無夾層P型高阻硅外延材料制備研究

周幸

【摘 要】P型高阻硅外延片作為制備光電器件的關(guān)鍵支撐材料，對電阻率提出極高要求，單在生長過程中極易出現(xiàn)夾層而影響后續(xù)器件性能。本文通過對外延過程中的雜質(zhì)濃度變化趨勢研究，通過分階段主動(dòng)控制P型補(bǔ)償雜質(zhì)，成功制備了電阻率大于1500cm的P型高阻外延，并避免了高阻夾層的出現(xiàn)。

【關(guān)鍵詞】硅外延片；P型高阻；高阻夾層

中圖分類號(hào)：TN305.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）14-0079-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.034

0 引言

隨著半導(dǎo)體器件工藝的發(fā)展，材料的作用日益重要，甚至已經(jīng)成為制約器件性能的核心技術(shù)。硅基光電探測器是一類非常重要的探測器，該類器件以硅材料為基底，通過半導(dǎo)體注入工藝在特定厚度有源層實(shí)現(xiàn)；該類器件多為少子工作，對材料載流子濃度提出了較高的要求，根據(jù)器件工作范圍不同，要求基底材料電阻率在1000～10000Ω·cm之間；同時(shí)，隨著對器件品質(zhì)要求不斷提高，器件設(shè)計(jì)者希望基底材料為N-/N+或者P-/P+的結(jié)構(gòu)替代器件的擴(kuò)散工藝以提升器件的壓降值，即以外延片替代區(qū)熔單晶[1]。

外延層電阻率由外延層載流子濃度決定，受氣體提純技術(shù)制約，電子級(jí)的高純度硅源（三氯氫硅）呈現(xiàn)N型，其本征電阻率約為1800Ω·cm。因此，制備P型高阻材料必須通過嚴(yán)格控制P型雜質(zhì)摻雜量補(bǔ)償硅源中的N型雜質(zhì)實(shí)現(xiàn)，而在補(bǔ)償摻雜過程中如N型雜質(zhì)與P型雜質(zhì)濃度相當(dāng)，則出現(xiàn)阻值極高N/P型臨界的補(bǔ)償高阻夾層，導(dǎo)致器件工藝過程中出現(xiàn)反型導(dǎo)致器件失效[2-3]。

本文通過抑制硅外延生長過程中的N型非主動(dòng)摻雜雜質(zhì)，并控制主動(dòng)摻雜雜質(zhì)硼烷劑量，成功制備了P型高阻硅外延片。通過四探針測試儀、擴(kuò)展電阻測試儀研究了外延生長過程中外延層導(dǎo)電類型和電阻率的影響因素；通過分階段控制主動(dòng)摻雜濃度有效避免高阻夾層出現(xiàn)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

本實(shí)驗(yàn)采用了LPE2061筒式外延爐。該設(shè)備感應(yīng)線圈在反應(yīng)室外，消除了線圈沾污的影響，適于制備高阻硅外延材料。

1.2 襯底材料

為滿足P型高阻外延片的參數(shù)要求，本實(shí)驗(yàn)選用直徑為（150±0.2）mm摻的硅單晶襯底進(jìn)行外延生長。襯底材料晶向?yàn)?lt;100>±0.5，導(dǎo)電類型為P型，厚度為（625±25）μm，電阻率為（0.01～0.02）Ωcm，襯底背面采用雙層背封處理，包覆有（8000±1000）的硅多晶背封層與（5000±1000）的SiO2背封層。雙層背封層可以有效抑制外延生長過程中高溫條件下的雜質(zhì)擴(kuò)散，減少襯底自摻雜雜質(zhì)的影響。

1.3 外延工藝

P高阻硅外延材料制備過程中，輕微的雜質(zhì)濃度都將導(dǎo)致外延層電阻率出現(xiàn)大幅度的變化。SiHCl3作為硅外延生長原料，純度為4N，常溫下為液態(tài)。H2既是參與反應(yīng)的氣體，還起到了攜帶SiHCl3氣體的作用，純度為6N。采用SiHCl3液罐直接供液方式，避免運(yùn)輸過程的雜質(zhì)引入。硼烷氣體純度為5ppm，作為外延生長的摻雜源，用于控制外延層的摻雜濃度。除硅源中固有雜質(zhì)外，系統(tǒng)環(huán)境及襯底本身均是重要的雜質(zhì)源。為保證制備高質(zhì)量的P型高阻硅外延材料，必須盡可能降低各類非主動(dòng)摻雜雜質(zhì)在外延生長過程中的影響。

本實(shí)驗(yàn)先研究了本征生長過程中的雜質(zhì)濃度變化趨勢，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行主動(dòng)的P型雜質(zhì)漸變補(bǔ)償摻雜，具體工藝過程如圖1所示。

