多層硅外延中自摻雜現(xiàn)象研究

宋曉東

摘?要：本文主要對(duì)多層硅外延自摻雜現(xiàn)象的進(jìn)行科學(xué)研究，并分析了不同工藝處理?xiàng)l件對(duì)其自摻雜現(xiàn)象的影響，提出幾點(diǎn)改善措施，期望對(duì)相關(guān)多層硅自摻雜現(xiàn)象研究人員有幫助。

關(guān)鍵詞：多層硅;外延;自摻雜現(xiàn)象

科學(xué)界對(duì)多層硅外延自摻雜現(xiàn)象的研究已有很多年，研究過程中提出了諸如固態(tài)擴(kuò)展模型、靜態(tài)擴(kuò)展模型以及表面吸附模型等。隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，多層硅自摻雜生長技術(shù)已經(jīng)在許多半導(dǎo)體器件中大量應(yīng)用。

1 多層硅外延自摻雜試驗(yàn)以及數(shù)據(jù)整理分析

為了有效研究多層硅外延自摻雜現(xiàn)象，本實(shí)驗(yàn)采用高頻加熱的多層硅外延設(shè)備，設(shè)備基座為碳化硅（SiC）高純度石墨體，該石墨體最佳生長溫度為1000℃，恒溫下平均生長速度為028um/min，n型摻雜試劑可為PH3以及AsH3，本文設(shè)計(jì)的試驗(yàn)主要使用PH3，多層硅硅源為四氯化硅（SiCl4），本試驗(yàn)系統(tǒng)本底濃度設(shè)定為4.98*1013cm-3。

在該濃度下，雙層硅的生長工藝執(zhí)行步驟為：首先生長15um，5.0*1016cm-3的第m層，其次再生長1.5um的第m-層，此時(shí)對(duì)多層硅進(jìn)行摻雜，并觀察多層硅生長效果[1]。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知，m-m-過渡區(qū)的寬度明顯的要大于多層硅固態(tài)擴(kuò)散所產(chǎn)生的過渡區(qū)域?qū)挾?，平區(qū)載流子濃度明顯高于試驗(yàn)系統(tǒng)本底濃度，這有效說明了雙層硅除了具有固態(tài)擴(kuò)散造成硅外延化學(xué)沉積以外還具有明顯的n形雜質(zhì)自摻雜現(xiàn)象。自摻雜現(xiàn)象產(chǎn)生的科學(xué)解釋原因如下：

（1）雙層硅具有固態(tài)擴(kuò)散形成化學(xué)沉積以及背景自摻雜現(xiàn)象。

（2）雙層硅生長到m層之后，n型雜質(zhì)滯留于晶片以及多層硅基座表面。

（3）n型雜質(zhì)被吸附于晶片以及基座表面。

（4）在高溫環(huán)境中，n型多層硅雜質(zhì)容易向外揮發(fā)。

試驗(yàn)所需設(shè)備以及材料準(zhǔn)備妥當(dāng)之后，現(xiàn)在進(jìn)行多層硅雜質(zhì)滯留對(duì)自摻雜現(xiàn)象影響的研究，設(shè)計(jì)了五個(gè)試驗(yàn)，分別如下：

試驗(yàn)一：試驗(yàn)首先將雙層硅進(jìn)行生長直至長到m層，載流子初始濃度設(shè)定為4.6*1016cm-3，m層多層硅生長完畢以后，使用氫氣（H2）對(duì)硅沖洗八分鐘，然后對(duì)不摻雜的m-進(jìn)行生長。從實(shí)驗(yàn)中可得知，多層硅m層生長完畢以后，會(huì)發(fā)生硅外延沉積現(xiàn)象，而造成m-m-過度區(qū)的原因是由于n型雜質(zhì)的滯留沉積。n型雜質(zhì)滯留產(chǎn)生硅外延沉積是硅主要的多層硅自摻雜現(xiàn)象影響因素。

試驗(yàn)二：待雙層硅生長至m層以后，對(duì)高純度石墨體基座進(jìn)行重新處理，增用多晶體純硅，裝入高電阻單晶底座，在雙層硅的生長過程中不摻雜任何外延層。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，多層硅背景摻雜濃度主要為2*1014/cm3，并且雜質(zhì)均勻分布于硅中，該實(shí)驗(yàn)說明雙層硅生長至第m層以后，產(chǎn)生了2*1014/cm3的背景摻雜。這種情況產(chǎn)生的原因主要涉及是由于雙層硅生長至第m層時(shí)，硅表面發(fā)生n型雜質(zhì)吸附現(xiàn)象，產(chǎn)生多層硅外延化學(xué)沉積，從而對(duì)多層硅的外延生長現(xiàn)象造成影響。

