傅穎潔，李明達(dá)

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十六研究所 天津300220)

0 引 言

肖特基二極管以其功耗小、正向?qū)娮璧秃晚憫?yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)而獲得廣泛應(yīng)用[1]。近年來(lái)，隨著該類(lèi)型器件對(duì)反向擊穿電壓、正向壓降等特征參數(shù)一致性要求的進(jìn)一步提高，采用重?fù)揭r底為基底制備硅外延層，其過(guò)渡區(qū)形貌、厚度及電阻率參數(shù)指標(biāo)決定了該器件的正向壓降、反向擊穿電壓等電參數(shù)的特性[2]。因此，在外延沉積過(guò)程中，有效控制過(guò)渡區(qū)的寬度以及提高厚度、電阻率參數(shù)均勻性指標(biāo)成為了外延工藝設(shè)計(jì)的核心和重點(diǎn)[3]。

1 外延層過(guò)渡區(qū)

在重?fù)揭r底生長(zhǎng)輕摻硅外延工藝過(guò)程中，影響過(guò)渡區(qū)寬度的主要因素是各類(lèi)非主動(dòng)摻雜影響，包括襯底與外延層之間的雜質(zhì)固-固擴(kuò)散和反應(yīng)系統(tǒng)的雜質(zhì)氣相摻雜。固-固擴(kuò)散指的是襯底所包含雜質(zhì)的熱運(yùn)動(dòng)擴(kuò)散，非主動(dòng)摻雜包括鐘罩、石英件、基座等雜質(zhì)的揮發(fā)。綜合研究表明，過(guò)渡區(qū)寬度與襯底電阻率、HCl氣拋和外延沉積溫度等工藝條件密切相關(guān)。

1.1 襯底電阻率的影響

重?fù)揭r底摻雜電阻率的范圍介于 0.002～0.004Ω·cm 之間，而本文所制硅外延層的電阻率為1.8～2.0Ω·cm，兩者電阻率相差已經(jīng)超過(guò) 3個(gè)數(shù)量級(jí)，襯底和外延層載流子濃度之間的差距越大，受此重?fù)诫s影響，外延層的電阻率爬升速率會(huì)放緩，過(guò)渡區(qū)形貌控制難度也將相應(yīng)加大。

1.2 HCl氣拋的影響

在常規(guī)外延工藝中，通常會(huì)采取 HCl在高溫下對(duì)硅襯底片實(shí)施原位氣拋，以消除襯底表面的自然氧化層以及隨機(jī)產(chǎn)生的各類(lèi)沾污，通過(guò)剝除一部分表層襯底，可以使硅外延層晶格生長(zhǎng)質(zhì)量更高，但氣拋工藝也會(huì)隨之產(chǎn)生大量的雜質(zhì)并被揮發(fā)到反應(yīng)氣氛中，這些雜質(zhì)隨后會(huì)隨反應(yīng)過(guò)程重新進(jìn)入后續(xù)生長(zhǎng)的硅外延層，尤其會(huì)居于邊緣位置，導(dǎo)致外延層過(guò)渡區(qū)展寬的風(fēng)險(xiǎn)大增。

1.3 外延沉積溫度的影響

生長(zhǎng)外延層的工藝溫度通常在 1110～1130℃。高溫下襯底所含的As雜質(zhì)原子可以通過(guò)基板提供的能量不斷向生長(zhǎng)氣氛中進(jìn)行揮發(fā)，以及向外延層擴(kuò)散的熱運(yùn)動(dòng)效應(yīng)，氣相逸出和固-固擴(kuò)散活動(dòng)較為劇烈，導(dǎo)致外延過(guò)程中非主動(dòng)摻雜現(xiàn)象頗為嚴(yán)重，致使外延層過(guò)渡區(qū)寬度增加。

2 厚度和電阻率參數(shù)及其一致性

2.1 外延層沉積速率的影響

外延層的沉積速率與外延層的厚度、電阻率參數(shù)的均勻性密切相關(guān)，通常外延沉積速率越慢，則外延層的沉積越均勻，外延片的厚度參數(shù)片內(nèi)均勻性越好。

