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

目前CVD外延技術根據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腔和較高的生產效率，如LPE公司的2061S型桶式外延爐，生產101.6 mm、127 mm、152.4 mm外延片單位制程產量可達到14～30片，效率高于平板式的3061型[2]，在工業化大批量生產中有廣泛應用，是中小功率管等消費類電子器件量產的優先選擇。

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

2 實驗過程

2.1 生產設備

生產設備采用意大利產LPE 2061S型桶式外延爐，其反應腔如圖1所示。

圖1 LPE 2061S型桶式外延爐反應腔

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

本文涉及的實驗均采用SiHCl3與H2反應生成Si的反應過程，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（spreading resistance profile，SRP）是利用金屬探針與半導體材料點接觸處電流-電壓曲線特性來得到半導體材料縱向電阻率分布的技術，可以表征硅片中的雜質分布，因其具有空間分辨率優越、測試簡捷且結果直觀的特點，廣泛應用于外延片測試中[8]。本文實驗通過SRP技術進行表征硅外延片的縱向電阻率分布，采用SSM-2000擴展電阻測試設備，應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 實驗方案及結果

該現象發現于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波浪形貌，且左右點互為正弦反弦波動，而其余測試點呈現常規直線形。

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，從理論角度進行分析：波浪形貌特征從外延層即開始出現，而不是到達特定厚度開始表現，因此認為厚度為非相關因素，結合桶式外延爐在外延過程中保持交替順逆時針旋轉的特征，重點對外延主要參數和旋轉參數進行了實驗比對分析，整體實驗結果見表2。

表2 實驗樣本條件和結果

2.3.1 溫度相關性分析

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），均呈現波浪形貌，可知溫度非產生該現象的影響條件。

2.3.2 生長速率相關性分析

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），均呈現波浪形貌，可知生長速率非產生該現象的影響條件。

2.3.3 轉速相關性分析

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

2.3.4 掛件阻擋分析

樣本1生產時坑位兩側有掛件起到阻擋氣流的作用，取消兩側掛件阻擋制作了樣本8，仍然出現波浪形貌的擴展電阻圖形，可知掛件非產生該現象的影響條件（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，從實驗結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。

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，未出現波浪形貌縱向電阻率分布現象。

圖4 8面和7面桶式基座對比圖(俯視)

表3 8面和7面基座尺寸參數和對比實驗結果

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然后進行逆時針旋轉，而硅片左右點波浪形貌互為正反弦，因此該現象的產生應與基座本身的旋轉運動相關。

調整順逆時針旋轉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交替旋轉，對從上至下的氣流產生干擾，產生了氣流滯留層，導致摻雜濃度分布不均勻，進而產生波浪形貌擴展電阻現象。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，波浪形擴展電阻現象消除。

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

4 結論

本研究應用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、轉速、掛件、摻雜濃度）進行對比驗證，發現波浪形貌縱向電阻率分布是在高摻雜濃度時（對應磷原子濃度在2.34×1015～3.16×1015/cm3左右）因桶式基座面氣流干擾產生的現象，且通過實驗驗證發現，調整基座面尺寸可以消除該現象。

目前雖未發現此現象對產品有負面影響，但期望該研究可以為后續硅外延設備和工藝的精細化設計提供指導依據，以利于具有特殊縱向電阻率分布需求的外延制備的實現。