一种硅反外延片的制备方法，显著提高了硅外延片的硅外延层掺杂浓度和超厚状态下的硅外延层晶格完整性，满足使用要求。
本发明采取的技术方案是：一种硅反外延片的制备方法，包括如下步骤：
（1）反应腔体内通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为34~36 L/min，在高温下对反应腔体的直筒式石墨基座上的残余沉积物质进行刻蚀，刻蚀温度设定为1160~1180℃，刻蚀时间设定为3.0~3.5 min；
（2）氢气流量设定为300~305 L/min，携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为36.0~37.0 L/min，反应时间设定为55~60 sec，将直筒式石墨基座表面沉积一层无掺杂的致密多晶硅；
（3）向反应腔体内直筒式石墨基座上装入硅衬底片，硅衬底片直径为150~200 mm，随后反应腔体升温至1130~1160℃；
（4）磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为800~820sccm，进入时间设定为2~3 min，使磷烷气体充满反应腔体；
（5）在硅衬底片上进行第一层硅外延层生长，将氢气分成两路进入反应腔体，一路氢气流量设定为300~305 L/min，同时携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为35~36 L/min，反应时间设定为17~21 min，另一路氢气流量设定为0.1 L/min，同时携带磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为800~820 sccm；
（6）第一层硅外延层生长完成后，磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为800~820 sccm，进入时间设定为2~3min，使磷烷气体充满反应腔体；
（7）在第一层硅外延层上进行第二层硅外延层生长，将氢气分成两路进入反应腔体，一路氢气流量设定为300~305 L/min，同时携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为35~36 L/min，反应时间设定为17~21 min，另一路氢气流量设定为0.1 L/min，同时携带磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为800~820 sccm；
（8）第二层硅外延层生长完成后，磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为800~820sccm，进入时间设定为2~3min，使磷烷气体充满反应腔体；
（9）在第二层硅外延层上进行第三层硅外延层生长，将氢气分成两路进入反应腔体，一路氢气流量设定为300~305 L/min，同时携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为35~36 L/min，，反应时间设定为9~11 min，另一路氢气流量设定为0.1 L/min，同时携带磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为800~820 sccm；
（10）第三层硅外延层生长完成后得到硅反外延片，开始降温，待硅反外延片温度降低至60℃后，从直筒式石墨基座上取出。
本发明的有益效果是，克服了现有硅反外延片在常规外延生长工艺中存在的重掺杂浓度和低缺陷超厚外延生长难以兼容的问题，通过设计多段外延的生长和高浓度磷烷气体生长前预进入反应腔体的方法，提供了一种高掺杂浓度、超厚状态低缺陷硅反外延片的制备方法，实现了硅外延片掺杂浓度>4×1019cm-3，较常规外延工艺可以显著提升硅外延片的硅外延层掺杂浓度一个数量级，同时硅外延层厚度可以达到250~260μm的超厚状态且无晶体缺陷的良好控制水平。
具体实施方式
本发明所用的硅衬底片直径150~200 mm，电阻率1000~1500 Ω·cm，所制硅反外延片的厚度和掺杂浓度均采用测试硅反外延片的中心点获得。
实施例1
（1）反应腔体内通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为35L/min，在高温下对反应腔体的直筒式石墨石墨基座上的残余沉积物质进行刻蚀，刻蚀温度设定为1170℃，刻蚀时间设定为3.2 min；
（2）氢气流量设定为302L/min，携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为36.5L/min，反应时间设定为58 sec，向直筒式石墨基座表面沉积沉积一层无掺杂的致密多晶硅；
（3）向反应腔体内直筒式石墨基座上装入硅衬底片，硅衬底片直径为150mm，随后反应腔体升温至1140℃；
（4）磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为810sccm，进入时间设定为2.5min，使磷烷气体充满反应腔体；
（5）在硅衬底片上进行硅外延层生长，将氢气分成两路进入反应腔体，一路氢气流量设定为302 L/min，同时携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为35.5 L/min，反应时间设定为50 min，另一路氢气流量设定为0.1 L/min，同时携带磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为810sccm；
（6）硅外延层生长完成后得到硅反外延片，开始降温，待硅反外延片温度降低至60℃后，从直筒式石墨基座上取出。
实施例1制得的硅外延片的硅外延层掺杂浓度仅为2×1018cm-3，硅外延层厚度达到255μm，表面缺陷密度较高，因此单步外延生长不能满足器件使用要求。
实施例2
（1）反应腔体内通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为35L/min，在高温下对反应腔体的石墨基座上的残余沉积物质进行刻蚀，刻蚀温度设定为1170℃，刻蚀时间设定为3.2 min；
