一種變溫變摻雜流量的埋層外延生長(zhǎng)方法

趙建君，肖建農(nóng)，馬林寶

（南京國(guó)盛電子有限公司，南京　211111）

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一種變溫變摻雜流量的埋層外延生長(zhǎng)方法

趙建君，肖建農(nóng)，馬林寶

（南京國(guó)盛電子有限公司，南京211111）

摘 要：在已經(jīng)制作有埋層的襯底上生長(zhǎng)外延層，為了控制圖形畸變和漂移而選取了較高的工藝溫度，導(dǎo)致了嚴(yán)重的自摻雜。通過對(duì)比實(shí)驗(yàn)探討了常用的雙層外延工藝和變溫變摻雜流量工藝對(duì)于抑制自摻雜的效果。在一定的埋層摻雜濃度范圍內(nèi)，需要采用變溫變摻雜流量工藝，才能使外延層縱向載流子濃度分布(SRP)滿足器件要求。

關(guān)鍵詞：埋層外延；變溫變摻雜流量；縱向載流子濃度分布(SRP)

1　引言

在常見的雙極型晶體管的生產(chǎn)工藝中，通常需要在已經(jīng)制作有埋層的襯底上生長(zhǎng)外延層。以NPN型雙極晶體管為例，采用P型<111>中阻襯底，為了降低集電極串聯(lián)電阻，需要在襯底上做N +埋層（通常擴(kuò)Sb），同時(shí)還要做P 型埋層（下隔離，摻B），然后生長(zhǎng)N型外延層，再在外延層上實(shí)施P型注入（上隔離），通過上下隔離相接來實(shí)現(xiàn)對(duì)通隔離。與光片外延相比，這種埋層外延存在著圖形漂移與畸變及自摻雜嚴(yán)重的問題，需要有針對(duì)性地采用特殊工藝。

在襯底表面，制作埋層的區(qū)域構(gòu)成一定的圖形。這種圖形會(huì)隨著外延生長(zhǎng)在外延后的表面形成整體的平移，稱為圖形漂移。圖形本身也會(huì)放大或者縮小，稱為圖形的畸變。漂移和畸變的量需要控制在一定范圍內(nèi)以滿足后道工序的要求，這是工藝上的一個(gè)難點(diǎn)。此外，由于外延之前襯底上已經(jīng)制作有埋層，埋層中的雜質(zhì)會(huì)在外延過程中揮發(fā)出來形成自摻雜，嚴(yán)重影響外延層的電阻率和縱向載流子濃度分布（SRP）曲線形貌，從而導(dǎo)致器件參數(shù)的惡化乃至失效。自摻雜的控制是另一個(gè)難點(diǎn)。由于Sb的自摻雜程度比B小，因此主要是解決B的自摻雜影響，而對(duì)Sb的自摻雜可以不予考慮[1]。

2　技術(shù)要求

本文所描述的埋層外延片，采用襯底為P<111>(8~13 Ω·cm）中阻襯底擴(kuò)Sb埋層和B埋層，B埋層區(qū)域方塊電阻為90 Ω/□，外延層為N型，平區(qū)電阻率要求7 Ω·cm，厚度18.5 μm。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1　埋層外延片結(jié)構(gòu)示意圖

基于后道工序的要求，埋層區(qū)域的圖形漂移率需要控制在0.9±0.1范圍內(nèi)。無埋層區(qū)域的縱向載流子濃度分布曲線要求如圖2所示，要求在鄰近襯底的外延區(qū)域直接形成PN結(jié)實(shí)現(xiàn)外延類型的反型，之后形成N型外延的平區(qū)直至外延層表面。圖中右側(cè)為P型襯底區(qū)域，中間是代表PN結(jié)的尖峰，左側(cè)為N型外延區(qū)域。

圖2　無埋層區(qū)域的縱向載流子濃度分布要求曲線

考慮到生產(chǎn)成本，選擇單爐出片量較多的意大利LPE公司的LPE-2061S型桶式外延設(shè)備進(jìn)行加工，生長(zhǎng)方式為常壓CVD法；硅源為三氯氫硅；埋層片裝在桶式基座的側(cè)面；測(cè)試采用Nanometrics公司的QS2200紅外測(cè)厚儀在電路片正片上直接測(cè)厚度及均勻性，Semilab公司的SSM-495汞探針測(cè)試儀監(jiān)控N型控片表面電阻率，CDE RESMAP168四探針測(cè)試儀在與正片同爐生長(zhǎng)的P型中阻（8～13 Ω·cm）陪片上測(cè)試方塊電阻及均勻性，SSM-2000擴(kuò)展電阻測(cè)試系統(tǒng)對(duì)外延后埋層片指定區(qū)域進(jìn)行SRP測(cè)試分析。

