硅基底的CVD扩磷工艺研究

杨 旭， 何晓雄， 胡冰冰， 马志敏

（合肥工业大学 电子科学与应用物理学院，安徽 合肥 230009）

单晶硅的主要用途是用作半导体材料、利用太阳能光伏发电和供热等［1－3］。单晶硅具有完整性好、纯度高、资源丰富、技术成熟、工作效率稳定和使用寿命长等优点［4］。20世纪70年代以前，实现半导体掺杂主要是采用高温扩散法进行［5－7］，掺杂后的单晶硅可用于薄膜衬底材料、超大规模集成电路及太阳能电池［8］。

本文采用化学气相沉积设备进行扩磷实验，其原理是通过高温扩散中的固态源扩散来实现磷扩散，对单晶Si片（100）上化学气相沉积（chemi－cal vapour deposition，简称CVD）扩磷工艺参数和性能进行研究。首先用CVD法对单晶Si（100）基底进行磷掺杂，改变扩磷时间和温度。用原子力显微镜（AFM）观察扩磷前后的表面形貌，用半导体特性测试仪测试扩磷前后的I－V曲线并进行分析，得到最佳扩磷工艺参数。

1 硅基底的CVD扩磷工艺

1.1 硅基底的清洗

硅基底清洗的目的是清除晶片表面的污染物，如微粒、有机物及金属离子等杂质。清洗步骤为：硅片在丙酮溶液中先浸泡2h后超声波清洗15min，随后依次在无水乙醇和去离子水中各超声波清洗15min，清洗完毕用吸耳球将硅片吹干。

1.2 硅基底CVD扩磷实验

硅基底CVD扩磷所用设备为沈阳科学仪器有限公司生产的管式高温真空炉，扩散源为固态红磷（P），其纯度为99.999%，保护气体为纯度为99.99%氩气（Ar）。硅片和红磷分别放在2个长度为77mm的瓷舟里。

硅掺杂的扩散温度［9］通常为800～1 200℃。高温下，单晶Si固体中会产生空位和填隙原子之类的点缺陷［10］。

Si基底CVD扩磷工艺如下：

（1）向高温炉中通入氩气，当高温炉中的气压与外界气压相同时，气体将高温炉门顶开，关闭气体。将炉口密封圈处用酒精擦拭干净，保证高温炉的密闭性。

（2）将清洗好的硅基底放在瓷舟上，放入石英管375mm的位置，该位置为高温炉第1温区。将红磷装满2个瓷舟，一个瓷舟放在石英管中240mm的位置，另一个瓷舟放在石英管中163mm的位置，关闭炉门。

（3）用氩气清洗气路和高温炉腔体3遍，关闭氩气，打开机器泵开始抽真空，时间为30min。

（4）抽真空30min后，打开升温系统开始升温，升温时间为2h。

（5）温度到达200℃时开始以10mL／min的流量通入氩气，在温度为500℃时关闭机械泵阀门。

（6）当温度升到扩磷温度（1 050℃／1 150℃）时，通过高温热扩散运动向硅基底扩磷。高温炉内压强维持在2.1×104～3.1×104Pa。

（7）当达到实验时间（2.0、4.0、6.0h）后，打开机械泵阀门，同时将氩气流量调节到70mL／min，30min后关闭氩气，关闭机械泵；关闭加热电源。

（8）当高温炉内温度降到室温后将样品取出待检测。

扩磷的样品和磷粉放置位置示意图如图1所示。常用硅基底CVD扩磷工艺的药品有红磷（P）和五氧化二磷（P2O5）2种，由于P2O5具有强腐蚀性，受热或遇水分解放热，放出有毒的腐蚀性烟气［11］，在空气中吸湿潮解，接触有机物会引起燃烧的危险，所以本实验选用相对稳定的固态红磷作为扩磷源。

图1 扩磷的样品和磷粉放置位置示意图

虽然红磷相对稳定，但是在高温下蒸发会部分冷凝成白磷（P4），所以实验结束后要等到高温炉内部温度降到40℃以下，氩气将高温炉的炉门顶开才能取出样品，防止温度过高或者进入大量空气P4自燃。取样品时要带上口罩和手套等防护工具。由于设备原因，高温炉实际温度达到1 050℃和1 150℃的时间略有不同。

