高濃度硅外延縱向電阻率分布研究

尤曉杰，王銀海，葛 華，韓 旭

（南京國盛電子有限公司，南京 211100)

1 引言

硅以及硅基材料是微電子行業(yè)的重要材料，其中硅外延材料為半導(dǎo)體器件特別是各類硅基集成電路的發(fā)展提供了堅實可靠的基礎(chǔ)。外延生長是指在單晶襯底的表面上，利用二維結(jié)構(gòu)相似性成核的原理，沿著原來的結(jié)晶軸方向，生長特定電阻率和厚度單晶薄膜的工藝[1]?，F(xiàn)代外延主流技術(shù)是使用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)進行外延生長。

目前CVD外延技術(shù)根據(jù)使用的基板不同主要分為平板式和桶式外延爐，其中桶式外延爐具有較大的反應(yīng)腔和較高的生產(chǎn)效率，如LPE公司的2061S型桶式外延爐，生產(chǎn)101.6 mm、127 mm、152.4 mm外延片單位制程產(chǎn)量可達到14～30片，效率高于平板式的3061型[2]，在工業(yè)化大批量生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用，是中小功率管等消費類電子器件量產(chǎn)的優(yōu)先選擇。

外延材料的電阻率分布對器件來說是非常重要的電學(xué)參數(shù)，會影響器件整體的電性能，因此電阻率控制技術(shù)是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。目前國內(nèi)針對電阻率控制的研究主要集中在片內(nèi)分布和縱向分布，其中縱向分布方面對過渡區(qū)的研究[4]較多，如通過摻雜流量控制[5]、包硅工藝[6]、本征工藝[7]對過渡區(qū)寬度進行調(diào)整，而對外延層平坦區(qū)的研究相對較少。因此，本文對桶式爐外延層平坦區(qū)的電阻率分布進行了重點研究，對發(fā)現(xiàn)的波浪形貌縱向電阻率分布現(xiàn)象通過實驗分析了產(chǎn)生原因和消除方法。

2 實驗過程

2.1 生產(chǎn)設(shè)備

生產(chǎn)設(shè)備采用意大利產(chǎn)LPE 2061S型桶式外延爐，其反應(yīng)腔如圖1所示。

圖1 LPE 2061S型桶式外延爐反應(yīng)腔

LPE 2061S基座為桶式結(jié)構(gòu)，基座下方與旋轉(zhuǎn)軸連接，在外延過程中保持交替的順時針和逆時針旋轉(zhuǎn)，反應(yīng)氣體經(jīng)鐘罩入口通過石英噴嘴進入反應(yīng)腔，石英擋板起到分散氣流的作用，使氣流在反應(yīng)腔中形成相當均勻的分布，最終氣流經(jīng)尾氣出口排出反應(yīng)腔。

本文涉及的實驗均采用SiHCl3與H2反應(yīng)生成Si的反應(yīng)過程，PH3作為N型外延摻雜劑，B2H6作為P型外延摻雜劑。

2.2 表征方法說明

擴展電阻技術(shù)（spreading resistance profile，SRP）是利用金屬探針與半導(dǎo)體材料點接觸處電流-電壓曲線特性來得到半導(dǎo)體材料縱向電阻率分布的技術(shù)，可以表征硅片中的雜質(zhì)分布，因其具有空間分辨率優(yōu)越、測試簡捷且結(jié)果直觀的特點，廣泛應(yīng)用于外延片測試中[8]。本文實驗通過SRP技術(shù)進行表征硅外延片的縱向電阻率分布，采用SSM-2000擴展電阻測試設(shè)備，應(yīng)用步徑測試電阻的方法進行測試，其中圓片測試點包括中心點以及距邊6 mm位置的邊緣點。

2.3 實驗方案及結(jié)果

該現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于N型6英寸硅外延片（樣本1）的表征分析過程，其中縱向電阻率分布表征得到如圖2的擴展電阻圖形：以硅片定位邊為上點，其左右點擴展電阻圖形從外延層開始呈現(xiàn)波浪形貌，且左右點互為正弦反弦波動，而其余測試點呈現(xiàn)常規(guī)直線形。

圖2 樣本1擴展電阻圖形

其中樣本1外延條件說明見表1。

表1 樣本1外延條件

針對樣本1的各項外延參數(shù)，從理論角度進行分析：波浪形貌特征從外延層即開始出現(xiàn)，而不是到達特定厚度開始表現(xiàn)，因此認為厚度為非相關(guān)因素，結(jié)合桶式外延爐在外延過程中保持交替順逆時針旋轉(zhuǎn)的特征，重點對外延主要參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)進行了實驗比對分析，整體實驗結(jié)果見表2。

表2 實驗樣本條件和結(jié)果

2.3.1 溫度相關(guān)性分析

樣本1采用1080℃外延，將外延溫度分別升高至1160℃（樣本2）和降低至1060℃（樣本3），均呈現(xiàn)波浪形貌，可知溫度非產(chǎn)生該現(xiàn)象的影響條件。