3　外延工藝分析

對(duì)于埋層外延，必須保證表面圖形的漂移與畸變?cè)谝欢ǚ秶鷥?nèi)，否則將引起后道工序的困難。Si的生長(zhǎng)和腐蝕速率的各向異性是發(fā)生圖形漂移或畸變的根本原因。Si外延過程中襯底晶向、反應(yīng)室壓力、生長(zhǎng)速率、生長(zhǎng)溫度、HC1對(duì)Si片表面腐蝕量等因素都會(huì)對(duì)圖形漂移或畸變產(chǎn)生影響[2]。由于襯底晶向<111>已經(jīng)確定，反應(yīng)室壓力固定為1個(gè)大氣壓，因此工藝上可以優(yōu)化的參數(shù)主要為生長(zhǎng)速率和生長(zhǎng)溫度，以及HCl的腐蝕參數(shù)。

由于漂移和畸變的量隨溫度的升高而減小，隨淀積速率的增大而增大，因此埋層外延通常選取較高的工藝溫度和較低的生長(zhǎng)速率[3]。為了去除表面損傷及自然氧化層而得到一個(gè)較完整的生長(zhǎng)表面，外延前還需要對(duì)襯底表面進(jìn)行一定時(shí)間的HCl氣相腐蝕。通過實(shí)驗(yàn)確定外延生長(zhǎng)的工藝溫度為1190 ℃，生長(zhǎng)速率為0.5 μm/min，HCl氣相腐蝕溫度1100℃，流量2 slm，腐蝕時(shí)間2 min。

由于確定了較高的生長(zhǎng)工藝溫度，在B埋層摻雜濃度較高的情況下，嚴(yán)重的自摻雜將導(dǎo)致縱向載流子濃度分布曲線嚴(yán)重偏離要求，在靠近襯底表面首先形成高濃度的低阻P型區(qū)域，然后形成PN結(jié)，再形成N型外延平區(qū)。低阻P型區(qū)域在縱向載流子濃度分布曲線圖中表現(xiàn)為在PN結(jié)尖峰右側(cè)出現(xiàn)凹坑。這種低阻P型區(qū)域的存在會(huì)導(dǎo)致BVce_lpnp偏小以及飽和壓降增大，必須采取措施予以消除?？梢圆扇〉拇胧┲饕窃陂_始外延的最初一小段時(shí)間內(nèi)降低工藝溫度和加大N型摻雜劑量。溫度越低，自摻雜越??；而已經(jīng)生長(zhǎng)的外延層能夠阻擋埋層中的雜質(zhì)在外延過程中的揮發(fā)，隨著外延厚度增加，自摻雜也會(huì)迅速減小，因此降低外延開始的最初一小段時(shí)間內(nèi)的工藝溫度，可以明顯減小自摻雜的總量，而整個(gè)外延時(shí)間段的大部分保持高的工藝溫度，又不會(huì)顯著影響漂移率。同時(shí)在外延開始時(shí)加大N型摻雜的劑量，使外延層盡快實(shí)現(xiàn)反型，從而避免低阻P型區(qū)域的出現(xiàn)。

常用的工藝方法是恒溫雙層生長(zhǎng)方法，即先生長(zhǎng)低阻內(nèi)層再生長(zhǎng)高阻外層，工藝溫度保持不變[4]。這種方法適用于埋層摻雜濃度較低的情形（方塊電阻≥120 Ω/□）。當(dāng)埋層摻雜濃度較高時(shí)（方塊電阻<90 Ω/□），需要采用變溫雙層生長(zhǎng)方法，即降溫生長(zhǎng)低阻內(nèi)層、再高溫生長(zhǎng)高阻外層的方法。在兩者之間的濃度區(qū)域，僅靠低阻內(nèi)層已經(jīng)不能滿足要求，必須采用變溫生長(zhǎng)工藝，但是采用變溫雙層生長(zhǎng)方法又容易在PN結(jié)反型之后出現(xiàn)低阻N型區(qū)域。為此采用了變溫同時(shí)變摻雜流量的外延生長(zhǎng)方法，在外延起始時(shí)設(shè)定較低的生長(zhǎng)溫度和較高的摻雜流量，然后逐步提高生長(zhǎng)溫度同時(shí)降低摻雜流量，直至達(dá)到主工藝溫度和外延平區(qū)對(duì)應(yīng)的摻雜流量，之后固定工藝溫度和摻雜流量直至生長(zhǎng)結(jié)束。通過調(diào)節(jié)合適的溫度和摻雜流量的變化速率，實(shí)現(xiàn)要求的縱向載流子濃度分布。

4　結(jié)果與討論

通過工藝對(duì)比試驗(yàn)研究了3種工藝的不同結(jié)果，工藝條件如表1所示。

表1　外延工藝條件對(duì)比列表

試驗(yàn)統(tǒng)一采用300×10-6濃度的磷烷作為摻雜源。通入反應(yīng)腔的摻雜氣體需要經(jīng)過氫氣稀釋和排外過程，因此除了直接降低摻雜源鋼瓶輸出的摻雜源流量外，增加稀釋氫氣的流量可以進(jìn)一步降低實(shí)際通入反應(yīng)腔的摻雜流量。變溫變摻雜流量工藝中摻雜流量和工藝溫度開始時(shí)以恒定速率爬坡，爬坡過程結(jié)束后一直穩(wěn)定在爬坡終止條件上直到生長(zhǎng)結(jié)束。