2 結(jié)果與討論

研究發(fā)現(xiàn)在低阻襯底生長硅外延工藝初期，外延材料襯底自擴(kuò)散雜質(zhì)占據(jù)了主導(dǎo)作用。本實(shí)驗(yàn)在外延生長初期的300s內(nèi)（外延層沉積厚度約為7μm），未主動(dòng)引入任何摻雜雜質(zhì)，外延層電阻率迅速增加，并且在該過程中并未有拐點(diǎn)出現(xiàn)，這表明該階段外延層延續(xù)了襯底的導(dǎo)電類型即為P型；生長初期底材料自擴(kuò)散雜質(zhì)隨著外延層沉積厚度的增加而減小，而硅源中的N型雜質(zhì)濃度可認(rèn)為是相對恒定的，這就表現(xiàn)為硅源中的N型雜質(zhì)對襯底自擴(kuò)散雜質(zhì)補(bǔ)償效果在不斷增強(qiáng)，即相對P型雜質(zhì)在外延層的濃度在不斷降低，則此時(shí)外延層P型電阻率在不斷提升；而當(dāng)系統(tǒng)中N型與P型雜質(zhì)達(dá)到相對平衡狀態(tài)時(shí)，則表現(xiàn)為超高阻，即圖中的尖峰位置，該位置可認(rèn)為是N/P型的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；在隨著生長時(shí)間延長，此時(shí)系統(tǒng)中N型雜質(zhì)濃度已經(jīng)占據(jù)主導(dǎo)，則外延層開始顯現(xiàn)N型，而隨著系統(tǒng)中P型雜質(zhì)濃度進(jìn)一步降低，由于硅源等帶來的非主動(dòng)摻雜N型雜質(zhì)相對濃度甚至出現(xiàn)了上升，導(dǎo)致外延層電阻率發(fā)生了小幅度的下降；而最終系統(tǒng)中N型雜質(zhì)完全占據(jù)主導(dǎo)作用，此時(shí)可認(rèn)為N型雜質(zhì)處于一個(gè)相對恒定的水平，外延層開始平穩(wěn)的呈現(xiàn)N型，即如圖2中左側(cè)平滑曲線所示。

在制備P型高阻材料過程中，由于補(bǔ)償造成N/P轉(zhuǎn)型，拐點(diǎn)兩側(cè)區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)了較窄寬度、電阻率接近本征值的超高阻區(qū)，通常稱為高阻夾層，該區(qū)域?qū)τ谄骷允侵旅?，避免過渡區(qū)的高阻夾層是制備N/P及P/N這類異質(zhì)外延的關(guān)注重點(diǎn)。

合理的利用N、P型雜質(zhì)在外延生長初期的補(bǔ)償效應(yīng)可以快速提升外延層的電阻率，進(jìn)而有效的縮短過渡區(qū)寬度并避免高阻夾層出現(xiàn)，這在制備P型高阻材料過程中具有非常大的實(shí)際意義。

本實(shí)驗(yàn)通過在外延生長初期的前200s內(nèi)進(jìn)行不帶摻雜的本征外延層沉積生長，快速將外延層電阻率由襯底層的10-2Ω·cm提升至10Ω·cm附近，極大的縮短了過渡區(qū)寬度；通過LPE自帶的變流量摻雜控制程序并結(jié)合實(shí)際目標(biāo)電阻率，漸變性的補(bǔ)充系統(tǒng)中P型雜質(zhì)濃度，成功避免了N型雜質(zhì)的過度補(bǔ)償效果，不僅使外延層保持了恒定的導(dǎo)電類型，而且將外延電阻率快速提升至了目標(biāo)電阻（大于1500Ω·cm）；經(jīng)過約320s的外延生長后，電阻率已經(jīng)接近目標(biāo)值，此時(shí)開始恒定進(jìn)行B2H6，由于此時(shí)系統(tǒng)的非主動(dòng)摻雜雜質(zhì)相對量已經(jīng)非常低，因此在后續(xù)外延生長過程中外延層有效載流子濃度為主動(dòng)摻雜B2H6與硅源中固有N型雜質(zhì)補(bǔ)償后的綜合效果，即外延層表現(xiàn)為穩(wěn)定的P型高阻，外延層縱向電阻率分布如圖3所示。

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)通過研究不帶摻雜的外延層電阻率分布變化趨勢并結(jié)合目標(biāo)電阻率，確定了在外延層導(dǎo)電類型轉(zhuǎn)型前主動(dòng)引入P型摻雜雜質(zhì)，避免N型拐點(diǎn)的出現(xiàn)，并通過在不同生長階段對主動(dòng)摻雜雜質(zhì)濃度進(jìn)行合理的控制，成功制備了電阻率大于1500Ω·cm的P型高阻硅外延材料，該材料過渡區(qū)小于10μm且無夾層。

【參考文獻(xiàn)】

[1]Hidenori T， Takao M. Evaluation of Effective Recombination Velocity Related to the Potential Barrier in n/n+Silicon Epitaxial Wafers[J].The Japan Society of Applied Physics，2002，41：1214-1219.

[2]安靜.P型硅外延技術(shù)的研究[D].河北工業(yè)大學(xué)，2011.

[3]劉玉玲.用反向補(bǔ)償原理解決硅CVD外延自摻雜效應(yīng)[D].河北工學(xué)院，1994.