（2）将氢气流量设定为302L/min，携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为36.5L/min，反应时间设定为58 sec，向直筒式石墨基座表面沉积沉积一层无掺杂的致密多晶硅；
（3）向反应腔体内直筒式石墨基座上装入硅衬底片，硅衬底片直径为150mm，随后反应腔体升温至1140℃；
（4）磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为600sccm，进入时间设定为2.5min，使磷烷气体充满反应腔体；
（5）在硅衬底片上进行第一层硅外延层生长，将氢气分成两路进入反应腔体，一路氢气流量设定为302 L/min，同时携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为35.5 L/min，反应时间设定为20 min，另一路氢气流量设定为0.1 L/min，同时携带磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为810sccm；
（6）第一层硅外延层生长完成后，磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为600sccm，进入时间设定为2.5min，使磷烷气体充满反应腔体；
（7）在第一层硅外延层上进行第二层硅外延层生长，将氢气分成两路进入反应腔体，一路氢气流量设定为302L/min，同时携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为35.5 L/min，反应时间设定为20min，另一路氢气流量设定为0.1 L/min，同时携带磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为810sccm；
（8）磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为600sccm，进入时间设定为2.5min，使磷烷气体充满反应腔体；
（9）在第二层硅外延层上进行第三层硅外延层生长，将氢气分成两路进入反应腔体，一路氢气流量设定为302 L/min，携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为35.5 L/min，反应时间设定为10 min，另一路氢气流量设定为0.1 L/min，同时携带磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为810sccm；
（10）第三层硅外延层生长完成得到硅反外延片，开始降温，待硅反外延片温度降低至60℃后，从直筒式石墨基座上取出。
实施例2制得的硅反外延片的硅外延层掺杂浓度仅为6×1018cm3，硅外延层厚度达到255μm，表面缺陷密度较高，因此仅采用两步外延生长，硅反外延片的表面质量和掺杂浓度并不能满足器件使用要求。
实施例3
（1）反应腔体内通入氯化氢气体，氯化氢气体流量设定为35L/min，在高温下对反应腔体的直筒式石墨基座上的残余沉积物质进行刻蚀，刻蚀温度设定为1170℃，刻蚀时间设定为3.2 min；
（2）氢气流量设定为302 L/min，携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为36.5L/min，反应时间设定为58 sec，将直筒式石墨基座表面沉积一层无掺杂的致密多晶硅；
（3）向反应腔体内直筒式石墨基座上装入硅衬底片，硅衬底片直径为150mm，随后反应腔体升温至1140℃；
（4）磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为810sccm，进入时间设定为2.5min，使磷烷气体充满反应腔体；
（5）在硅衬底片上进行第一层硅外延层生长，将氢气分成两路进入反应腔体，一路氢气流量设定为302 L/min，同时携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为35.5 L/min，反应时间设定为20 min，另一路氢气流量设定为0.1 L/min，同时携带磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为810 sccm；
（6）第一层硅外延层生长完成后，磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为810sccm，进入时间设定为2.5min，使磷烷气体充满反应腔体；
（7）在第一层硅外延层上进行第二层硅外延层生长，将氢气分成两路进入反应腔体，一路氢气流量设定为302L/min，同时携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为35.5 L/min，反应时间设定为20min，另一路氢气流量设定为0.1 L/min，同时携带磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为810sccm；
（8）第二层硅外延层生长完成后，磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为810sccm，进入时间设定为2.5min，使磷烷气体充满反应腔体；
（9）在第二层硅外延层上进行第三层硅外延层生长，将氢气分成两路进入反应腔体，一路氢气流量设定为302 L/min，同时携带气态三氯氢硅进入反应腔体，三氯氢硅流量设定为35.5 L/min，反应时间设定为10 min，另一路氢气流量设定为0.1 L/min，同时携带磷烷气体进入反应腔体，磷烷气体流量设定为810 sccm；
（10）第三层硅外延层生长完成后得到硅反外延片，开始降温，待硅反外延片温度降低至60℃后，从直筒式石墨基座上取出。
实施例3制得的硅外延层的掺杂浓度达到6×1019cm-3，硅外延层厚度达到255μm，表面无缺陷。
与实施例1、实施例2相比，在其相应的工艺条件下，实施例3设计采用三步硅外延层生长，而且每步硅外延层生长前，预先在反应腔体内通入磷烷气体并充满腔体的方式，所制得的硅反外延片的硅外延层掺杂浓度最高，超厚状态下晶体质量最好，能够满足器件使用要求，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。
- 上一篇：一种医用注射器针头装配设备
- 下一篇：半导体晶圆外延生长装置及其工作方法