一种MOCVD外延单晶硅的生长工艺及外延单晶硅的制作方法

本发明涉及半导体单晶硅的生产制作领域，尤其涉及一种mocvd外延单晶硅的生长工艺及外延单晶硅。

背景技术：

1、mocvd是指利用金属有机化合物进行金属输运的一种气相外延技术，mocvd外延生长系统一般包括原材料输运分系统、反应室分系统、尾气处理分系统、控制分系统以及原位监测系统.单晶硅是制造半导体硅器件的原料，可以用于制备大功率整流器，大功率晶体管，二极管，开关器件等，除此之外，它还可用来作为太阳能光伏发电，供热等。

2、现有的硅通常使用外延薄膜技术进行制作，外延薄膜技术主要有以下优点：第一，可以有效解决大功率晶体管的高击穿电压和低串联电阻之间的矛盾；第二，可以更好的利用“吸杂”作用，将金属元素等不利杂质原子引入到材料体内或背面，而在半导体硅表面形成高质量的器件制造区，进而制备高成品率和高质量的器件；第三，可以有选择地外延，外延的元素种类，成分，杂质浓度，位置等都可通过相应的技术进行调控，进而制备具有特殊结构或性能的器件。

3、现有的硅外延通常使用专用的硅外延炉，其生长温度在1000～1300摄氏度之间，生长压强在500～700torr之间。在高温和高压环境下使用sih4、sic l/min4以及h2组成的混合源进行外延si。一方面，在高温环境下，固相外扩散程度会加剧，导致衬底的杂质更容易扩散进入外延层。另一方面，在高压环境下，气体扩散系数降低，气氛中杂质不容易被主气流带走，增加了对外延层质量的影响。同时，由于该种混合源在生成si时，会生成副产物hcl/min，副产物hc l/min对反应腔体具有腐蚀作用，会缩短反应腔体的使用寿命。

技术实现思路

1、本发明针对上述问题，提出了一种mocvd外延单晶硅的生长工艺及外延单晶硅。

2、本发明采取的技术方案如下：

3、本技术提供一种mocvd外延单晶硅的生长工艺，包括如下步骤：

4、步骤s1.在mocvd设备的石墨转盘上设置衬底，所述石墨转盘设置在反应腔体内，所述衬底包括自然氧化硅层；

5、步骤s2.设置初始反应腔体压力，向反应腔体内通入第一气流源用于将反应腔体内的其余气体排掉，所述第一气流源通入持续第一设计时间；

6、步骤s3.向反应腔体内通入h2，对所述石墨转盘进行升温处理；

7、步骤s4.使用h2对所述自然氧化硅层进行高温吹扫，以清洁所述衬底表面颗粒，同时去除所述自然氧化硅层上的氧化硅，使用h2高温吹扫持续第二设计时间；

8、步骤s5.调控mo源参数以形成单晶硅在反应腔体内生长的环境，生长温度为800～1000摄氏度，生长压强为95～200torr；

9、步骤s6.抽空反应腔体内的气体，向反应腔体内稳定通入sih4，使所述sih4热分解形成单晶硅缓冲层，以抑制所述衬底的自掺杂效应，所述sih4持续通入第三设计时间；

10、步骤s7.继续向反应腔体内稳定通入sih4，使所述sih4热分解形成单晶硅外延层，所述sih4持续通入第四设计时间；

11、步骤s8.停止向反应腔体内稳定通入sih4，并对所述石墨转盘进行降温处理。

12、本发明采用sih4以及h2作为气流源来反应生成单晶硅外延层，避免生成副产物hcl，降低了单晶硅外延对反应腔体的腐蚀；采用mocvd并控制生长温度为800～1000摄氏度以及生长压强为95～200torr来生成单晶硅外延层，相对传统工艺来说，提供了一个低温、低压的生长环境，降低了固相外扩散程度，使衬底的杂质更难进入外延层，生长出高质量的单晶硅外延层。

13、低温、低压的生长环境使气体的扩散系数增加，气氛中杂质更容易被主气流带走用来提升外延物的生长质量，减少了对单晶硅外延层质量的影响；

14、mocvd优化了生长室中气体流动特性，使气体分子流占主导地位，极大抑制气体逆流；

15、在外延生长过程中，低温、低压的生长环境使气相中的氢气分压降低，使衬底表面氢的脱附很快，从而使硅原子迁移受到的阻碍减少，容易接合到晶格中，使表面生长过程为二维生长过程；

