三氯氫硅本征電阻率（純度）的測試方法

楊 帆，譚衛東，駱 紅，孫 健，周海楓

（南京國盛電子有限公司，南京 210038）

1 引言

三氯氫硅（SiHCl3）作為硅外延片的關鍵原材料，其純度將直接影響著硅外延層的性能。一般三氯氫硅純度的測試方法有兩種，除采用化學分析方法測試外，通常用生長不摻雜外延層（本征外延層）的方法來確定，即測量三氯氫硅本征生長后的外延電阻率來衡量其純度。

在硅外延的本征生長過程中，影響三氯氫硅本征電阻率參數的主要因素為系統內的自摻雜。增加硅外延層的厚度可以有效抑制系統自摻雜，但無限制地增加生長時間必然導致生產成本的增加。本文對襯底的選擇、生長時間、生長前生產設備的狀況等各個方面進行優化分析，選定了一個合理的生長工藝過程來準確評價三氯氫硅的本征電阻率。

2 反應原理

外延工藝是一種薄層單晶生長技術，在一定的條件下，在單晶襯底片上沿單晶的結晶方向生長一層新單晶層。

本實驗采用外延生長爐為桶式反應器，桶式反應器由承載硅襯底的加熱感應體（基座）和由石英玻璃制作的桶狀反應室（鐘罩）構成。采用射頻感應加熱方式。外延的生長過程分為預處理和外延生長兩部分：

（1）預處理為生長前的準備工作，即對基座進行包基座處理，在其表面淀積一層硅。

（2）外延生長的具體過程為將硅單晶襯底片放在基座上，在還原性氣氛中加熱，并輸入硅源氣體使之反應，生成硅原子淀積在襯底上。外延過程分為摻雜外延和本征外延[1]。本實驗的本征外延為一個高溫下的還原過程，生長反應過程為：

SiHCl3(g)+H2(g)=Si(g)+3HCl(g)

本征外延的生長過程與一般外延的唯一區別是不從系統外人為地引入雜質。通過控制生長過程存在的自摻雜效應來更準確地衡量三氯氫硅（SiHCl3）的本征電阻率。

3 實驗和分析

采用同一三氯氫硅（SiHCl3）原料，在設備正常狀況下進行工藝試驗（清洗后）。

實驗一：在線使用生產設備，N型摻砷襯底片，電阻率0.002Ω·cm～0.004Ω·cm，晶向〈111〉。基座包硅處理10min，本征外延生長30μm，生長溫度與正常工藝相同。重復10次試驗，本征電阻率測試結果為600Ω·cm ～689Ω·cm，平均值為646Ω·cm。

實驗二：工藝條件同實驗一，另外使用N型摻銻襯底片，電阻率0.01Ω·cm～0.02Ω·cm，晶向〈111〉，重復10次試驗，本征電阻率測試結果為1131Ω·cm ～1 567Ω·cm，平均值為1 384Ω·cm。

通過實驗一和實驗二的區別可以看出，相同生產條件下使用不同摻雜的襯底片，所得到的襯底電阻率遠遠不同。高溫生長外延下，襯底中的雜質由正面和背面以元素形式蒸發出來進入氣相中，這些雜質沿著氣流方向作擴散，然后在外延生長時又摻入生長層中。當外延生長開始后，襯底正面的雜質蒸發受到了抑制，引起自摻雜的雜質主要是由襯底內擴散到背表面以元素形式蒸發而來。雜質從襯底背面蒸發逸出速率取決于雜質的蒸發系數和在硅中的擴散系數。砷和銻在1 200℃下，在硅中的擴散系數值相近，但是蒸發系數卻有較大的差別。砷的蒸發系數為7×10-9cm2/s，銻的蒸發系數＜1×10-10cm2/s[1，2]。顯然，使用摻銻的襯底與摻砷的襯底相比可以使自摻雜減少一個數量級，所以其對本征電阻率的影響也相差懸殊。基于現有條件，使用摻銻的襯底可以最大限度地降低對本征外延電阻率的影響。

實驗三：工藝條件、設備條件同實驗二，本征外延分別生長20μm、30μm、40μm、50μm，本征電阻率測試結果分別為1 201Ω·cm、1 401Ω·cm、1409Ω·cm、1 429Ω·cm。

本征外延的生長時間長，可以有效降低來自包括襯底在內的自摻雜對其電阻率的影響。但是，增長本征外延的生長時間必然違背大批量生產所追求的成本最優化原則。從實驗三我們可以得出，在較薄厚度內外延層厚度與本征電阻率的變化趨勢成正比。但到一定厚度后，本征電阻率增長不明顯。主要是因為隨著本征外延層的生長，逐步覆蓋了雜質的進一步逸出和擴散[3]，從而減輕了自摻雜對本征電阻率的影響。

實驗四：工藝條件同實驗二，設備條件分3種，一種為正常批量生產常規低摻雜濃度外延產品（電阻率＞10Ω·cm）后，一種為正常批量生產常規低阻外延產品（1Ω·cm ＜電阻率＜10Ω·cm）后，一種為生產高摻雜濃度外延產品（電阻率＜1Ω·cm）后。本征外延生長30μm，本征電阻率測試結果分別為1 500Ω·cm，980Ω·cm，280Ω·cm。

設備的日常維護一般會有其固定周期，其很難與三氯氫硅的更換周期相重合，如果每次更換三氯氫硅前均進行設備的清洗，必然會影響產能并增加成本。外延生產的過程中，系統不可避免的會有微量的雜質殘余，一般來說常規低摻雜濃度的外延產品因為雜質摻雜濃度低，對系統的影響也比較小。從實驗四的結果來看，生產不同外延產品的機臺狀態確實存在較大差異，而對于生產一般常規外延品種（電阻率＞10Ω·cm）的機臺，其狀態與設備清洗后對本征電阻率的影響差異不大，而對于低阻的產品，則隨著摻雜濃度的增加而影響加劇，對本征電阻率的檢測存在很大的影響。

4 結論

由以上實驗數據可以看出：使用本征硅外延生長的方式檢驗三氯氫硅的純度，生長工藝中多個因素對其本征電阻率都有影響：相同生長條件下分別使用摻砷襯底和摻銻襯底，本征電阻率有著明顯的差別；本征外延層厚度也對其有著一定的影響；外延前外延設備的清洗與否也影響了本征電阻率的測試值。

基于此，初步結論如下：在以本征硅外延生長方式檢驗三氯氫硅（SiHCl3）純度中，可以選用的外延生長工藝條件為：電阻率為0.01Ω·cm～0.02Ω·cm，晶向〈111〉的N型摻銻襯底，基座包硅處理10min，本征外延生長30μm，生長溫度與正常工藝相同。可視外延品種的情況決定本征外延生長前是否需要對設備進行清洗。此方法可以客觀地對三氯氫硅純度進行評價。

[1] 楊樹人，丁墨元. 外延生長技術[M]. 北京：國防工業出版社，1992.107-141.

[2] 王志強，等. 電子工業生產技術手冊·半導體與集成電路卷6（半導體材料）[M]. 北京：國防工業出版社，1989. 185-219.

[3] 唐有青，等. 硅外延雙層結構的厚度測量[J]. 電子與封裝，2009，9（9）：5-7.