專利名稱：硅外延生長的工藝方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種半導(dǎo)體領(lǐng)域中的外延生長方法，特別是涉及一種硅外延生長的工藝方法。
背景技術(shù)：
平面光波導(dǎo)功率分路器(PLC Optical Power Splitter),通過半導(dǎo)體工藝制作光分路器件，光分路的功能在芯片內(nèi)實現(xiàn)，芯片兩端通過封裝耦合輸入輸出的光纖陣列實現(xiàn)和光纖的鏈接。平面光波導(dǎo)功率分路器(PLC器件)的工藝具有一、對波長不敏感；二、分光均勻性較好；三、可以拉制1X32路以上分光器件，且分光路數(shù)越多單位成本越便宜；四、器件體積較小等優(yōu)勢，市場前景廣闊。但平面光波導(dǎo)功率分路器具有以下缺點1、技術(shù)門檻較高，目前光分路芯片靠進口，國內(nèi)僅幾家大學(xué)有實驗室水平；2、國內(nèi)目前工業(yè)生產(chǎn)僅有封裝廠商。在實際生產(chǎn)過程中，由于PLC器件耦合器部分要求不同深度臺階式結(jié)構(gòu)，總深度達13pm。該結(jié)構(gòu)功能受深度影響明顯，單純使用刻蝕工藝無法得到滿足要求結(jié)構(gòu)，采用傳統(tǒng)外延與刻蝕結(jié)合的工藝。通過逐層刻蝕淀積等工藝形成不同功能器件區(qū)后，再經(jīng)由外延工藝將單晶硅厚度補充到13um。在此工藝中，硅單晶區(qū)域生長外延單晶，非硅單晶區(qū)域生長外延多晶。由于外延需要較高溫度淀積5 10 ii m，造成多晶表面粗糙度嚴(yán)重對光刻以及刻蝕工藝造成影響，易產(chǎn)生光刻對準(zhǔn)問題以及刻蝕溝槽底部不均勻等問題?，F(xiàn)有工藝通常高溫外延淀積，在外延生長后，多晶區(qū)域表面粗糙嚴(yán)重，光刻標(biāo)記很容易發(fā)生畸變甚至完全消失，進而對光刻對準(zhǔn)造成嚴(yán)重影響，使硅片無法繼續(xù)后續(xù)工藝流程。由于硅片表面嚴(yán)重不平，刻蝕后溝槽底部有嚴(yán)重的凹凸問題
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種硅外延生長的工藝方法。該方法可實現(xiàn)多層次外延結(jié)構(gòu)同步生長，因此，可實現(xiàn)選擇性外延與非選擇性外延同步生長，實現(xiàn)同等溝槽寬度下，較高硅單晶有效區(qū)域，并減少高溫多晶層厚度，實現(xiàn)更低硅多晶表面粗糙度。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明的硅外延生長的工藝方法，包括步驟I)在硅基底上，生長二氧化硅或氮化硅掩蔽層，或以二者疊加作為掩蔽層；2)通過光刻刻蝕工藝，在硅基底上，形成硅單晶生長窗口 ；3)對硅單晶生長窗口進出預(yù)處理，形成厭氧表面；4)在硅單晶生長窗口，進行第一硅單晶外延生長，以實現(xiàn)選擇性外延生長；5)通過外延多晶硅籽晶層生長，使在第一硅單晶外延上生長第二硅單晶，在掩蔽層上生長第一娃多晶；6)在外延多晶硅籽晶層上進行全外延層生長，使在第二硅單晶上繼續(xù)生長第三硅單晶，在第一硅多晶上繼續(xù)生長第二硅多晶。(每個步驟中涉及的工藝條件，請詳細(xì)說明)
所述步驟1)中，生長的方式包括熱氧化方式或淀積方式生長掩蔽層，若采用熱氧化方式，氧化溫度在700 1200°C之間，采用常壓方式；若采用淀積方式，則可使用離子增強型化學(xué)氣相淀積，反應(yīng)溫度在350 800°C之間；所述二氧化硅或氮化硅掩蔽層的厚度為 0. 2 10 u m。所述步驟2)的光刻刻蝕工藝中，如采用純干刻工藝，需在后續(xù)外延生長前進行爐管修復(fù)，修復(fù)溫度為900 1100°C，修復(fù)時間為10 30min，并通過濕法刻蝕將爐管修復(fù)過程中形成的犧牲氧化層去除。所述步驟3)中，預(yù)處理的方法為采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗方法，并在該清洗方法中，增加HF的最后清洗步驟，將硅表面懸掛鍵替換成不穩(wěn)定H-Si鍵，阻止表面硅氧化。