厚多晶硅膜飽和摻雜工藝研究

林 麗，聶圓燕，吳曉鶇

（無錫中微晶園電子有限公司，江蘇 無錫 214035）

1 引言

在微電子領域中，多晶硅的應用十分廣泛。其中，最多的是用作柵電極，而使用多晶硅來制作電阻也非常常見。一般來說，多晶電阻的方塊電阻值，都在幾十Ω.□-1以上。高值電阻應用非常廣泛，制作工藝也很成熟。但是部分特殊電路，會要求將多晶電阻率做到非常低。以下討論的即為低阻的多晶電阻制作。

根據電路功能的特殊需求，需要制作方塊電阻低至2Ω.□-1～4Ω.□-1的多晶硅薄膜。由于多晶阻值很低，因此采用淀積多晶硅膜、再進行爐管飽和摻雜的方法來完成。

2 多晶硅薄膜淀積

2.1 SiO2襯底

由于低阻多晶電阻需要進行飽和摻雜來完成，多晶硅中的雜質濃度非常高。為了防止在飽和摻雜和后續退火過程中，摻雜雜質擴散進入襯底中，在多晶硅和襯底之間，需要有一層較厚的SiO2作為阻擋層。

2.2 LPCVD多晶薄膜淀積

多晶硅通常在580℃～650℃下由硅烷分解淀積。用于淀積多晶硅的主流技術是LPCVD，因為它的均一性，純度和經濟性較好，反應副產物少，潔凈度高。多晶硅淀積化學式如下：

基于多晶硅方塊電阻值要求，集成電路中常用的幾百納米厚度的多晶硅是無法達到的，需要生長厚多晶硅膜。根據350nm以及1 000nm多晶硅進行飽和摻雜的實驗結果，預估要達到2Ω·□-1～4Ω·□-1，需要淀積2 000nm厚的多晶硅薄膜進行飽和摻雜。

3 多晶硅飽和摻雜

3.1 擴散模式

雜質在多晶硅膜中，由于晶粒間界的存在，擴散方式比較復雜。雜質在晶粒間界的擴散比晶粒內點陣間的擴散快很多。根據晶粒間界增強擴散和晶粒內擴散的相對比較，雜質在多晶硅膜中的擴散模式可以分為三類。

A類：晶粒L較小或晶粒內的擴散較快，以至從兩邊晶粒間界向晶粒內的擴散相互重疊。簡化示意圖見圖1。

圖1 A類擴散模式（陰影區為摻入雜質的區域）

B類：晶粒較大，或晶粒內的擴散較慢，所以在離晶粒間界較遠處趨于零。簡化示意圖見圖2。

圖2 B類擴散模式（陰影區為摻入雜質的區域，空白區為未摻入雜質區域）

C類：與晶粒間界擴散相比，晶粒的點陣擴散可以忽略不計，因此，有意義的原子輸運過程只發生在晶粒間界內。簡化示意圖見圖3。

圖3 C類擴散模式（陰影區為摻入雜質的區域，空白區為未摻入雜質區域）

為了達到深飽和摻雜，要使多晶摻雜工作在A類方式，即雜質在晶粒內和晶粒間界同時擴散，并且分布均勻。當多晶厚度有限且擴散時間比較長時，擴散模式往往發展為A類。對于厚多晶硅膜，由于厚度較厚，A類方式就要求很長的摻雜和退火時間。

3.2 擴散方式

多晶硅可以通過擴散、注入或是在淀積時加入摻雜氣體進行摻雜。比較這三種摻雜工藝，主要的不同是擴散的電阻率較低，離子注入的摻雜濃度較低，淀積時加入摻雜氣體的遷移率較低[2]。爐管擴散摻雜是一種高溫過程，摻雜濃度經常超過固溶度極限，過剩的摻雜元素分凝在晶粒間界[3]，它使多晶硅的電阻率降得很低。因此，在制作低阻多晶電阻時，采用爐管擴散摻雜方式對多晶硅進行深飽和摻雜。

3.3 爐管摻雜工藝

爐管擴散摻雜多數采用液態源。液態源能提供較好的一致性和純度。多數液態源是鹵族化合物，還能起輔助作用：吸收反應物，排除重金屬雜質。液態源的工作方式為：在一定溫度下，攜帶氣體通過液態雜質源，帶著源的蒸氣進入擴散爐，即將液態源轉化為氣態。這種工藝很容易控制氣體流過起泡器的開始或結束時間，便于工藝控制。

目前，爐管摻雜普遍使用液態POCl3源，通入N2作為攜帶氣體，進入爐管后與一起通入的O2反應，在硅片表面的多晶硅薄膜上生成摻雜雜質的氧化物P2O5進行摻雜預淀積。化學反應式為：

反應生成的Cl2被帶走，而P2O5與多晶硅反應，P原子被還原出來，通過擴散進入多晶硅薄膜中，并在多晶硅表面生成SiO2。

通入POCl3的預淀積步驟結束后，在N2氛圍中進行再擴散，激活雜質，并使得雜質進行再分布，使雜質原子達到穩定狀態，并達到預期的方塊電阻值。

4 實驗

實驗步驟如圖4。

圖4 實驗步驟

熱氧化生長650nm SiO2作為多晶硅與襯底的阻擋層。本實驗是在單晶硅圓片上直接制作低阻多晶硅膜，因此可以采用熱氧生長SiO2。若在其他襯底上制作，無法采用熱氧化的方式，也可以采用CVD淀積阻擋層的方法。LPCVD分別淀積1 000nm及2 000nm厚度多晶硅薄膜，進行摻雜實驗。影響爐管摻雜電阻值的因素很多，如擴散溫度、氣氛、擴散時間、雜質種類、排風等。其中擴散溫度、時間比較容易控制和調節，實驗時通過對以上因素進行優化，在保證達到飽和摻雜的前提下，取最佳條件進行摻雜，并進行重復性驗證。摻雜結束出爐后，使用稀HF酸漂掉多晶硅表面的SiO2后，使用四探針儀測試方塊電阻。實驗結果如表1。

表1 實驗結果

四探針測試MAP圖如圖5。

圖5 四探針測試MAP圖

5 結論

從實驗結果來看，爐管非飽和摻雜的電阻片內均勻性較差，且若采用非飽和摻雜方式，勢必要增加多晶厚度。因此，多晶硅的摻雜雖可采用多種方式，對于低阻的多晶硅摻雜，考慮經濟性、大生產以及工藝質量等方面的因素，應選擇采用LPCVD淀積多晶薄膜后使用爐管飽和摻雜的方式。采用該方法能夠較方便地得到穩定、均勻的方塊電阻。

[1]Stanley Wolf, Richard N. Tauber. Silicon Processing for the VLSI Era I [M].Lattice Press, 1986.

[2]王陽元.多晶硅薄膜及其在集成電路中的應用[M]. 北京：科學出版社，2001.

[3]李興.超大規模集成電路技術基礎[M].北京：電子工業出版社，1999.

[4]M M Mandurah, K C Saraswat, C R Helms, et al. Dopant Segregation in Polycrystalline Silicon [J]. Appl.Phys.,1980,51：5 755.