肖特基二極管用硅外延片過渡區(qū)控制研究

侯志義+高國智+王鐵剛

摘 要 肖特基二極管是一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件，具有正向壓降小、開關(guān)頻率高等特點，高性能的肖特基二極管器件需要高質(zhì)量的外延材料，生長出高質(zhì)量的外延層成了制作高頻肖特基二極管的關(guān)鍵。

關(guān)鍵詞 肖特基；二極管實驗；工藝改善

中圖分類號 TN3 文獻標(biāo)識碼 A 文章編號 1674-6708（2016）161-0137-02

肖特基二極管也被稱為肖特基勢壘二極管是一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件，具有正向壓降小、開關(guān)頻率高等特點，肖特基二極管被廣泛應(yīng)用于變頻器、開關(guān)電源、驅(qū)動器等電路，作為低壓、高頻、大電流整流二極管、保護二極管、續(xù)流二極管等使用，肖特基二極管在微波通信等電路中作整流二極管、小信號檢波二極管使用。高質(zhì)量的肖特基二極管需要高質(zhì)量的外延材料做支撐，材料是器件的基礎(chǔ)，因此，生長出高質(zhì)量的外延層成了制作高頻肖特基二極管的關(guān)鍵。

桶式外延爐能滿足大批量生產(chǎn)的要求，但加工肖特基二極管用硅外延片時，在過渡區(qū)及穩(wěn)定性的控制上還有欠缺，造成器件應(yīng)用時批次間電壓穩(wěn)定性差。本文從幾個方面對過渡區(qū)的控制及改善進行了深入地實驗分析。

1 實驗設(shè)備及原理分析

1.1 實驗設(shè)備

實驗采用桶式外延爐為意大利產(chǎn) LPE 2061S 型外延爐，其反應(yīng)室如圖1所示。

1.2 實驗分析

實驗采用直徑150mm硅片，重?fù)缴橐r底，工藝采用雙層生長工藝。

雙層生長工藝參數(shù)1：

生長溫度/℃：1100～1150；HCl拋光流量/slm：1～4；HCl拋光時間/min：2～4；趕氣時間/min：3；襯底電阻率/Ωcm：0.002～0.0045。

對外延后的樣品中心和兩側(cè)邊緣進行擴展電阻對比分析[3]，結(jié)果如圖2示。

可以看出，使用桶式LPE2061設(shè)備加工的肖特基用外延片產(chǎn)品，左右兩側(cè)邊緣過渡區(qū)要明顯比中心寬。

1.3 原理分析

外延過程是在高溫下通過硅在H2狀態(tài)下還原反應(yīng)中進行的，在生長過程中，通過流量計控制的摻雜劑加入到反應(yīng)氣體中，根據(jù)需要反應(yīng)達(dá)成外延層所需的電阻率，但氣氛中也有來自襯底的自摻雜，這一部分會影響摻雜的穩(wěn)定性，尤其是重?fù)揭r底，生長時襯底雜質(zhì)不斷的向反應(yīng)氣氛中揮發(fā)，另外，HCL在工藝中的拋光，也會將襯底表面的雜質(zhì)釋放到氣氛中，從而改變了氣相中雜質(zhì)濃度和成分。

使用直徑150mm襯底外延生長時，由于尺寸的變大，和自摻雜影響的加重，外延層的過渡區(qū)會變得很不均勻，這是因為襯底發(fā)揮出更多的雜質(zhì)，除了自身的揮發(fā)外，相鄰片的揮發(fā)的雜質(zhì)也會影響，尤其是左右相鄰的硅片，邊緣的自摻影響不可避免，在外延生長時影響過渡區(qū)。同時桶式外延爐鐘罩為圓形，基座面為方形，硅片中心到鐘罩的距離明顯比左右兩邊到鐘罩的距離要遠(yuǎn)，這樣硅片兩側(cè)邊緣就會存在以下問題：1）兩側(cè)邊緣與感應(yīng)圈近，邊上的熱效應(yīng)更強一些；2）氣流的暢通度差，揮發(fā)出來的雜質(zhì)無法充分地下排出，自摻雜嚴(yán)重。硅片的直徑越大，該效應(yīng)影響越明顯。

