關于低阻P型外延生長技術的研究

徐年惠

摘 要：外延生長技術作為半導體行業芯片制造技術的主流技術，一直被國內外半導體行業沿用至今，近年來隨著半導體行業的飛速發展，高阻外延生長技術被各電子元器件生產廠家廣泛采用，而低阻外延生長技術，由于工藝要求高、工藝控制難度大，在國內半導體行業的應用越來越少，尤其是采用N型拋光襯底硅片進行低阻P型外延生長的工藝技術，在國內幾乎沒有電子元器件生產廠家采用該工藝技術，對該技術的研究有助于軍用特殊低壓二極管產品的設計開發提供新的芯片制作工藝途徑。

關鍵詞：P型外延生長 低阻

1、引言

隨著我國國防建設的快速發展和不斷進步，電子元器件的性能及質量可靠性水平已嚴重制約著國家航天、航空、兵器、船舶、電子等國家重點工程配套和星載、運載、彈載、機載等各種武器裝備工程的發展，近年來隨著國產化替代項目的推進，較多軍用特殊低壓二極管產品要實現國產的難度特別大，這部分產品的國產化，缺乏新技術、新材料、新工藝的支撐，對新技術、新材料、新工藝的研究，有助于軍用國產化項目的推進。

從上世紀60年代開始，我國在應用外延生長技術以來，普遍應用于各半導體行業電子元器件的芯片制作，近年來隨著半導體行業的飛速發展，高阻外延生長技術被各電子元器件生產廠家廣泛采用，而低阻外延生長技術，由于工藝要求高、工藝控制難度大，在國內半導體行業的應用越來越少，尤其是采用N型拋光襯底硅片進行低阻P型外延生長的工藝技術，在國內幾乎沒有電子元器件生產廠家采用該工藝技術，對該技術的研究有助于軍用特殊低壓二極管產品的設計開發提供新的芯片制作工藝途徑。

近年來，隨著國防科學技術的發展和需要，航天、航空、船舶、兵器、電子等重點工程對擊穿電壓在5.5-7.0V的穩壓二極管產品需求量越來越大，其中高質量等級產品每年訂貨量也在逐年增加，在現有芯片工藝條件下生產產品的質量可可靠性不高，為滿足國家重點工程的配套需要，對新的芯片制作工藝研究勢在必行。

2、現有N型外延生長工藝技術存在的不足

2.1目前外延襯底采用目前我廠外延工藝允許的最高摻雜濃度的P型拋光硅片（電阻率為：0.002～0.003Ω.cm），外延生長采用“過飽和”的摻磷方式，在采用四氯化硅作為生長源的條件下，要實現5.5V～7.0V 的PN結反向擊穿電壓，只能在較低的1050℃的生長溫度下進行（該生長溫度為形成良好硅單晶層的最低溫度，形成最佳硅單晶層的溫度在1070℃左右），在該溫度下形成的外延層結構的致密性不高，PN結缺陷較多；由于外延生長時間與形成的PN結反向擊穿電壓成正比例關系，使得外延生長時間不宜過長，從而導致外延層厚度較薄（25～30um）。

2.2由于該生長方式的襯底和外延層的摻雜濃度特別高，使得形成的芯片PN結為典型的雙邊突變型PN結，該方式形成的PN結耗盡層寬度特別窄（約0.5um左右），耗盡層兩邊的P區、N區的雜質濃度特別高，這種高濃度的P區、N區對溫度特別敏感，容易使受主和施主雜質產生熱運動（即擴散運動）。PN結形成后，在一定高溫下（如燒焊、成型溫度），這時P區濃度特別高的空穴載流子向耗盡區移動，N區濃度特別高的自由電子載流子也向耗盡區移動，由于耗盡層寬度特別窄，流入耗盡區內的空穴和自由電子重新進行復合，從而使得耗盡區展寬，重新形成新的PN結。這種新的PN結在施加反向電壓時，外電場使耗盡區展寬，加強了內電場，耗盡區寬的PN結外電場比耗盡區窄的PN結大，施加的反向電壓比耗盡區窄的PN結高，即擊穿電壓比PN結空穴和自由電子重新復合前的高，所以使得產品燒焊、成型后產品的擊穿電壓值存在上漲現象（漲幅在0.4V～0.9V之間，外延生長后反向擊穿電壓越低，所形成的PN結在后續工序中溫度對它的影響也越大，在經過燒焊、成型溫度后擊穿電壓值的漲幅高），從而導致采用該生長方式的產品電壓對檔率低，以某產品為例，電壓對檔率不到40%。

