專利名稱：硅外延生長的工藝方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體領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：
平面光波導功率分路器(PLC Optical Power Splitter),通過半導體工藝制作光分路器件，光分路的功能在芯片內實現，芯片兩端通過封裝耦合輸入輸出的光纖陣列實現和光纖的鏈接。平面光波導功率分路器(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，且分光路數越多單位成本越便宜；四、器件體積較小等優勢，市場前景廣闊。但平面光波導功率分路器具有以下缺點1、技術門檻較高，目前光分路芯片靠進口，國內僅幾家大學有實驗室水平；2、國內目前工業生產僅有封裝廠商。在實際生產過程中，由于PLC器件耦合器部分要求不同深度臺階式結構，總深度達13pm。該結構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構，采用傳統外延與刻蝕結合的工藝。通過逐層刻蝕淀積等工藝形成不同功能器件區后，再經由外延工藝將單晶硅厚度補充到13um。在此工藝中，硅單晶區域生長外延單晶，非硅單晶區域生長外延多晶。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重對光刻以及刻蝕工藝造成影響，易產生光刻對準問題以及刻蝕溝槽底部不均勻等問題。現有工藝通常高溫外延淀積，在外延生長后，多晶區域表面粗糙嚴重，光刻標記很容易發生畸變甚至完全消失，進而對光刻對準造成嚴重影響，使硅片無法繼續后續工藝流程。由于硅片表面嚴重不平，刻蝕后溝槽底部有嚴重的凹凸問題
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種硅外延生長的工藝方法。該方法可實現多層次外延結構同步生長，因此，可實現選擇性外延與非選擇性外延同步生長，實現同等溝槽寬度下，較高硅單晶有效區域，并減少高溫多晶層厚度，實現更低硅多晶表面粗糙度。為解決上述技術問題，本發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生長第三硅單晶，在第一硅多晶上繼續生長第二硅多晶。(每個步驟中涉及的工藝條件，請詳細說明)
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氣相淀積，反應溫度在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，需在后續外延生長前進行爐管修復，修復溫度為900 1100°C，修復時間為10 30min，并通過濕法刻蝕將爐管修復過程中形成的犧牲氧化層去除。所述步驟3)中，預處理的方法為采用RCA標準清洗方法，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域，最終通過特殊外延生長工藝，實現在硅單晶區域生長選擇性外延硅單晶層，并填充溝道完成后，在硅單晶區和硅多晶區同時分別生長硅單晶以及硅多晶，最終實現選擇性外延、非選擇性外延多層次同步生長。本發明的外延工藝分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。其技術關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域質量下降，缺陷增多；溫度過高會造成非晶區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，硅單晶質量變差，并逐步向硅多晶過渡，故外延反應溫度最好不要低于640°C，否則將增大缺陷出現概率，增大工藝調試難度，影響單晶質量。利用HCl拋光技術在外延淀積前，對硅基片進行表面預處理，形成光潔外延生長界面，隨后通過有效調節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，本發明是一種在半導體基底上實現多層、選擇性外延和非選擇性外延生長同步的方法，能實現同等溝槽寬度下，較高硅單晶有效區域，并減少高溫多晶層厚度，實現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，本發明的方法，可應用于平面光波導功率分路器的制造中。
下面結合附圖與具體實施方式
對本發明作進一步詳細的說明圖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是傳統全外延生長與本發明同樣外延厚度的不意圖。圖中附圖標記說明如下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明的硅外延生長的工藝方法，是一種在半導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氣相淀積，反應溫度在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，需在后續外延生長前進行爐管修復，修復溫度為900 1100°C，修復時間為10 30min，并通過濕法刻蝕將爐管修復過程中形成的犧牲氧化層去除。3)在外延生長前，采用RCA標準清洗方法，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定H-Si鍵，阻止表面硅氧化，以實現對硅片進行預處理，即對硅單晶生長窗口 13進出預處理，形成厭氧表面。4)選擇性外延生長在打開的硅單晶區域進行硅外延生長，在其他區域則不生長，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，硅單晶區域生長硅單晶，在其他區域生長硅多晶，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域生長硅單晶，在其他區域生長硅多晶，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上繼續生長第三硅單晶15d，在第一硅多晶15a上繼續生長第二硅多晶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，外延有效區寬度=溝道寬度-2X高度XcosY在傳統單一非選擇性外延生長情況下，外延有效區寬度為S1=L_2X (a+b) XcosY(如圖6所示)；而本發明的外延有效區寬度為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，本發明解決了傳統外延方式中的同時生長硅單晶與硅多晶容易產生多晶表面粗糙的問題，而且本發明可應用于平面光波導功率分路器的制造中，解決現有技術中存在的后續光刻刻蝕工藝所存在的問題。
權利要求
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生長第三硅單晶，在第一硅多晶上繼續生長第二硅多晶。
2.如權利要求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氣相淀積，反應溫度在350 800°C之間。
4.如權利要求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，需在后續外延生長前進行爐管修復，修復溫度為900 1100°C，修復時間為10 30min，并通過濕法刻蝕將爐管修復過程中形成的犧牲氧化層去除。
5.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟3)中，預處理的方法為采用RCA標準清洗方法，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定H-Si鍵，阻止表面硅氧化。
6.如權利要求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.如權利要求1所述的方法，其特征在于所述步驟5)中，當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。本發明可實現多層次外延結構同步生長，實現同等溝槽寬度下，較高硅單晶有效區域，并減少高溫多晶層厚度，實現更低硅多晶表面粗糙度，可應用于平面光波導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 優先權日2012年8月16日
發明者劉繼全, 高杏 申請人:上海華虹Nec電子有限公司