多層硅外延中自摻雜現象研究

宋曉東

摘?要：本文主要對多層硅外延自摻雜現象的進行科學研究，并分析了不同工藝處理條件對其自摻雜現象的影響，提出幾點改善措施，期望對相關多層硅自摻雜現象研究人員有幫助。

關鍵詞：多層硅;外延;自摻雜現象

科學界對多層硅外延自摻雜現象的研究已有很多年，研究過程中提出了諸如固態擴展模型、靜態擴展模型以及表面吸附模型等。隨著微電子技術的不斷進步，多層硅自摻雜生長技術已經在許多半導體器件中大量應用。

1 多層硅外延自摻雜試驗以及數據整理分析

為了有效研究多層硅外延自摻雜現象，本實驗采用高頻加熱的多層硅外延設備，設備基座為碳化硅（SiC）高純度石墨體，該石墨體最佳生長溫度為1000℃，恒溫下平均生長速度為028um/min，n型摻雜試劑可為PH3以及AsH3，本文設計的試驗主要使用PH3，多層硅硅源為四氯化硅（SiCl4），本試驗系統本底濃度設定為4.98*1013cm-3。

在該濃度下，雙層硅的生長工藝執行步驟為：首先生長15um，5.0*1016cm-3的第m層，其次再生長1.5um的第m-層，此時對多層硅進行摻雜，并觀察多層硅生長效果[1]。

由實驗結果分析可知，m-m-過渡區的寬度明顯的要大于多層硅固態擴散所產生的過渡區域寬度，平區載流子濃度明顯高于試驗系統本底濃度，這有效說明了雙層硅除了具有固態擴散造成硅外延化學沉積以外還具有明顯的n形雜質自摻雜現象。自摻雜現象產生的科學解釋原因如下：

（1）雙層硅具有固態擴散形成化學沉積以及背景自摻雜現象。

（2）雙層硅生長到m層之后，n型雜質滯留于晶片以及多層硅基座表面。

（3）n型雜質被吸附于晶片以及基座表面。

（4）在高溫環境中，n型多層硅雜質容易向外揮發。

試驗所需設備以及材料準備妥當之后，現在進行多層硅雜質滯留對自摻雜現象影響的研究，設計了五個試驗，分別如下：

試驗一：試驗首先將雙層硅進行生長直至長到m層，載流子初始濃度設定為4.6*1016cm-3，m層多層硅生長完畢以后，使用氫氣（H2）對硅沖洗八分鐘，然后對不摻雜的m-進行生長。從實驗中可得知，多層硅m層生長完畢以后，會發生硅外延沉積現象，而造成m-m-過度區的原因是由于n型雜質的滯留沉積。n型雜質滯留產生硅外延沉積是硅主要的多層硅自摻雜現象影響因素。

試驗二：待雙層硅生長至m層以后，對高純度石墨體基座進行重新處理，增用多晶體純硅，裝入高電阻單晶底座，在雙層硅的生長過程中不摻雜任何外延層。由實驗結果可以看出，多層硅背景摻雜濃度主要為2*1014/cm3，并且雜質均勻分布于硅中，該實驗說明雙層硅生長至第m層以后，產生了2*1014/cm3的背景摻雜。這種情況產生的原因主要涉及是由于雙層硅生長至第m層時，硅表面發生n型雜質吸附現象，產生多層硅外延化學沉積，從而對多層硅的外延生長現象造成影響。

試驗三：首先對試驗基座進行清潔處理，裝入高電阻硅襯底片，在生長溫度達到800℃左右時通入PH3，濃度與生長m層的相同，生長時間為4分鐘，4分鐘過后在1000℃氫氣中進行清洗，沖洗時間最好為8分鐘左右。最后生長m-層。由實驗結果可以得出，高溫下試驗基座中的n型雜質的揮發是n型雜質氣相自摻雜現象形成的最主要原因。

試驗四：多層硅n層生長完畢以后對溶液進行降溫處理，去除多層硅外延片，并清潔試驗基座，按照試驗2的步驟，將溫度升高到1000℃，沖洗8分鐘左右，對多層硅的m-進行生長，通過實驗結果可以得出，影響多層硅氣相自摻雜的主要原因是晶片m層中n型雜質揮發。

2 不同工藝技術對多層硅外延自摻雜現象的影響

多層硅主要工藝條件為外延生長溫度、摻雜劑種類以及生長速率、主氣流速率變化。

其中，溫度升高時，晶體中雜質固態擴散程度增強，試驗基座外延層中n型雜質揮發性變強，最終導致了多層硅m-層雜質自摻雜現象更加嚴重。

通常，試驗主要使用PH3以及AsH3作為n型摻雜劑，硅中的擴散系數P遠大于As，因此，生長溫度相同時，As固態擴散程度會得到減小，有效控制硅外延沉積對多層硅外延自摻雜現象的影響。另外，P的揮發率要遠遠低于As的揮發率，因此使用AsH3作為n型摻雜劑時，增加了多層硅氣相自摻雜現象的產生。多層硅生長速率以及主氣流的變化對試驗基座及晶片中n型雜質的揮發速率沒有多少影響，因此對多層硅氣相自摻雜現象的影響不是很大，要求不高的情況下可以忽略不計[2]。

除了上訴工藝技術以外，鍵合技術是一種新興方法，工作原理是將多層硅表面加工以及體硅加工有效結合，這種方法操作簡單，可以有效減少多層硅外延自摻雜現象的發生，科技人員就可以適當采用推廣。

3 改善多層硅外延自摻雜現象的有效措施

減小多層硅外延自摻雜現象的方法主要有三種，分別是低溫處理、第二步外延以及雙室法生長外延等三種方法。

對于第一種方法，適當降低多層硅生長溫度即可有效減少其外延自摻雜現象的發生。

對于第二種方法，試驗中進行多層硅m-層生長時應當首先生長第一薄層，之后對多層硅進行長時間大流量氫氣沖洗，然后再進行m-層生長。理由是第一步生長的薄層可以當做一個保護層，對m層中的n型雜質的向外揮發能夠起到很好的阻止作用。第一步生長結束后長時間氫氣沖洗能夠有效除去生長過程中殘留的n型雜質，減少硅外延沉積，降低對多層硅外延自摻雜現象的影響。

第三種方法主要原理是先生長m層多層硅，生長完畢以后進行降溫，并將氫氣中的硅片移到m-室進行m-層生長，這個過程沒有背景摻雜以及實驗基座n型的玷污，所以大大降低了多層硅外延自摻雜現象的發生。

4 結語

通過本文對多層硅外延自摻雜現象的研究，明確了各種工藝手段對這種現象的影響程度，研究人員應盡量采取降低溫度等措施減少多層硅外延自摻雜現象的發生，促進我國多層硅相關技術的快速發展。

參考文獻：

[1]賀勇.硅基鋰離子電池負極材料的制備和電化學性能研究[D].湖南工業大學，2019.

[2]付會霞.硅基二維量子材料的第一性原理設計[D].中國科學院大學（中國科學院物理研究所），2017.