周幸

【摘 要】P型高阻硅外延片作為制備光電器件的關鍵支撐材料，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濃度變化趨勢研究，通過分階段主動控制P型補償雜質，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)。

【關鍵詞】硅外延片；P型高阻；高阻夾層

中圖分類號：TN305.2 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）14-0079-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.034

0 引言

隨著半導體器件工藝的發(fā)展，材料的作用日益重要，甚至已經成為制約器件性能的核心技術。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，通過半導體注入工藝在特定厚度有源層實現(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，隨著對器件品質要求不斷提高，器件設計者希望基底材料為N-/N+或者P-/P+的結構替代器件的擴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，受氣體提純技術制約，電子級的高純度硅源（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格控制P型雜質摻雜量補償硅源中的N型雜質實現(xiàn)，而在補償摻雜過程中如N型雜質與P型雜質濃度相當，則出現(xiàn)阻值極高N/P型臨界的補償高阻夾層，導致器件工藝過程中出現(xiàn)反型導致器件失效[2-3]。

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

1 實驗

1.1 實驗設備

本實驗采用了LPE2061筒式外延爐。該設備感應線圈在反應室外，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，本實驗選用直徑為（150±0.2）mm摻的硅單晶襯底進行外延生長。襯底材料晶向為<100>±0.5，導電類型為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擴散，減少襯底自摻雜雜質的影響。

1.3 外延工藝

P高阻硅外延材料制備過程中，輕微的雜質濃度都將導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，避免運輸過程的雜質引入。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。除硅源中固有雜質外，系統(tǒng)環(huán)境及襯底本身均是重要的雜質源。為保證制備高質量的P型高阻硅外延材料，必須盡可能降低各類非主動摻雜雜質在外延生長過程中的影響。

本實驗先研究了本征生長過程中的雜質濃度變化趨勢，在此基礎上進行主動的P型雜質漸變補償摻雜，具體工藝過程如圖1所示。

2 結果與討論

研究發(fā)現(xiàn)在低阻襯底生長硅外延工藝初期，外延材料襯底自擴散雜質占據(jù)了主導作用。本實驗在外延生長初期的300s內（外延層沉積厚度約為7μm），未主動引入任何摻雜雜質，外延層電阻率迅速增加，并且在該過程中并未有拐點出現(xiàn)，這表明該階段外延層延續(xù)了襯底的導電類型即為P型；生長初期底材料自擴散雜質隨著外延層沉積厚度的增加而減小，而硅源中的N型雜質濃度可認為是相對恒定的，這就表現(xiàn)為硅源中的N型雜質對襯底自擴散雜質補償效果在不斷增強，即相對P型雜質在外延層的濃度在不斷降低，則此時外延層P型電阻率在不斷提升；而當系統(tǒng)中N型與P型雜質達到相對平衡狀態(tài)時，則表現(xiàn)為超高阻，即圖中的尖峰位置，該位置可認為是N/P型的轉折點；在隨著生長時間延長，此時系統(tǒng)中N型雜質濃度已經占據(jù)主導，則外延層開始顯現(xiàn)N型，而隨著系統(tǒng)中P型雜質濃度進一步降低，由于硅源等帶來的非主動摻雜N型雜質相對濃度甚至出現(xiàn)了上升，導致外延層電阻率發(fā)生了小幅度的下降；而最終系統(tǒng)中N型雜質完全占據(jù)主導作用，此時可認為N型雜質處于一個相對恒定的水平，外延層開始平穩(wěn)的呈現(xiàn)N型，即如圖2中左側平滑曲線所示。

在制備P型高阻材料過程中，由于補償造成N/P轉型，拐點兩側區(qū)域內出現(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)域對于器件而言是致命的，避免過渡區(qū)的高阻夾層是制備N/P及P/N這類異質外延的關注重點。

合理的利用N、P型雜質在外延生長初期的補償效應可以快速提升外延層的電阻率，進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際意義。

本實驗通過在外延生長初期的前200s內進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合實際目標電阻率，漸變性的補充系統(tǒng)中P型雜質濃度，成功避免了N型雜質的過度補償效果，不僅使外延層保持了恒定的導電類型，而且將外延電阻率快速提升至了目標電阻（大于1500Ω·cm）；經過約320s的外延生長后，電阻率已經接近目標值，此時開始恒定進行B2H6，由于此時系統(tǒng)的非主動摻雜雜質相對量已經非常低，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摻雜B2H6與硅源中固有N型雜質補償后的綜合效果，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 結論

本實驗通過研究不帶摻雜的外延層電阻率分布變化趨勢并結合目標電阻率，確定了在外延層導電類型轉型前主動引入P型摻雜雜質，避免N型拐點的出現(xiàn)，并通過在不同生長階段對主動摻雜雜質濃度進行合理的控制，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】

[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型硅外延技術的研究[D].河北工業(yè)大學，2011.

[3]劉玉玲.用反向補償原理解決硅CVD外延自摻雜效應[D].河北工學院，1994.