三氯氢硅本征电阻率（纯度）的测试方法

杨 帆，谭卫东，骆 红，孙 健，周海枫

（南京国盛电子有限公司，南京 210038）

1 引言

三氯氢硅（SiHCl3）作为硅外延片的关键原材料，其纯度将直接影响着硅外延层的性能。一般三氯氢硅纯度的测试方法有两种，除采用化学分析方法测试外，通常用生长不掺杂外延层（本征外延层）的方法来确定，即测量三氯氢硅本征生长后的外延电阻率来衡量其纯度。

在硅外延的本征生长过程中，影响三氯氢硅本征电阻率参数的主要因素为系统内的自掺杂。增加硅外延层的厚度可以有效抑制系统自掺杂，但无限制地增加生长时间必然导致生产成本的增加。本文对衬底的选择、生长时间、生长前生产设备的状况等各个方面进行优化分析，选定了一个合理的生长工艺过程来准确评价三氯氢硅的本征电阻率。

2 反应原理

外延工艺是一种薄层单晶生长技术，在一定的条件下，在单晶衬底片上沿单晶的结晶方向生长一层新单晶层。

本实验采用外延生长炉为桶式反应器，桶式反应器由承载硅衬底的加热感应体（基座）和由石英玻璃制作的桶状反应室（钟罩）构成。采用射频感应加热方式。外延的生长过程分为预处理和外延生长两部分：

（1）预处理为生长前的准备工作，即对基座进行包基座处理，在其表面淀积一层硅。

（2）外延生长的具体过程为将硅单晶衬底片放在基座上，在还原性气氛中加热，并输入硅源气体使之反应，生成硅原子淀积在衬底上。外延过程分为掺杂外延和本征外延[1]。本实验的本征外延为一个高温下的还原过程，生长反应过程为：

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

本征外延的生长过程与一般外延的唯一区别是不从系统外人为地引入杂质。通过控制生长过程存在的自掺杂效应来更准确地衡量三氯氢硅（SiHCl3）的本征电阻率。

3 实验和分析

采用同一三氯氢硅（SiHCl3）原料，在设备正常状况下进行工艺试验（清洗后）。

实验一：在线使用生产设备，N型掺砷衬底片，电阻率0.002Ω·cm～0.004Ω·cm，晶向〈111〉。基座包硅处理10min，本征外延生长30μm，生长温度与正常工艺相同。重复10次试验，本征电阻率测试结果为600Ω·cm ～689Ω·cm，平均值为646Ω·cm。

实验二：工艺条件同实验一，另外使用N型掺锑衬底片，电阻率0.01Ω·cm～0.02Ω·cm，晶向〈111〉，重复10次试验，本征电阻率测试结果为1131Ω·cm ～1 567Ω·cm，平均值为1 384Ω·cm。

通过实验一和实验二的区别可以看出，相同生产条件下使用不同掺杂的衬底片，所得到的衬底电阻率远远不同。高温生长外延下，衬底中的杂质由正面和背面以元素形式蒸发出来进入气相中，这些杂质沿着气流方向作扩散，然后在外延生长时又掺入生长层中。当外延生长开始后，衬底正面的杂质蒸发受到了抑制，引起自掺杂的杂质主要是由衬底内扩散到背表面以元素形式蒸发而来。杂质从衬底背面蒸发逸出速率取决于杂质的蒸发系数和在硅中的扩散系数。砷和锑在1 200℃下，在硅中的扩散系数值相近，但是蒸发系数却有较大的差别。砷的蒸发系数为7×10-9cm2/s，锑的蒸发系数＜1×10-10cm2/s[1，2]。显然，使用掺锑的衬底与掺砷的衬底相比可以使自掺杂减少一个数量级，所以其对本征电阻率的影响也相差悬殊。基于现有条件，使用掺锑的衬底可以最大限度地降低对本征外延电阻率的影响。

实验三：工艺条件、设备条件同实验二，本征外延分别生长20μm、30μm、40μm、50μm，本征电阻率测试结果分别为1 201Ω·cm、1 401Ω·cm、1409Ω·cm、1 429Ω·cm。

本征外延的生长时间长，可以有效降低来自包括衬底在内的自掺杂对其电阻率的影响。但是，增长本征外延的生长时间必然违背大批量生产所追求的成本最优化原则。从实验三我们可以得出，在较薄厚度内外延层厚度与本征电阻率的变化趋势成正比。但到一定厚度后，本征电阻率增长不明显。主要是因为随着本征外延层的生长，逐步覆盖了杂质的进一步逸出和扩散[3]，从而减轻了自掺杂对本征电阻率的影响。

实验四：工艺条件同实验二，设备条件分3种，一种为正常批量生产常规低掺杂浓度外延产品（电阻率＞10Ω·cm）后，一种为正常批量生产常规低阻外延产品（1Ω·cm ＜电阻率＜10Ω·cm）后，一种为生产高掺杂浓度外延产品（电阻率＜1Ω·cm）后。本征外延生长30μm，本征电阻率测试结果分别为1 500Ω·cm，980Ω·cm，280Ω·cm。

设备的日常维护一般会有其固定周期，其很难与三氯氢硅的更换周期相重合，如果每次更换三氯氢硅前均进行设备的清洗，必然会影响产能并增加成本。外延生产的过程中，系统不可避免的会有微量的杂质残余，一般来说常规低掺杂浓度的外延产品因为杂质掺杂浓度低，对系统的影响也比较小。从实验四的结果来看，生产不同外延产品的机台状态确实存在较大差异，而对于生产一般常规外延品种（电阻率＞10Ω·cm）的机台，其状态与设备清洗后对本征电阻率的影响差异不大，而对于低阻的产品，则随着掺杂浓度的增加而影响加剧，对本征电阻率的检测存在很大的影响。

4 结论

由以上实验数据可以看出：使用本征硅外延生长的方式检验三氯氢硅的纯度，生长工艺中多个因素对其本征电阻率都有影响：相同生长条件下分别使用掺砷衬底和掺锑衬底，本征电阻率有着明显的差别；本征外延层厚度也对其有着一定的影响；外延前外延设备的清洗与否也影响了本征电阻率的测试值。

基于此，初步结论如下：在以本征硅外延生长方式检验三氯氢硅（SiHCl3）纯度中，可以选用的外延生长工艺条件为：电阻率为0.01Ω·cm～0.02Ω·cm，晶向〈111〉的N型掺锑衬底，基座包硅处理10min，本征外延生长30μm，生长温度与正常工艺相同。可视外延品种的情况决定本征外延生长前是否需要对设备进行清洗。此方法可以客观地对三氯氢硅纯度进行评价。

[1] 杨树人，丁墨元. 外延生长技术[M]. 北京：国防工业出版社，1992.107-141.

[2] 王志强，等. 电子工业生产技术手册·半导体与集成电路卷6（半导体材料）[M]. 北京：国防工业出版社，1989. 185-219.

[3] 唐有青，等. 硅外延双层结构的厚度测量[J]. 电子与封装，2009，9（9）：5-7.