硅基底的CVD擴(kuò)磷工藝研究

楊 旭， 何曉雄， 胡冰冰， 馬志敏

（合肥工業(yè)大學(xué) 電子科學(xué)與應(yīng)用物理學(xué)院，安徽 合肥 230009）

單晶硅的主要用途是用作半導(dǎo)體材料、利用太陽能光伏發(fā)電和供熱等［1－3］。單晶硅具有完整性好、純度高、資源豐富、技術(shù)成熟、工作效率穩(wěn)定和使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)［4］。20世紀(jì)70年代以前，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體摻雜主要是采用高溫擴(kuò)散法進(jìn)行［5－7］，摻雜后的單晶硅可用于薄膜襯底材料、超大規(guī)模集成電路及太陽能電池［8］。

本文采用化學(xué)氣相沉積設(shè)備進(jìn)行擴(kuò)磷實(shí)驗(yàn)，其原理是通過高溫擴(kuò)散中的固態(tài)源擴(kuò)散來實(shí)現(xiàn)磷擴(kuò)散，對單晶Si片（100）上化學(xué)氣相沉積（chemi－cal vapour deposition，簡稱CVD）擴(kuò)磷工藝參數(shù)和性能進(jìn)行研究。首先用CVD法對單晶Si（100）基底進(jìn)行磷摻雜，改變擴(kuò)磷時間和溫度。用原子力顯微鏡（AFM）觀察擴(kuò)磷前后的表面形貌，用半導(dǎo)體特性測試儀測試擴(kuò)磷前后的I－V曲線并進(jìn)行分析，得到最佳擴(kuò)磷工藝參數(shù)。

1 硅基底的CVD擴(kuò)磷工藝

1.1 硅基底的清洗

硅基底清洗的目的是清除晶片表面的污染物，如微粒、有機(jī)物及金屬離子等雜質(zhì)。清洗步驟為：硅片在丙酮溶液中先浸泡2h后超聲波清洗15min，隨后依次在無水乙醇和去離子水中各超聲波清洗15min，清洗完畢用吸耳球?qū)⒐杵蹈伞?/p>

1.2 硅基底CVD擴(kuò)磷實(shí)驗(yàn)

硅基底CVD擴(kuò)磷所用設(shè)備為沈陽科學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的管式高溫真空爐，擴(kuò)散源為固態(tài)紅磷（P），其純度為99.999%，保護(hù)氣體為純度為99.99%氬氣（Ar）。硅片和紅磷分別放在2個長度為77mm的瓷舟里。

硅摻雜的擴(kuò)散溫度［9］通常為800～1 200℃。高溫下，單晶Si固體中會產(chǎn)生空位和填隙原子之類的點(diǎn)缺陷［10］。

Si基底CVD擴(kuò)磷工藝如下：

（1）向高溫爐中通入氬氣，當(dāng)高溫爐中的氣壓與外界氣壓相同時，氣體將高溫爐門頂開，關(guān)閉氣體。將爐口密封圈處用酒精擦拭干凈，保證高溫爐的密閉性。

（2）將清洗好的硅基底放在瓷舟上，放入石英管375mm的位置，該位置為高溫爐第1溫區(qū)。將紅磷裝滿2個瓷舟，一個瓷舟放在石英管中240mm的位置，另一個瓷舟放在石英管中163mm的位置，關(guān)閉爐門。

（3）用氬氣清洗氣路和高溫爐腔體3遍，關(guān)閉氬氣，打開機(jī)器泵開始抽真空，時間為30min。

（4）抽真空30min后，打開升溫系統(tǒng)開始升溫，升溫時間為2h。

（5）溫度到達(dá)200℃時開始以10mL／min的流量通入氬氣，在溫度為500℃時關(guān)閉機(jī)械泵閥門。

（6）當(dāng)溫度升到擴(kuò)磷溫度（1 050℃／1 150℃）時，通過高溫?zé)釘U(kuò)散運(yùn)動向硅基底擴(kuò)磷。高溫爐內(nèi)壓強(qiáng)維持在2.1×104～3.1×104Pa。

（7）當(dāng)達(dá)到實(shí)驗(yàn)時間（2.0、4.0、6.0h）后，打開機(jī)械泵閥門，同時將氬氣流量調(diào)節(jié)到70mL／min，30min后關(guān)閉氬氣，關(guān)閉機(jī)械泵；關(guān)閉加熱電源。

（8）當(dāng)高溫爐內(nèi)溫度降到室溫后將樣品取出待檢測。

擴(kuò)磷的樣品和磷粉放置位置示意圖如圖1所示。常用硅基底CVD擴(kuò)磷工藝的藥品有紅磷（P）和五氧化二磷（P2O5）2種，由于P2O5具有強(qiáng)腐蝕性，受熱或遇水分解放熱，放出有毒的腐蝕性煙氣［11］，在空氣中吸濕潮解，接觸有機(jī)物會引起燃燒的危險，所以本實(shí)驗(yàn)選用相對穩(wěn)定的固態(tài)紅磷作為擴(kuò)磷源。

圖1 擴(kuò)磷的樣品和磷粉放置位置示意圖

雖然紅磷相對穩(wěn)定，但是在高溫下蒸發(fā)會部分冷凝成白磷（P4），所以實(shí)驗(yàn)結(jié)束后要等到高溫爐內(nèi)部溫度降到40℃以下，氬氣將高溫爐的爐門頂開才能取出樣品，防止溫度過高或者進(jìn)入大量空氣P4自燃。取樣品時要帶上口罩和手套等防護(hù)工具。由于設(shè)備原因，高溫爐實(shí)際溫度達(dá)到1 050℃和1 150℃的時間略有不同。