所述步驟4)中，第一硅單晶外延生長中的硅源包括SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2*SiH4等中的一種，娃源的氣體流量為50 5000sccm ;第一娃單晶外延生長中的刻蝕氣體為含齒族元素腐蝕氣體，包括=HCl或HBr等中的一種，腐蝕氣體流量為0. 01 5slm ;硅源的淀積溫度為450 1250°C ;第一硅單晶外延生長的壓力為20 760Torr，第一硅單晶外延生長的厚度為0.1 10 ii m。所述步驟5)中，當(dāng)最上層掩蔽層為氮化硅時，外延多晶硅籽晶層生長中的硅源包括=SiH2Cl2 (DCS)或SiH4等中的一種，硅源的氣體流量為50 5000sCCm ;當(dāng)最上層掩膜層為二氧化硅時，外延多晶硅籽晶層生長中的硅源為SiH4，硅源的氣體流量為50 5000sccm ;硅源的淀積溫度為450 950°C ;外延多晶硅籽晶層生長中的生長壓力為20 760Torr，外延多晶硅籽晶層的厚度為0.1 I y m。所述步驟6)中，全外延層生長中的硅源包括SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2或SiH4等中的一種，硅源的氣體流量為50 5000SCCm ;硅源的淀積溫度為450 1250°C ;全外延層生長中的生長壓力為20 760Torr,全外延層的厚度為0.1 10 y m。本發(fā)明中，在硅基底上生長二氧化硅或氮化硅或二者疊加作為掩蔽層，隨后通過光刻刻蝕工藝在硅基片上刻蝕出外延單晶生長區(qū)域，最終通過特殊外延生長工藝，實現(xiàn)在硅單晶區(qū)域生長選擇性外延硅單晶層，并填充溝道完成后，在硅單晶區(qū)和硅多晶區(qū)同時分別生長硅單晶以及硅多晶，最終實現(xiàn)選擇性外延、非選擇性外延多層次同步生長。本發(fā)明的外延工藝分3步生長第一步選擇性硅外延生長，第二步多晶硅籽晶層生長，第三步全外延生長。其技術(shù)關(guān)鍵在于在低溫生長條件下，多晶硅籽晶層生長條件，如溫度過低會造成單晶區(qū)域質(zhì)量下降，缺陷增多；溫度過高會造成非晶區(qū)域無法形成成片多晶籽晶，造成表面僅有部分多晶晶粒，形成高臺階，影響后續(xù)刻蝕光刻制程。與此同時，多晶厚度與單晶厚度需一致。通過降低外延生長壓力，可同時降低硅單晶和硅多晶的生長速率，其中，硅多晶降低速度更快；降低外延生長溫度，可同時降低硅單晶和硅多晶的生長速率，其中，硅單晶降低速度更快。在更低溫度下，硅單晶質(zhì)量變差，并逐步向硅多晶過渡，故外延反應(yīng)溫度最好不要低于640°C，否則將增大缺陷出現(xiàn)概率，增大工藝調(diào)試難度，影響單晶質(zhì)量。利用HCl拋光技術(shù)在外延淀積前，對硅基片進行表面預(yù)處理，形成光潔外延生長界面，隨后通過有效調(diào)節(jié)外延生長壓力和溫度，得到相同的硅單晶與硅多晶的淀積速率。因此，本發(fā)明是一種在半導(dǎo)體基底上實現(xiàn)多層、選擇性外延和非選擇性外延生長同步的方法，能實現(xiàn)同等溝槽寬度下，較高硅單晶有效區(qū)域，并減少高溫多晶層厚度，實現(xiàn)更低硅多晶表面粗糙度，即能有效降低多晶表面粗糙程度。同時，本發(fā)明的方法，可應(yīng)用于平面光波導(dǎo)功率分路器的制造中。


下面結(jié)合附圖與具體實施方式
對本發(fā)明作進一步詳細(xì)的說明圖1是生長或淀積掩蔽層后的示意圖；圖2是刻蝕出硅單晶生長窗口后的示意圖；圖3是硅單晶生長后的示意圖；圖4是通過外延多晶籽晶層生長后的示意圖；圖5是全外延生長后的示意圖；圖6是傳統(tǒng)全外延生長與本發(fā)明同樣外延厚度的不意圖。圖中附圖標(biāo)記說明如下11為硅基底，12為二氧化硅掩蔽層，13為硅單晶生長窗口，14為第一硅單晶，15為硅單晶外延，15a為第一硅多晶，15b為第二硅單晶，15c為第二硅多晶，15d為第三硅單晶。
