[发明专利]一种光电倍增管器件用薄层高阻硅外延片的制备方法

说明书

本发明涉及一种光电倍增管器件用薄层高阻硅外延片的制备方法，通过在硅衬底片装片前，设计对反应腔体以及石墨基座多次进行氯化氢气体的刻蚀和多晶硅包覆层的循环清洁过程，净化了反应腔体的生长环境，并且通过在硅外延层生长过程中精确调节工艺氢气的流量、三氯氢硅的流量、硅外延层反应生长的温度工艺参数，显著降低硅外延层的生长速率，从而延长薄层硅外延层的反应过程，扩大稳态生长阶段的占比，实现薄层高阻硅外延层的高均匀性分布，最终获得一种硅外延层厚度在1μm量级的薄层高阻硅外延层的制备方法，工艺简单，兼容性强，大大提升生产效率，节省生产成本，适合工业化连续生产，满足光电倍增管器件用薄层高阻硅外延片的生产订单交付要求。

技术领域

本发明涉及一种半导体硅外延材料的制备技术领域，尤其涉及一种光电倍增管器件用薄层高阻硅外延片的制备方法。

背景技术

硅外延片是在单晶硅衬底片上沿其原来的晶向再生长一层硅单晶薄膜（硅外延层）的半导体材料。硅外延片作为信息功能材料，用于制作集成电路、半导体器件和光电探测器，其结构、厚度、电阻率及其分布的均匀性直接决定所制器件的性能。

硅光电倍增管是一种新型高性能光电探测器，不仅在性能上可满足各种弱光检测的应用需求，并且具有明显的技术优势，能够更好的满足各行各业对探测器数字化、功能化、智能化的发展需求，其特点是在低工作电压下可产生高内部增益，实现单光子探测，具有稳定、精准、高灵敏度和高速测距的性能优势，目前主要服务于深空测绘、遥感、侦察和跟踪精密测量领域。光电倍增管的工作特性为盖革模式，当加有一定的反向偏压，能对光电流进行快速放大，因此对作为基底材料的硅外延层的结构、厚度、电阻率、均匀性控制能力要求非常严格。

首先从结构上，要求硅外延层为薄层高阻，这与常规硅外延层的结构显著不同，其特点为硅外延层仅为1μm厚度的薄层硅外延层量级，电阻率数值高于厚度数值。

其次从参数上，随着目前面阵型光电倍增管器件的大规模使用，对薄层高阻结构硅外延层的厚度、电阻率、均匀性也提出了明确要求，当光电倍增管阵列的各个像元在均匀光源的照射下，硅外延层的厚度和电阻率的均匀性不良会直接导致器件的灵敏度和增益均匀性差，产生干扰噪音，不利于后续目标识别，将严重影响光电信号的探测质量。

因此，基于目前光电倍增管器件的工艺制程和性能要求，需要直径为150mm的硅外延片，硅外延层厚度为（1.0~1.4）μm的薄层参数特点，片内常规5点的厚度不均匀性要求达到2%（距边缘10 mm的位置）；硅外延层的电阻率要求比硅衬底片的电阻率提高2~3个数量级，达到（3~10）Ω·cm，硅外延层的电阻率数值高于厚度数值，片内常规5点的电阻率不均匀性要求达到3%（距边缘10 mm的位置）。以上所述的薄层高阻硅外延层的结构特点和参数分布要求与中国专利ZL202010341314.3（采用1115~1125℃的生长温度实现硅外延层厚度均值为3.5~4.0 μm，电阻率均值为0.8~1.2 Ω·cm）和中国专利ZL201510287364.7（采用1090℃高温快速本征生长的方法，实现硅外延层厚度均值为8.0 μm，电阻率均值为1.7Ω·cm）等发明专利已经公开的常规参数规格的硅外延层（电阻率数值低于厚度数值）显著不同，造成实施的工艺难度显著增加，主要原因为电阻率0.02Ω·cm的重掺杂的硅衬底片在1050°C的高温外延生长过程中，会不断向反应腔体挥发杂质成为自掺杂因素，严重影响硅外延层电阻率的爬升速率以及均匀分布，将对本发明薄层高阻硅外延片的制备产生严重的消极影响，仅仅采用已经公开的常规高温生长及快速本征生长工艺无法实现本发明的目标，需要提供一种新的技术方案以解决上述问题，从反应腔体环境到反应初期就开始全方面抑制重掺杂硅衬底片挥发出的杂质产生的自掺杂效应，提升硅外延层电阻率的爬升速率，以达到硅外延层的薄层高阻结构，并且实现厚度和电阻率高均匀性参数分布的实施效果。