2.2 外延溫度梯度的影響

反應(yīng)腔體內(nèi)硅外延片下方的高頻線圈的溫度梯度越小，則片內(nèi)的工藝溫度更趨均勻，相應(yīng)的外延層生長(zhǎng)速率和摻雜效率的分布也越均勻，最終制得的硅外延層的厚度和電阻率參數(shù)越趨于均勻。

2.3 低溫本征及變流吹掃的影響

在外延工藝過(guò)程中，通過(guò)在較低工藝溫度下的本征生長(zhǎng)，抑制雜質(zhì)的揮發(fā)，同時(shí)在 HCl氣拋后以及本征層外延生長(zhǎng)后均進(jìn)行 1次主氫氣流的變流量吹掃趕氣(290～350～290L/min)，這樣通過(guò)前后實(shí)施2次變流量吹掃，可以很大程度上減少了雜質(zhì)擾動(dòng)的影響，電阻率一致性可以得到顯著提升。

3 外延材料制備

采用如表 1所示的 2種外延工藝條件在重?fù)揭r底上進(jìn)行硅外延層的沉積。

表1 兩種外延工藝條件比對(duì)Tab.1 Comparison of two epitaxial process conditions

4 結(jié)果與分析

試驗(yàn)結(jié)果表明，在對(duì)硅拋光片表面的 HCl氣拋工藝結(jié)束后，隨之快速引入主氫氣流的變流吹掃，可以減少襯底受熱揮發(fā)逸出的 As雜質(zhì)，從而可以降低這類(lèi)非主動(dòng)摻雜作用對(duì)外延過(guò)渡區(qū)寬度的影響。隨后采用 1100℃的低溫本征的沉積工藝，有效抑制了外延層工藝過(guò)程中襯底雜質(zhì)的逸出，降低了自摻雜效應(yīng)的影響，可縮小外延層過(guò)渡區(qū)寬度，電阻率由襯底上升的速率明顯加快，過(guò)渡區(qū)寬度由原先的 2μm 縮減為不足1.6μm。

2種不同硅外延工藝下的外延層厚度的測(cè)試結(jié)果如表 2所示。在改進(jìn)工藝中，硅外延摻雜層的生長(zhǎng)速率因生長(zhǎng)溫度降低得以放緩，在低生長(zhǎng)速率下，硅外延片的片內(nèi)厚度均勻性較常規(guī)工藝相比得到了有效改善。

表2 不同工藝外延厚度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Epitaxial thickness test results by different processes

2種不同硅外延工藝下，硅外延層電阻率的測(cè)試結(jié)果如表3所示。改進(jìn)工藝中增加一次主氫氣流的變流吹掃(290～350～290L/min)，最終通過(guò)滯留層的厚度快速變化，從而有效抑制了雜質(zhì)對(duì)外延生長(zhǎng)過(guò)程的擾動(dòng)，可見(jiàn)外延層電阻率不均勻性較常規(guī)工藝明顯提高。

表3 不同工藝硅外延片電阻率測(cè)試結(jié)果Tab.3 Epitaxial resistivity test results by different processes

5 結(jié) 論

本文基于常規(guī)外延工藝，針對(duì)在重?fù)揭r底上制備輕摻硅外延層時(shí)面臨過(guò)渡區(qū)寬度和電阻率均勻性控制的問(wèn)題，綜合運(yùn)用HCl氣拋、主氫氣流的變流吹掃及趕氣、低溫本征等工藝，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)硅外延過(guò)渡區(qū)寬度、厚度及電阻率均勻性等參數(shù)的控制。通過(guò)優(yōu)化外延工藝，抑制非主動(dòng)摻雜，最終外延層過(guò)渡區(qū)寬度可小于1.6μm，片內(nèi)硅外延層的厚度和電阻率不均勻性均小于 1.5%，可以滿(mǎn)足肖特基二極管工藝中對(duì)正向壓降和擊穿電壓一致性等要求?！?/p>