2.3由于外延生長過程形成的外延層的致密性不高、PN結缺陷較多、外延層厚度較薄，芯片在經過燒焊（燒焊溫度680℃）后，鋁融化后（鋁原子的擴散速率較快）透過致密性不高且薄的外延層，形成“鋁釘”效應，導致芯片PN結穿通，穿通率達到30%以上。

2.4采用N型外延生長工藝技術，形成的PN結缺陷較多。

3、P型外延生長工藝技術的優勢

3.1通過調節P型外延生長雜質濃度，可以在1070℃的生長溫度下，形成致密性好、生長缺陷少的PN結，結特性質量可靠性高。

3.2P型外延生長工藝技術是采用雜質濃度特別高的N型襯底，在1070℃左右的生長溫度下保證最佳單晶外延層的形成，在70 min的外延生長時間下，保證足夠致密、厚度的外延層，并通過調整P型外延摻雜濃度能夠很好的實現擊穿電壓在5.5V～7.0V之間的外延芯片。在生長過程中，由于P型外延摻雜濃度相對于襯底濃度偏低，在生長時，雜質從濃度高的襯底向外延層擴散，逐步耗盡、反型，并最終形成PN結，外延生長后形成的PN結為單邊突變結，形成后的PN結兩邊的雜質濃度比原有外延方式下形成的PN結的偏低。這種PN結在一定高溫下（如燒焊、成型溫度），由于PN結兩邊附近的N區和P區的雜質濃度都較低，隨溫度的影響變化小，N區中的自由電子和P區中的空穴都很難向耗盡層里移動，即產品在燒焊、成型后PN結的耗盡層寬度和內電場不會產生較大的變化，所以在多層外延產品生產過程中外延生長后測試的反向擊穿電壓范圍與產品成型后的產品反向擊穿電壓范圍基本一致。以BWA54產品為例，電壓對檔率可達到70%以上。

3.3由于外延生長過程形成的外延層的致密性高、PN結缺陷少、外延層厚度較厚，芯片在經過燒焊（燒焊溫度680℃）后，鋁融化后（鋁原子的擴散速率較快）很難透過致密性高且厚的外延層，不會對PN結特性產生影響，燒焊后無產品穿通。

3.4采用P型外延生長工藝技術，形成的PN結缺陷少，結特性質量可靠性高。

4、P型外延生長工藝技術的原理

采用N型拋光硅片作襯底進行P型外延生長替代原來的P型拋光單晶硅片作襯底進行N型外延生長的生長方式，形成的PN結為為單邊突變結（如圖2所示），結特性質量可靠性高，其作用拓展了外延生長方式，提高了產品成品率及質量可靠性。其生長原理為：在生長時，雜質從濃度高的襯底向外延層擴散，逐步復合、耗盡、反型，并最終達到PN結兩邊雜質濃度的動態平衡，并在外延層內逐步形成PN結。

該工藝技術解決了原有外延生長方式下存在的外延層缺陷較多、厚度較薄、電壓對檔率低、功率老煉淘汰率高等幾個方面的問題。

5、P型外延生長工藝技術的應用

采用這種新的芯片制作技術，拓展了擊穿電壓在5.5V～7.0V之間硅電壓調整二極管產品的芯片制作方式，為以后新產品的研發提供更好的芯片制作技術，為軍工產品拓展、市場推廣等方面打下堅實基礎，具有很高的應用價值。

參考文獻：

[1]《模擬電子技術基礎》 第三版（清華大學電子學教研組 編）

[2]《晶體管原理與設計》第2版陳星弼張慶中編著

[3]《半導體物理學》第6版劉恩科朱秉升羅晉生等編著

[4]《微電子器件工藝》 李乃平主編華中理工大學出版社

[5]《半導體器件工藝》 電子工業半導體專業工人技術教材編寫組