2 硅基底擴(kuò)磷后性能表征

2.1 X射線光電子能譜分析

X射線光電子能譜分析采用美國Thermo生產(chǎn)的ESCALAB250型號X射線光電子能譜儀。

擴(kuò)磷溫度為1 050℃條件下，不同擴(kuò)磷時間的硅基底X射線光電子能譜如圖2所示。

圖2 1 050℃不同擴(kuò)磷時間的X射線光電子能譜圖

從圖2可以看出，在擴(kuò)磷溫度為1 050℃條件下，擴(kuò)磷時間6h與3h相比，P原子數(shù)較多。隨著擴(kuò)磷時間的增加，P含量增加，所以6h的P1s峰明顯增強(qiáng)。

2.2 擴(kuò)磷時間和溫度對硅基底表面形貌的影響

觀察硅基底表面形貌所用儀器為本原納米儀器有限公司的CSPM4000型掃描探針顯微鏡；測量硅基底I－V特性所用儀器為KEITHLEY公司的4200－SCS型半導(dǎo)體特性測試儀。

硅基底未擴(kuò)磷之前的表面形貌如圖3所示，掃描范圍為50μm×50μm。由圖3可以看出，硅基底的表面粗糙度為0.488nm，晶粒的平均尺寸為597nm。

在1 050℃件下，不同擴(kuò)磷時間的硅基底表面形貌，如圖4所示，掃描范圍為50μm×50μm。由圖4可以看出，擴(kuò)磷時間為2、4、6h時，硅基底表面粗糙度分別為0.643、0.888、0.899nm，晶粒的平均尺寸分別為777、554、537nm。

圖3 硅基底未擴(kuò)磷前的表面形貌

圖4 1 050℃不同擴(kuò)磷時間下的表面形貌

與未擴(kuò)散的硅基底相比，擴(kuò)磷2、4、6h的硅基底表面粗糙度變大，擴(kuò)磷2h的硅基底晶粒的平均尺寸變大，而擴(kuò)磷4h和6h的平均尺寸變小。

1 150℃件下，不同擴(kuò)磷時間的硅基底表面形貌，如圖5所示，掃描范圍為50μm×50μm。由圖5可看出，擴(kuò)磷時間為2、4、6h時，硅基底表面粗糙度分別為0.553、1.23、0.866nm，晶粒的平均尺寸分別為746、552、458nm。

圖5 1 150℃不同擴(kuò)磷時間下的表面形貌

與未擴(kuò)散的硅基底相比，擴(kuò)磷2、4、6h的硅基底表面粗糙度變大。擴(kuò)磷2、6h時，1 150℃的硅基底表面粗糙度均小于1 050℃的表面粗糙度，而當(dāng)擴(kuò)磷4h時，1 150℃的硅基底表面粗糙度高于1 050℃的表面粗糙度。1 150℃條件下硅基底晶粒的平均尺寸低于1 050℃硅基底。

2.3 擴(kuò)磷時間和溫度對電學(xué)特性的影響

硅基底尺寸為5mm×10mm，測量時2個探針之間的距離為1mm。1 050℃條件下，硅基底擴(kuò)磷前后的電學(xué)性質(zhì)由I－V（電流－電壓）曲線表征，如圖6所示。

從圖6可以看出，隨著擴(kuò)磷時間的增加，擴(kuò)磷后硅基底的電阻值逐漸減小。這是因?yàn)殡S著擴(kuò)散時間的延長，摻入單晶硅基底的雜質(zhì)越多，電阻值則越小。

1 150℃與1 050℃條件下，硅基底擴(kuò)磷后的電學(xué)性質(zhì)由I－V曲線表征，如圖7所示。

從圖7可以看出，相同擴(kuò)磷時間下，1 150℃硅基底比1 050℃硅基底的電阻值小。這是因?yàn)楫?dāng)溫度升高時，磷原子獲得越過勢壘的能量幾率增加，且缺陷增多增大，非常有利于磷原子的擴(kuò)散。

圖6 1 050℃不同擴(kuò)磷時間下與未擴(kuò)磷前硅基底的I－V特性對比

圖7 1 050℃與1 150℃相同擴(kuò)磷時間I－V特性對比

從圖7可以看出，1 150℃條件下，隨著擴(kuò)磷時間的增加，擴(kuò)磷后硅基底的電阻值逐漸減小。

3 結(jié) 論

利用硅基底的CVD擴(kuò)磷工藝，在1 050℃／1 150℃，采用2、4、6h的擴(kuò)磷時間制備的擴(kuò)磷硅基底的表面粗糙度隨著時間的增加變大，晶粒的平均尺寸隨著時間的增加逐漸變小。硅基底擴(kuò)磷前后的I－V特性曲線說明：未擴(kuò)磷的硅基底電阻很大；經(jīng)過CVD擴(kuò)磷工藝后，硅基底的電阻值明顯變小。

在相同溫度下，隨著擴(kuò)磷時間的增加，擴(kuò)磷后硅基底的電阻值明顯變小。在相同擴(kuò)磷時間下，1 150℃條件下擴(kuò)磷硅基底的電阻值比1 050℃條件下擴(kuò)磷硅基底的電阻值小。

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