[发明专利]硅外延生长的工艺方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体领域中的外延生长方法，特别是涉及一种硅外延生长的工艺方法。

背景技术

平面光波导功率分路器（PLC Optical Power Splitter），通过半导体工艺制作光分路器件，光分路的功能在芯片内实现，芯片两端通过封装耦合输入输出的光纤阵列实现和光纤的链接。平面光波导功率分路器（PLC器件）的工艺具有：一、对波长不敏感；二、分光均匀性较好；三、可以拉制1×32路以上分光器件，且分光路数越多单位成本越便宜；四、器件体积较小等优势，市场前景广阔。但平面光波导功率分路器具有以下缺点：1、技术门槛较高，目前光分路芯片靠进口，国内仅几家大学有实验室水平；2、国内目前工业生产仅有封装厂商。

在实际生产过程中，由于PLC器件耦合器部分要求不同深度台阶式结构，总深度达13μm。该结构功能受深度影响明显，单纯使用刻蚀工艺无法得到满足要求结构，采用传统外延与刻蚀结合的工艺。通过逐层刻蚀淀积等工艺形成不同功能器件区后，再经由外延工艺将单晶硅厚度补充到13μm。在此工艺中，硅单晶区域生长外延单晶，非硅单晶区域生长外延多晶。由于外延需要较高温度淀积5～10μm，造成多晶表面粗糙度严重对光刻以及刻蚀工艺造成影响，易产生光刻对准问题以及刻蚀沟槽底部不均匀等问题。现有工艺通常高温外延淀积，在外延生长后，多晶区域表面粗糙严重，光刻标记很容易发生畸变甚至完全消失，进而对光刻对准造成严重影响，使硅片无法继续后续工艺流程。由于硅片表面严重不平，刻蚀后沟槽底部有严重的凹凸问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种硅外延生长的工艺方法。该方法可实现多层次外延结构同步生长，因此，可实现选择性外延与非选择性外延同步生长，实现同等沟槽宽度下，较高硅单晶有效区域，并减少高温多晶层厚度，实现更低硅多晶表面粗糙度。

为解决上述技术问题，本发明的硅外延生长的工艺方法，包括步骤：

1）在硅基底上，生长二氧化硅或氮化硅掩蔽层，或以二者叠加作为掩蔽层；

2）通过光刻刻蚀工艺，在硅基底上，形成硅单晶生长窗口；

3）对硅单晶生长窗口进出预处理，形成厌氧表面；

4）在硅单晶生长窗口，进行第一硅单晶外延生长，以实现选择性外延生长；

5）通过外延多晶硅籽晶层生长，使在第一硅单晶外延上生长第二硅单晶，在掩蔽层上生长第一硅多晶；

6）在外延多晶硅籽晶层上进行全外延层生长，使在第二硅单晶上继续生长第三硅单晶，在第一硅多晶上继续生长第二硅多晶。

（每个步骤中涉及的工艺条件，请详细说明）

所述步骤1）中，生长的方式包括：热氧化方式或淀积方式生长掩蔽层，若采用热氧化方式，氧化温度在700～1200℃之间，采用常压方式；若采用淀积方式，则可使用离子增强型化学气相淀积，反应温度在350～800℃之间；所述二氧化硅或氮化硅掩蔽层的厚度为0.2～10μm。

所述步骤2）的光刻刻蚀工艺中，如采用纯干刻工艺，需在后续外延生长前进行炉管修复，修复温度为900～1100℃，修复时间为10～30min，并通过湿法刻蚀将炉管修复过程中形成的牺牲氧化层去除。

所述步骤3）中，预处理的方法为：采用RCA标准清洗方法，并在该清洗方法中，增加HF的最后清洗步骤，将硅表面悬挂键替换成不稳定H-Si键，阻止表面硅氧化。

所述步骤4）中，第一硅单晶外延生长中的硅源包括：SiCl₄、SiHCl₃、SiH₂Cl₂或SiH₄等中的一种，硅源的气体流量为50～5000sccm；第一硅单晶外延生长中的刻蚀气体为含卤族元素腐蚀气体，包括：HCl或HBr等中的一种，腐蚀气体流量为0.01～5slm；硅源的淀积温度为450～1250℃；第一硅单晶外延生长的压力为20～760Torr，第一硅单晶外延生长的厚度为0.1～10μm。

所述步骤5）中，当最上层掩蔽层为氮化硅时，外延多晶硅籽晶层生长中的硅源包括：SiH₂Cl₂（DCS）或SiH₄等中的一种，硅源的气体流量为50～5000sccm；当最上层掩膜层为二氧化硅时，外延多晶硅籽晶层生长中的硅源为SiH₄，硅源的气体流量为50～5000sccm；硅源的淀积温度为450～950℃；外延多晶硅籽晶层生长中的生长压力为20～760Torr，外延多晶硅籽晶层的厚度为0.1～1μm。