无夹层P型高阻硅外延材料制备研究

周幸

【摘 要】P型高阻硅外延片作为制备光电器件的关键支撑材料，对电阻率提出极高要求，单在生长过程中极易出现夹层而影响后续器件性能。本文通过对外延过程中的杂质浓度变化趋势研究，通过分阶段主动控制P型补偿杂质，成功制备了电阻率大于1500cm的P型高阻外延，并避免了高阻夹层的出现。

【关键词】硅外延片；P型高阻；高阻夹层

中图分类号：TN305.2 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）14-0079-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.14.034

0 引言

随着半导体器件工艺的发展，材料的作用日益重要，甚至已经成为制约器件性能的核心技术。硅基光电探测器是一类非常重要的探测器，该类器件以硅材料为基底，通过半导体注入工艺在特定厚度有源层实现；该类器件多为少子工作，对材料载流子浓度提出了较高的要求，根据器件工作范围不同，要求基底材料电阻率在1000～10000Ω·cm之间；同时，随着对器件品质要求不断提高，器件设计者希望基底材料为N-/N+或者P-/P+的结构替代器件的扩散工艺以提升器件的压降值，即以外延片替代区熔单晶[1]。

外延层电阻率由外延层载流子浓度决定，受气体提纯技术制约，电子级的高纯度硅源（三氯氢硅）呈现N型，其本征电阻率约为1800Ω·cm。因此，制备P型高阻材料必须通过严格控制P型杂质掺杂量补偿硅源中的N型杂质实现，而在补偿掺杂过程中如N型杂质与P型杂质浓度相当，则出现阻值极高N/P型临界的补偿高阻夹层，导致器件工艺过程中出现反型导致器件失效[2-3]。

本文通过抑制硅外延生长过程中的N型非主动掺杂杂质，并控制主动掺杂杂质硼烷剂量，成功制备了P型高阻硅外延片。通过四探针测试仪、扩展电阻测试仪研究了外延生长过程中外延层导电类型和电阻率的影响因素；通过分阶段控制主动掺杂浓度有效避免高阻夹层出现。

1 实验

1.1 实验设备

本实验采用了LPE2061筒式外延炉。该设备感应线圈在反应室外，消除了线圈沾污的影响，适于制备高阻硅外延材料。

1.2 衬底材料

为满足P型高阻外延片的参数要求，本实验选用直径为（150±0.2）mm掺的硅单晶衬底进行外延生长。衬底材料晶向为<100>±0.5，导电类型为P型，厚度为（625±25）μm，电阻率为（0.01～0.02）Ωcm，衬底背面采用双层背封处理，包覆有（8000±1000）的硅多晶背封层与（5000±1000）的SiO2背封层。双层背封层可以有效抑制外延生长过程中高温条件下的杂质扩散，减少衬底自掺杂杂质的影响。

1.3 外延工艺

P高阻硅外延材料制备过程中，轻微的杂质浓度都将导致外延层电阻率出现大幅度的变化。SiHCl3作为硅外延生长原料，纯度为4N，常温下为液态。H2既是参与反应的气体，还起到了携带SiHCl3气体的作用，纯度为6N。采用SiHCl3液罐直接供液方式，避免运输过程的杂质引入。硼烷气体纯度为5ppm，作为外延生长的掺杂源，用于控制外延层的掺杂浓度。除硅源中固有杂质外，系统环境及衬底本身均是重要的杂质源。为保证制备高质量的P型高阻硅外延材料，必须尽可能降低各类非主动掺杂杂质在外延生长过程中的影响。

本实验先研究了本征生长过程中的杂质浓度变化趋势，在此基础上进行主动的P型雜质渐变补偿掺杂，具体工艺过程如图1所示。

2 结果与讨论

研究发现在低阻衬底生长硅外延工艺初期，外延材料衬底自扩散杂质占据了主导作用。本实验在外延生长初期的300s内（外延层沉积厚度约为7μm），未主动引入任何掺杂杂质，外延层电阻率迅速增加，并且在该过程中并未有拐点出现，这表明该阶段外延层延续了衬底的导电类型即为P型；生长初期底材料自扩散杂质随着外延层沉积厚度的增加而减小，而硅源中的N型杂质浓度可认为是相对恒定的，这就表现为硅源中的N型杂质对衬底自扩散杂质补偿效果在不断增强，即相对P型杂质在外延层的浓度在不断降低，则此时外延层P型电阻率在不断提升；而当系统中N型与P型杂质达到相对平衡状态时，则表现为超高阻，即图中的尖峰位置，该位置可认为是N/P型的转折点；在随着生长时间延长，此时系统中N型杂质浓度已经占据主导，则外延层开始显现N型，而随着系统中P型杂质浓度进一步降低，由于硅源等带来的非主动掺杂N型杂质相对浓度甚至出现了上升，导致外延层电阻率发生了小幅度的下降；而最终系统中N型杂质完全占据主导作用，此时可认为N型杂质处于一个相对恒定的水平，外延层开始平稳的呈现N型，即如图2中左侧平滑曲线所示。

在制备P型高阻材料过程中，由于补偿造成N/P转型，拐点两侧区域内出现了较窄宽度、电阻率接近本征值的超高阻区，通常称为高阻夹层，该区域对于器件而言是致命的，避免过渡区的高阻夹层是制备N/P及P/N这类异质外延的关注重点。

合理的利用N、P型杂质在外延生长初期的补偿效应可以快速提升外延层的电阻率，进而有效的缩短过渡区宽度并避免高阻夹层出现，这在制备P型高阻材料过程中具有非常大的实际意义。

本实验通过在外延生长初期的前200s内进行不带掺杂的本征外延层沉积生长，快速将外延层电阻率由衬底层的10-2Ω·cm提升至10Ω·cm附近，极大的缩短了过渡区宽度；通过LPE自带的变流量掺杂控制程序并结合实际目标电阻率，渐变性的补充系统中P型杂质浓度，成功避免了N型杂质的过度补偿效果，不仅使外延层保持了恒定的导电类型，而且将外延电阻率快速提升至了目标电阻（大于1500Ω·cm）；经过约320s的外延生长后，电阻率已经接近目标值，此时开始恒定进行B2H6，由于此时系统的非主动掺杂杂质相对量已经非常低，因此在后续外延生长过程中外延层有效载流子浓度为主动掺杂B2H6与硅源中固有N型杂质补偿后的综合效果，即外延层表现为稳定的P型高阻，外延层纵向电阻率分布如图3所示。

3 结论

本实验通过研究不带掺杂的外延层电阻率分布变化趋势并结合目标电阻率，确定了在外延层导电类型转型前主动引入P型掺杂杂质，避免N型拐点的出现，并通过在不同生长阶段对主动掺杂杂质浓度进行合理的控制，成功制备了电阻率大于1500Ω·cm的P型高阻硅外延材料，该材料过渡区小于10μm且无夹层。

【参考文献】

[1]Hidenori T， Takao M. Evaluation of Effective Recombination Velocity Related to the Potential Barrier in n/n+Silicon Epitaxial Wafers[J].The Japan Society of Applied Physics，2002，41：1214-1219.

[2]安静.P型硅外延技术的研究[D].河北工业大学，2011.

[3]刘玉玲.用反向补偿原理解决硅CVD外延自掺杂效应[D].河北工学院，1994.