16、低温、低压的生长环境使得sih4的气相反应受到抑制，有利于获得表面平整光亮的单晶硅外延层。

17、进一步的，所述第一气流源为n2。

18、n2作为缓冲气体在反应腔体内辅助生成单晶硅外延层。

19、进一步的，初始反应腔体压力设置为25～60torr，所述第一气流源的流量设置为7.5～30l/min，第一设计时间为15～60s。

20、进一步的，所述第二设计时间为2.5～10min，所述第三设计时间为8～18min；所述第四设计时间为15～40min。

21、进一步的，步骤s3中，对所述石墨转盘进行升温处理的步骤包括：

22、步骤a：将反应腔体的压力调整为65～90torr，停止通入第一气流源并向反应腔体内稳定通入h2，所述h2的流量设置为7～30l/min，调整加热丝内圈电流为80～200a，中圈电流为250～600a，外圈电流为200～300a，调整石磨转盘的转速为150～400r/min，保持1～4min；

23、步骤b：调整加热丝内圈电流为210～380a，加热丝中圈电流为650～750a，加热丝外圈电流为350～400a，调整石磨转盘的转速为500～700r/min，保持3～10min；

24、步骤c：调整h2的流量为95～310l/min，调整加热丝内圈温度为1050～1150摄氏度，加热丝中圈温度为1050～1150摄氏度，加热丝外圈温度为1050～1150摄氏度，调整石磨转盘的转速为800～1200r/min，保持5～20min。

25、进一步的，步骤s5中，调控mo源参数以形成单晶硅在反应腔体内生长的环境的具体包括：

26、调整反应腔体的压力为95～200torr，调整h2的流量为400～500l/min；

27、预流sih4，设置source流量为50～200sccm，sih4的push mfc阀门体积流量为450～1100sccm，sih4的dd mfc阀门体积流量为100～300sccm；

28、控制加热丝的内圈温度为800～1000摄氏度，加热丝的中圈温度为800～1000摄氏度，加热丝的外圈温度为800～1000摄氏度，设置石磨转盘的转速为650～700r/min，保持2～5min。

29、进一步的，步骤s6中，先使用h2进行高温吹扫以抽空反应腔体内的气体；

30、进一步的，步骤s6中，通入sih4时，还包括：控制加热丝内圈温度为1000～1100摄氏度，加热丝中圈温度为1000～1100摄氏度，加热丝外圈温度为1000～1100摄氏度，保持2～4min。

31、进一步的，步骤s8中，对所述石墨转盘进行降温处理的步骤包括：

32、步骤a：调控加热丝内圈温度为250～550摄氏度，加热丝中圈温度为250～550摄氏度，加热丝外圈温度为250～550摄氏度，设置石磨转盘的转速为100～200r/min，保持3～10min；

33、步骤b：控制反应腔体的压力为50～100torr，设置所述h2的流量为76～304l/min，控制加热丝内圈温度为450～580摄氏度，加热丝中圈温度为450～580摄氏度，加热丝外圈温度为450～580摄氏度，保持2～4min；

34、步骤c：控制反应腔体的压力为10～40torr，设置n2流量为30～128l/min，停止通入h2，控制加热丝内圈、加热丝中圈以及加热丝外圈的温度降低为0摄氏度，保持2～8min。

35、本技术还提供一种外延单晶硅，所述外延单晶硅是通过权利要求1～9中任意一项的方法制备而来，所述外延单晶硅包括：衬底、设置在所述衬底上方的单晶硅缓冲层以及设置在所述单晶硅缓冲层上方的单晶硅外延层，所述单晶硅缓冲层以及单晶硅外延层的载流子浓度在-1×1021至-6×1021cm-3之间。

36、本发明的有益效果是：

37、本发明采用sih4以及h2作为气流源来反应生成单晶硅外延层，避免生成副产物hcl，降低了单晶硅外延对反应腔体的腐蚀；采用mocvd并控制生长温度为800～1000摄氏度以及生长压强为95～200torr来生成单晶硅外延层，相对传统工艺来说，提供了一个低温、低压的生长环境，降低了固相外扩散程度，使衬底的杂质更难进入外延层，生长出高质量的单晶硅外延层。

38、低温、低压的生长环境使气体的扩散系数增加，气氛中杂质更容易被主气流带走用来提升外延物的生长质量，减少了对单晶硅外延层质量的影响；

39、mocvd优化了生长室中气体流动特性，使气体分子流占主导地位，极大抑制气体逆流；

40、在外延生长过程中，低温、低压的生长环境使气相中的氢气分压降低，使衬底表面氢的脱附很快，从而使硅原子迁移受到的阻碍减少，容易接合到晶格中，使表面生长过程为二维生长过程；

41、低温、低压的生长环境使得sih4的气相反应受到抑制，有利于获得表面平整光亮的单晶硅外延层。