試驗(yàn)三：首先對(duì)試驗(yàn)基座進(jìn)行清潔處理，裝入高電阻硅襯底片，在生長溫度達(dá)到800℃左右時(shí)通入PH3，濃度與生長m層的相同，生長時(shí)間為4分鐘，4分鐘過后在1000℃氫氣中進(jìn)行清洗，沖洗時(shí)間最好為8分鐘左右。最后生長m-層。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，高溫下試驗(yàn)基座中的n型雜質(zhì)的揮發(fā)是n型雜質(zhì)氣相自摻雜現(xiàn)象形成的最主要原因。

試驗(yàn)四：多層硅n層生長完畢以后對(duì)溶液進(jìn)行降溫處理，去除多層硅外延片，并清潔試驗(yàn)基座，按照試驗(yàn)2的步驟，將溫度升高到1000℃，沖洗8分鐘左右，對(duì)多層硅的m-進(jìn)行生長，通過實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出，影響多層硅氣相自摻雜的主要原因是晶片m層中n型雜質(zhì)揮發(fā)。

2 不同工藝技術(shù)對(duì)多層硅外延自摻雜現(xiàn)象的影響

多層硅主要工藝條件為外延生長溫度、摻雜劑種類以及生長速率、主氣流速率變化。

其中，溫度升高時(shí)，晶體中雜質(zhì)固態(tài)擴(kuò)散程度增強(qiáng)，試驗(yàn)基座外延層中n型雜質(zhì)揮發(fā)性變強(qiáng)，最終導(dǎo)致了多層硅m-層雜質(zhì)自摻雜現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

通常，試驗(yàn)主要使用PH3以及AsH3作為n型摻雜劑，硅中的擴(kuò)散系數(shù)P遠(yuǎn)大于As，因此，生長溫度相同時(shí)，As固態(tài)擴(kuò)散程度會(huì)得到減小，有效控制硅外延沉積對(duì)多層硅外延自摻雜現(xiàn)象的影響。另外，P的揮發(fā)率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于As的揮發(fā)率，因此使用AsH3作為n型摻雜劑時(shí)，增加了多層硅氣相自摻雜現(xiàn)象的產(chǎn)生。多層硅生長速率以及主氣流的變化對(duì)試驗(yàn)基座及晶片中n型雜質(zhì)的揮發(fā)速率沒有多少影響，因此對(duì)多層硅氣相自摻雜現(xiàn)象的影響不是很大，要求不高的情況下可以忽略不計(jì)[2]。

除了上訴工藝技術(shù)以外，鍵合技術(shù)是一種新興方法，工作原理是將多層硅表面加工以及體硅加工有效結(jié)合，這種方法操作簡單，可以有效減少多層硅外延自摻雜現(xiàn)象的發(fā)生，科技人員就可以適當(dāng)采用推廣。

3 改善多層硅外延自摻雜現(xiàn)象的有效措施

減小多層硅外延自摻雜現(xiàn)象的方法主要有三種，分別是低溫處理、第二步外延以及雙室法生長外延等三種方法。

對(duì)于第一種方法，適當(dāng)降低多層硅生長溫度即可有效減少其外延自摻雜現(xiàn)象的發(fā)生。

對(duì)于第二種方法，試驗(yàn)中進(jìn)行多層硅m-層生長時(shí)應(yīng)當(dāng)首先生長第一薄層，之后對(duì)多層硅進(jìn)行長時(shí)間大流量氫氣沖洗，然后再進(jìn)行m-層生長。理由是第一步生長的薄層可以當(dāng)做一個(gè)保護(hù)層，對(duì)m層中的n型雜質(zhì)的向外揮發(fā)能夠起到很好的阻止作用。第一步生長結(jié)束后長時(shí)間氫氣沖洗能夠有效除去生長過程中殘留的n型雜質(zhì)，減少硅外延沉積，降低對(duì)多層硅外延自摻雜現(xiàn)象的影響。

第三種方法主要原理是先生長m層多層硅，生長完畢以后進(jìn)行降溫，并將氫氣中的硅片移到m-室進(jìn)行m-層生長，這個(gè)過程沒有背景摻雜以及實(shí)驗(yàn)基座n型的玷污，所以大大降低了多層硅外延自摻雜現(xiàn)象的發(fā)生。

4 結(jié)語

通過本文對(duì)多層硅外延自摻雜現(xiàn)象的研究，明確了各種工藝手段對(duì)這種現(xiàn)象的影響程度，研究人員應(yīng)盡量采取降低溫度等措施減少多層硅外延自摻雜現(xiàn)象的發(fā)生，促進(jìn)我國多層硅相關(guān)技術(shù)的快速發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]賀勇.硅基鋰離子電池負(fù)極材料的制備和電化學(xué)性能研究[D].湖南工業(yè)大學(xué)，2019.

[2]付會(huì)霞.硅基二維量子材料的第一性原理設(shè)計(jì)[D].中國科學(xué)院大學(xué)（中國科學(xué)院物理研究所），2017.