為此，作者對肖特基二極管用硅外延片兩側(cè)邊緣過渡區(qū)的控制方面進行了實驗分析，總結(jié)了在桶式外延設(shè)備制備外延材料時過渡區(qū)控制影響的規(guī)律。

2 工藝改善實驗

2.1 不同襯底電阻率區(qū)間對過渡區(qū)的影響

在高溫環(huán)境下，重?fù)揭r底的自摻雜非常嚴(yán)重，不同電阻率區(qū)間的襯底，其自摻的影響效果是不同的，襯底電阻率越低，相當(dāng)于襯底濃度越高，高溫下?lián)]發(fā)越嚴(yán)重，形成自摻雜，改變了氣相中摻雜濃度，從而影響了外延層中摻雜濃度分布，引起襯底與外延層界面過渡區(qū)的雜質(zhì)濃度緩慢變化。實驗采用兩種不同電阻率區(qū)間襯底。

不同襯底工藝參數(shù)2：

生長溫度/℃：1）1100～1150；2）1100～1150。

HCl拋光流量/slm：1）1～4；2）1～4。

HCl拋光時間/min：1）2～4；2）2～4。

趕氣時間/min：1）3；2）3。

襯底電阻率/Ωcm：1）0.002-0.003；2）0.0035～0.0045。

對外延后的兩種樣品兩側(cè)邊緣進行擴展電阻對比分析，結(jié)果如圖3示。

對比可見，高電阻率襯底外延后過渡區(qū)寬度要小于低電阻率襯底。

2.2 HCl前拋光工藝對過渡區(qū)的影響

由于現(xiàn)在的襯底表面質(zhì)量提高，一般不需要從襯底表面去除硅就可以得到良好的外延層[ 4 ]。而在外延制備中希望提高表面質(zhì)量，往往在外延生長前進行HCL氣相拋光，去除襯底的氧化層和損傷層。HCL刻蝕重?fù)揭r底表面同時，高濃度的襯底摻雜原進入氣相反應(yīng)中，從而影響了外延層淀積時摻雜成分和濃度分，引起襯底與外延層截面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變化。

實驗采用兩種流量HCl進行前拋光處理，具體工藝參數(shù)見表3。

不同HCl前拋光處理工藝參數(shù)3：

生長溫度/℃：1）1100～1150；2）1100～1150。

HCl拋光流量/slm：1）4；2）5。

HCl拋光時間/min：1）5；2）5。

趕氣時間/min：1）3；2）3。

襯底電阻率/Ωcm：1）0.002-0.003；2）0.002～0.003。

對外延后的兩種樣品兩側(cè)邊緣進行擴展電阻對比分析，結(jié)果如圖4。

HCl前拋光流量為5slm時，外延后樣品過渡區(qū)寬度3.5μm，而當(dāng)前拋光流量改為4slm時，SRP分析過渡區(qū)寬度為3.1μm，降低HCl流量要有利于外延后材料過渡區(qū)的控制。

3 結(jié)論

1）桶式外延爐在制備大尺寸肖特基二極管用硅外延材料時，外延片兩側(cè)邊緣過渡區(qū)要寬于中心區(qū)域；

2）襯底電阻率、HCl前拋光流量在一定程度上影響過渡區(qū)，使用高電阻率襯底、適當(dāng)降低HCl前拋光流量及時間均可以改善過渡區(qū)寬度。

參考文獻

[1]楊樹人，丁墨元.外延生長技術(shù)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1992.

[ 2 ]袁肇耿，趙麗霞.肖特基器件用重?fù)紸 s襯底上外延層過渡區(qū)控制.半導(dǎo)體技術(shù)，d o i ： 1 0 . 3 9 6 9 / j.issn.1003-353×.2009.05.011.