2 硅基底扩磷后性能表征

2.1 X射线光电子能谱分析

X射线光电子能谱分析采用美国Thermo生产的ESCALAB250型号X射线光电子能谱仪。

扩磷温度为1 050℃条件下，不同扩磷时间的硅基底X射线光电子能谱如图2所示。

图2 1 050℃不同扩磷时间的X射线光电子能谱图

从图2可以看出，在扩磷温度为1 050℃条件下，扩磷时间6h与3h相比，P原子数较多。随着扩磷时间的增加，P含量增加，所以6h的P1s峰明显增强。

2.2 扩磷时间和温度对硅基底表面形貌的影响

观察硅基底表面形貌所用仪器为本原纳米仪器有限公司的CSPM4000型扫描探针显微镜；测量硅基底I－V特性所用仪器为KEITHLEY公司的4200－SCS型半导体特性测试仪。

硅基底未扩磷之前的表面形貌如图3所示，扫描范围为50μm×50μm。由图3可以看出，硅基底的表面粗糙度为0.488nm，晶粒的平均尺寸为597nm。

在1 050℃件下，不同扩磷时间的硅基底表面形貌，如图4所示，扫描范围为50μm×50μm。由图4可以看出，扩磷时间为2、4、6h时，硅基底表面粗糙度分别为0.643、0.888、0.899nm，晶粒的平均尺寸分别为777、554、537nm。

图3 硅基底未扩磷前的表面形貌

图4 1 050℃不同扩磷时间下的表面形貌

与未扩散的硅基底相比，扩磷2、4、6h的硅基底表面粗糙度变大，扩磷2h的硅基底晶粒的平均尺寸变大，而扩磷4h和6h的平均尺寸变小。

1 150℃件下，不同扩磷时间的硅基底表面形貌，如图5所示，扫描范围为50μm×50μm。由图5可看出，扩磷时间为2、4、6h时，硅基底表面粗糙度分别为0.553、1.23、0.866nm，晶粒的平均尺寸分别为746、552、458nm。

图5 1 150℃不同扩磷时间下的表面形貌

与未扩散的硅基底相比，扩磷2、4、6h的硅基底表面粗糙度变大。扩磷2、6h时，1 150℃的硅基底表面粗糙度均小于1 050℃的表面粗糙度，而当扩磷4h时，1 150℃的硅基底表面粗糙度高于1 050℃的表面粗糙度。1 150℃条件下硅基底晶粒的平均尺寸低于1 050℃硅基底。

2.3 扩磷时间和温度对电学特性的影响

硅基底尺寸为5mm×10mm，测量时2个探针之间的距离为1mm。1 050℃条件下，硅基底扩磷前后的电学性质由I－V（电流－电压）曲线表征，如图6所示。

从图6可以看出，随着扩磷时间的增加，扩磷后硅基底的电阻值逐渐减小。这是因为随着扩散时间的延长，掺入单晶硅基底的杂质越多，电阻值则越小。

1 150℃与1 050℃条件下，硅基底扩磷后的电学性质由I－V曲线表征，如图7所示。

从图7可以看出，相同扩磷时间下，1 150℃硅基底比1 050℃硅基底的电阻值小。这是因为当温度升高时，磷原子获得越过势垒的能量几率增加，且缺陷增多增大，非常有利于磷原子的扩散。

图6 1 050℃不同扩磷时间下与未扩磷前硅基底的I－V特性对比

图7 1 050℃与1 150℃相同扩磷时间I－V特性对比

从图7可以看出，1 150℃条件下，随着扩磷时间的增加，扩磷后硅基底的电阻值逐渐减小。

3 结 论

利用硅基底的CVD扩磷工艺，在1 050℃／1 150℃，采用2、4、6h的扩磷时间制备的扩磷硅基底的表面粗糙度随着时间的增加变大，晶粒的平均尺寸随着时间的增加逐渐变小。硅基底扩磷前后的I－V特性曲线说明：未扩磷的硅基底电阻很大；经过CVD扩磷工艺后，硅基底的电阻值明显变小。

在相同温度下，随着扩磷时间的增加，扩磷后硅基底的电阻值明显变小。在相同扩磷时间下，1 150℃条件下扩磷硅基底的电阻值比1 050℃条件下扩磷硅基底的电阻值小。

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