2.3.2 生長速率相關(guān)性分析

將樣本1硅源流量降低，生長速率從1.4μm/min降低至0.9μm/min（樣本4）和升高至1.6μm/min（樣本5），均呈現(xiàn)波浪形貌，可知生長速率非產(chǎn)生該現(xiàn)象的影響條件。

2.3.3 轉(zhuǎn)速相關(guān)性分析

將樣本1順逆時針轉(zhuǎn)速分別提高（樣本6）和降低（樣本7），均呈現(xiàn)波浪形貌，可知轉(zhuǎn)速非產(chǎn)生該現(xiàn)象的影響條件。

2.3.4 掛件阻擋分析

樣本1生產(chǎn)時坑位兩側(cè)有掛件起到阻擋氣流的作用，取消兩側(cè)掛件阻擋制作了樣本8，仍然出現(xiàn)波浪形貌的擴展電阻圖形，可知掛件非產(chǎn)生該現(xiàn)象的影響條件（掛件示意如圖3，安裝在基座棱上，可以起到氣流阻擋效果[9]）。

圖3 掛件示意圖

2.3.5 摻雜源類別和濃度分析

樣本1電阻率為0.2Ω·cm，對樣本電阻率進行正向和負向拉偏比對，同時還進行P型外延的對比實驗，波浪形貌縱向電阻率分布在電阻率足夠低時（即摻雜濃度足夠高）出現(xiàn)，從實驗結(jié)果看該電阻率條件在1.5～2Ω·cm（換算磷原子濃度為2.34×1015～3.16×1015/cm3）之間，且波浪形貌縱向電阻率分布在同等情況下的P型外延不會出現(xiàn)。

2.3.6 基座比對實驗

LPE2061S桶式外延爐基座為7面基座，基于波浪形貌縱向電阻率分布產(chǎn)生機理，采用8面基座進行改進驗證（基座俯視對比圖如圖4），基座高度相同，7面基座頂部和底部邊長均高于8面基座，即8面基座桶面的面積小。通過在8面基座進行外延，未出現(xiàn)波浪形貌縱向電阻率分布現(xiàn)象。

圖4 8面和7面桶式基座對比圖(俯視)

表3 8面和7面基座尺寸參數(shù)和對比實驗結(jié)果

3 分析與討論

桶式外延爐為保證氣流的均勻分布，在外延過程中，基座會進行順時針旋轉(zhuǎn)然后進行逆時針旋轉(zhuǎn)，而硅片左右點波浪形貌互為正反弦，因此該現(xiàn)象的產(chǎn)生應(yīng)與基座本身的旋轉(zhuǎn)運動相關(guān)。

調(diào)整順逆時針旋轉(zhuǎn)速度以及取消掛件阻擋氣流，波浪形貌仍然存在，而改為8面基座則該現(xiàn)象消失，分析原因為2061桶式機臺外延時，氣流從鐘罩上端的氣體入口向下端的尾氣出口流動，同時基座桶面會保持順逆時針連續(xù)交替旋轉(zhuǎn)，對從上至下的氣流產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生了氣流滯留層，導(dǎo)致?lián)诫s濃度分布不均勻，進而產(chǎn)生波浪形貌擴展電阻現(xiàn)象。8面基座相較于7面基座，桶面面積更小，對氣流的干擾作用也更小，氣流滯留減弱，波浪形擴展電阻現(xiàn)象消除。

該現(xiàn)象在摻雜濃度足夠高時才會出現(xiàn)，原因分析為當摻雜原子濃度足夠高時，氣流總的相對原子質(zhì)量也較大，桶面擾流導(dǎo)致氣流滯留的影響更明顯，而同等情況使用B2H6作為摻雜劑時現(xiàn)象消失，也可輔助印證原子質(zhì)量的相關(guān)性（硼相對原子質(zhì)量10.811，磷為30.974，PH3分子質(zhì)量為B2H6的1.23倍，硼、磷原子濃度相同時，氣流中PH3的總質(zhì)量為B2H6的2.46倍）。

4 結(jié)論

本研究應(yīng)用2061機臺桶式基座進行CVD外延實驗，對可能的影響條件（溫度、生長速率、轉(zhuǎn)速、掛件、摻雜濃度）進行對比驗證，發(fā)現(xiàn)波浪形貌縱向電阻率分布是在高摻雜濃度時（對應(yīng)磷原子濃度在2.34×1015～3.16×1015/cm3左右）因桶式基座面氣流干擾產(chǎn)生的現(xiàn)象，且通過實驗驗證發(fā)現(xiàn)，調(diào)整基座面尺寸可以消除該現(xiàn)象。

目前雖未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象對產(chǎn)品有負面影響，但期望該研究可以為后續(xù)硅外延設(shè)備和工藝的精細化設(shè)計提供指導(dǎo)依據(jù)，以利于具有特殊縱向電阻率分布需求的外延制備的實現(xiàn)。