具體實施例方式本發(fā)明的硅外延生長的工藝方法，是一種在半導(dǎo)體基底上同時生長硅單晶與硅多晶的方法，包括步驟I)在硅基底11上，通過熱氧化方式或淀積方式，若采用熱氧化方式，氧化溫度在700 1200°C之間，采用常壓方式；若采用淀積方式，則可使用離子增強型化學(xué)氣相淀積，反應(yīng)溫度在350 800°C之間，生長二氧化硅或氮化硅掩蔽層，或以二者疊加作為掩蔽層；其中，二氧化硅或氮化硅掩蔽層的厚度為0. 2 IOiim ;圖1是以二氧化硅掩蔽層12為例，進行舉例說明。2)通過光刻刻蝕工藝，在硅基底11上，形成硅單晶生長窗口 13 (如圖2所示)；其中，光刻刻蝕工藝中，如采用純干刻工藝，需在后續(xù)外延生長前進行爐管修復(fù)，修復(fù)溫度為900 1100°C，修復(fù)時間為10 30min，并通過濕法刻蝕將爐管修復(fù)過程中形成的犧牲氧化層去除。3)在外延生長前，采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗方法，并在該清洗方法中，增加HF的最后清洗步驟，將硅表面懸掛鍵替換成不穩(wěn)定H-Si鍵，阻止表面硅氧化，以實現(xiàn)對硅片進行預(yù)處理，即對硅單晶生長窗口 13進出預(yù)處理，形成厭氧表面。4)選擇性外延生長在打開的硅單晶區(qū)域進行硅外延生長，在其他區(qū)域則不生長，即在硅單晶生長窗口 13進彳丁第一娃單晶14外延生長(如圖3所不)；其中，第一硅單晶14外延生長中的硅源為51(14、5111(13、51112(12或51114等中的一種，娃源的氣體流量為50 5000sccm ;第一娃單晶外延生長中的刻蝕氣體為含齒族兀素腐蝕氣體，如HCl或HBr等中的一種，腐蝕氣體流量為0. 01 5slm ;硅源的淀積溫度為450 12500C ;第一硅單晶14外延生長的壓力為20 760Torr，第一硅單晶14外延生長的厚度為 0.1 10 u m。5 )外延多晶硅籽晶層生長在較低溫度下，硅單晶區(qū)域生長硅單晶，在其他區(qū)域生長硅多晶，即通過外延多晶娃籽晶層生長，使在第一娃單晶14外延上生長第二娃單晶15b,在掩蔽層上生長第一娃多晶15a (如圖4所示)；其中，當(dāng)最上層掩蔽層為氮化硅時，外延多晶硅籽晶層生長中的硅源為SiH2Cl2(DCS)或SiH4等中的一種，硅源的氣體流量為50 5000SCCm ;當(dāng)最上層掩膜層為二氧化硅時，外延多晶硅籽晶層生長中的硅源為SiH4，硅源的氣體流量為50 5000SCCm ;硅源的淀積溫度為450 950°C;外延多晶硅籽晶層生長中的生長壓力為20 760Torr，外延多晶硅籽晶層(第二硅單晶15b和第一硅多晶15a形成的多晶硅籽晶層)的厚度為0.1 I ii m。6)全外延層生長在硅單晶區(qū)域生長硅單晶，在其他區(qū)域生長硅多晶，即在外延多晶硅籽晶層上進行全外延層生長，使在第二硅單晶15b上繼續(xù)生長第三硅單晶15d，在第一硅多晶15a上繼續(xù)生長第二硅多晶15c (如圖5所示)。其中，全外延層生長中的硅源為31(14、5111(13、51112(12或51114等中的一種，硅源的氣體流量為50 5000SCCm ;硅源的淀積溫度為450 1250°C;全外延層生長中的生長壓力為20 760Torr,全外延層(第三娃單晶15d和第二娃多晶15c形成的全外延層)的厚度為0.1 10 u m。按照上述方法形成的娃外延,與傳統(tǒng)全外延生長同樣外延厚度相比較在外延總厚度相同情況下，外延有效區(qū)寬度=溝道寬度-2X高度XcosY在傳統(tǒng)單一非選擇性外延生長情況下，外延有效區(qū)寬度為S1=L_2X (a+b) XcosY(如圖6所示)；而本發(fā)明的外延有效區(qū)寬度為S2=L_2XbX cosY，多了 2XaX cosY寬度(如圖5所示)，而且由于非選 擇性高溫制程時間縮短，可有效降低多晶表面粗糙程度。因此，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)外延方式中的同時生長硅單晶與硅多晶容易產(chǎn)生多晶表面粗糙的問題，而且本發(fā)明可應(yīng)用于平面光波導(dǎo)功率分路器的制造中，解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的后續(xù)光刻刻蝕工藝所存在的問題。
權(quán)利要求