圖3是1170℃恒溫雙層工藝和末溫1190℃的3種工藝的圖形漂移顯微圖片，顯示的是顯微鏡拍攝的晶片垂直表面切開后的斷面。

圖3中左上、右上圖分別是1170℃和1190℃恒溫雙層工藝生長(zhǎng)的圖形漂移顯微圖片，圖中央深色半圓形區(qū)域就是后道工序制作的注入層，要求與外延層中圖形邊緣間隙區(qū)域正對(duì)。由圖可知在1170℃下圖形漂移與后道工序不匹配，注入層偏在左側(cè)，而1190℃下的圖形漂移基本滿足要求。左下、右下圖片分別是末溫度1190℃下變溫雙層和變溫變摻雜流量工藝的圖形漂移圖片，與1190℃恒溫雙層工藝的圖形漂移基本一致，這表明較低的起始溫度基本沒有影響圖形漂移。

圖3　1170℃低溫生長(zhǎng)和1190℃3種工藝的圖形漂移圖

圖4是末溫度1190℃時(shí)3種工藝條件下生長(zhǎng)的外延片的縱向載流子濃度分布圖，測(cè)試位置位于埋層外延片刻號(hào)旁未作埋層的區(qū)域。

圖4　末溫度1190℃時(shí)3種工藝條件的縱向載流子濃度分布對(duì)比圖

從圖中可以看出，采用恒溫雙層工藝生長(zhǎng)的外延層出現(xiàn)了低阻P型區(qū)域，表明僅僅內(nèi)層加大摻雜流量難以有效抑制B的自摻雜，而變溫雙層工藝生長(zhǎng)的外延層在形成PN結(jié)后出現(xiàn)低阻N型區(qū)域，在圖4中表現(xiàn)為PN結(jié)尖峰左側(cè)出現(xiàn)凹坑。減小變溫雙層工藝的內(nèi)層厚度固然可以減小N型凹坑，但需要將內(nèi)層厚度減小至明顯小于0.5 μm的水平。此時(shí)受生長(zhǎng)速率的波動(dòng)影響較大，對(duì)B自摻雜的抑制能力存在明顯波動(dòng)，難以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的參數(shù)控制。采用變溫變摻雜流量工藝生長(zhǎng)的外延層則較好地滿足了要求，與目標(biāo)曲線符合得很好。

綜上分析，1170℃低溫生長(zhǎng)時(shí)圖形漂移與后道工序不匹配，而1190℃恒溫雙層工藝和變溫雙層工藝雖然圖形漂移符合要求，但是SRP曲線不符合要求。只有1190℃下變溫變摻雜流量工藝同時(shí)符合兩個(gè)要求，是適合制備這種器件的唯一工藝。

5　結(jié)論

在制作有埋層的硅片上生長(zhǎng)外延層，需要抑制埋層雜質(zhì)揮發(fā)形成的自摻雜。在一定的埋層摻雜濃度范圍內(nèi)（方塊電阻約90~120 Ω/□），常用的雙層外延工藝難以滿足要求，需要采用變溫同時(shí)改變摻雜流量的工藝。通過實(shí)驗(yàn)證明選取合適的參數(shù)，變溫變摻雜流量工藝能夠有效抑制自摻雜，使外延層的縱向載流子濃度分布滿足器件要求，同時(shí)也兼顧了圖形漂移的要求。

參考文獻(xiàn)：

[1] 席奎德.對(duì)通隔離中硼自摻雜的影響[J].半導(dǎo)體技術(shù)，1986，3: 9-10.

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[3] 衣貴誠(chéng). 硅外延淀積過程中埋層圖形漂移的測(cè)量[J]. 微電子學(xué)與計(jì)算機(jī)，1989，5: 35-36.

[4] Wang Yinhai, Zhao Jianjun，Luo Hong, Ma Linbao. Process Control of Buried Layer Epitaxy by Barrel Type Furnace[J]. Materials Science Forum(0255-5476)，2015, 815: 3-7.

趙建君（1983—），男，江蘇江陰人，四川大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院碩士研究生，南京國(guó)盛電子有限公司工程師，主要研究方向是硅外延工藝。

A Buried-layer Epitaxy Technology by Varying Temperature and Doping Flow

ZHAO Jianjun, XIAO Jiannong, MA Linbao
（Nanjing Guo Sheng Electronic CO.,LTD, Nanjing 211111,China）

Abstract:High deposition temperature was applied to suppress pattern shift and distortion in the epitaxy process on buried Si substrate. However, auto doping was introduced because of the high deposition temperature. The comparison experimental results on suppressing auto doping were discussed between two epitaxy processes: two-step epitaxy and process by varying temperature and doping flow. Epitaxy Process by varying temperature and doping flow should be applied when the concentration of buried layer was in a certain range. The vertical carrier concentration profile (SRP) of corresponding epitaxy layer could satisfy the device demands.

Keywords:buried-layer epitaxy; varying temperature varying doping flow; spreading resistance profiles (SRP)

作者簡(jiǎn)介：

收稿日期：2015-8-12

中圖分類號(hào)：TN 305.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

文章編號(hào)：1681-1070（2016）01-0034-04