1.一種硅外延生長的工藝方法，其特征在于，包括步驟 1)在硅基底上，生長二氧化硅或氮化硅掩蔽層，或以二者疊加作為掩蔽層； 2)通過光刻刻蝕工藝，在硅基底上，形成硅單晶生長窗口； 3)對硅單晶生長窗口進出預(yù)處理，形成厭氧表面； 4)在硅單晶生長窗口，進行第一硅單晶外延生長； 5)通過外延多晶硅籽晶層生長，使在第一硅單晶外延上生長第二硅單晶，在掩蔽層上生長第一娃多晶； 6)在外延多晶硅籽晶層上進行全外延層生長，使在第二硅單晶上繼續(xù)生長第三硅單晶，在第一硅多晶上繼續(xù)生長第二硅多晶。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟I)中，生長的方式包括熱氧化方式或淀積方式生長掩蔽層； 所述二氧化硅或氮化硅掩蔽層的厚度為O. 2 10 μ m。
3.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述熱氧化方式時，氧化溫度在700 1200°C之間，采用常壓方式； 所述淀積方式時，使用離子增強型化學(xué)氣相淀積，反應(yīng)溫度在350 800°C之間。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟2)的光刻刻蝕工藝中，如采用純干刻工藝，需在后續(xù)外延生長前進行爐管修復(fù)，修復(fù)溫度為900 1100°C，修復(fù)時間為10 30min，并通過濕法刻蝕將爐管修復(fù)過程中形成的犧牲氧化層去除。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟3)中，預(yù)處理的方法為采用RCA標(biāo)準(zhǔn)清洗方法，并在該清洗方法中，增加HF的最后清洗步驟，將硅表面懸掛鍵替換成不穩(wěn)定H-Si鍵，阻止表面硅氧化。
6.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟4)中，第一硅單晶外延生長中的硅源包括SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2或SiH4中的一種，硅源的氣體流量為50 5000sccm ;硅源的淀積溫度為450 1250°C ； 第一硅單晶外延生長中的刻蝕氣體為含鹵族元素腐蝕氣體，包括HC1或HBr中的一種，腐蝕氣體流量為O. 01 5slm ； 第一硅單晶外延生長的壓力為20 760Torr，第一硅單晶外延生長的厚度為O.1 10 μ m0
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟5)中，當(dāng)最上層掩蔽層為氮化硅時，外延多晶硅籽晶層生長中的硅源包括=SiH2Cl2或SiH4中的一種，硅源的氣體流量為50 5000SCCm ;當(dāng)最上層掩膜層為二氧化硅時，外延多晶硅籽晶層生長中的硅源為SiH4,硅源的氣體流量為50 5000SCCm ;硅源的淀積溫度為450 950°C ； 外延多晶硅籽晶層生長中的生長壓力為20 760Torr，外延多晶硅籽晶層的厚度為.O.1 I μ m0
8.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟6)中，全外延層生長中的硅源包括=SiCl4, SiHCl3' SiH2Cl2或SiH4中的一種，硅源的氣體流量為50 5000sccm ;硅源的淀積溫度為450 1250°C ； 全外延層生長中的生長壓力為20 760Torr,全外延層的厚度為O.1 10 μ m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種硅外延生長的工藝方法，包括1)在硅基底上，生長二氧化硅或氮化硅掩蔽層，或以二者疊加作為掩蔽層；2)形成硅單晶生長窗口；3)對硅單晶生長窗口進出預(yù)處理，形成厭氧表面；4)進行第一硅單晶外延生長；5)在第一硅單晶外延上生長第二硅單晶，在掩蔽層上生長第一硅多晶；6)在第二硅單晶上生長第三硅單晶，在第一硅多晶上生長第二硅多晶。本發(fā)明可實現(xiàn)多層次外延結(jié)構(gòu)同步生長，實現(xiàn)同等溝槽寬度下，較高硅單晶有效區(qū)域，并減少高溫多晶層厚度，實現(xiàn)更低硅多晶表面粗糙度，可應(yīng)用于平面光波導(dǎo)功率分路器的制造中。
文檔編號C30B25/16GK103031598SQ201210291209
公開日2013年4月10日 申請日期2012年8月16日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月16日
發(fā)明者劉繼全, 高杏 申請人:上海華虹Nec電子有限公司