关于低阻P型外延生长技术的研究

徐年惠

摘 要：外延生长技术作为半导体行业芯片制造技术的主流技术，一直被国内外半导体行业沿用至今，近年来随着半导体行业的飞速发展，高阻外延生长技术被各电子元器件生产厂家广泛采用，而低阻外延生长技术，由于工艺要求高、工艺控制难度大，在国内半导体行业的应用越来越少，尤其是采用N型抛光衬底硅片进行低阻P型外延生长的工艺技术，在国内几乎没有电子元器件生产厂家采用该工艺技术，对该技术的研究有助于军用特殊低压二极管产品的设计开发提供新的芯片制作工艺途径。

关键词：P型外延生长 低阻

1、引言

随着我国国防建设的快速发展和不断进步，电子元器件的性能及质量可靠性水平已严重制约着国家航天、航空、兵器、船舶、电子等国家重点工程配套和星载、运载、弹载、机载等各种武器装备工程的发展，近年来随着国产化替代项目的推进，较多军用特殊低压二极管产品要实现国产的难度特別大，这部分产品的国产化，缺乏新技术、新材料、新工艺的支撑，对新技术、新材料、新工艺的研究，有助于军用国产化项目的推进。

从上世纪60年代开始，我国在应用外延生长技术以来，普遍应用于各半导体行业电子元器件的芯片制作，近年来随着半导体行业的飞速发展，高阻外延生长技术被各电子元器件生产厂家广泛采用，而低阻外延生长技术，由于工艺要求高、工艺控制难度大，在国内半导体行业的应用越来越少，尤其是采用N型抛光衬底硅片进行低阻P型外延生长的工艺技术，在国内几乎没有电子元器件生产厂家采用该工艺技术，对该技术的研究有助于军用特殊低压二极管产品的设计开发提供新的芯片制作工艺途径。

近年来，随着国防科学技术的发展和需要，航天、航空、船舶、兵器、电子等重点工程对击穿电压在5.5-7.0V的稳压二极管产品需求量越来越大，其中高质量等级产品每年订货量也在逐年增加，在现有芯片工艺条件下生产产品的质量可可靠性不高，为满足国家重点工程的配套需要，对新的芯片制作工艺研究势在必行。

2、现有N型外延生长工艺技术存在的不足

2.1目前外延衬底采用目前我厂外延工艺允许的最高掺杂浓度的P型抛光硅片（电阻率为：0.002～0.003Ω.cm），外延生长采用“过饱和”的掺磷方式，在采用四氯化硅作为生长源的条件下，要实现5.5V～7.0V 的PN结反向击穿电压，只能在较低的1050℃的生长温度下进行（该生长温度为形成良好硅单晶层的最低温度，形成最佳硅单晶层的温度在1070℃左右），在该温度下形成的外延层结构的致密性不高，PN结缺陷较多；由于外延生长时间与形成的PN结反向击穿电压成正比例关系，使得外延生长时间不宜过长，从而导致外延层厚度较薄（25～30um）。

2.2由于该生长方式的衬底和外延层的掺杂浓度特别高，使得形成的芯片PN结为典型的双边突变型PN结，该方式形成的PN结耗尽层宽度特别窄（约0.5um左右），耗尽层两边的P区、N区的杂质浓度特别高，这种高浓度的P区、N区对温度特别敏感，容易使受主和施主杂质产生热运动（即扩散运动）。PN结形成后，在一定高温下（如烧焊、成型温度），这时P区浓度特别高的空穴载流子向耗尽区移动，N区浓度特别高的自由电子载流子也向耗尽区移动，由于耗尽层宽度特别窄，流入耗尽区内的空穴和自由电子重新进行复合，从而使得耗尽区展宽，重新形成新的PN结。这种新的PN结在施加反向电压时，外电场使耗尽区展宽，加强了内电场，耗尽区宽的PN结外电场比耗尽区窄的PN结大，施加的反向电压比耗尽区窄的PN结高，即击穿电压比PN结空穴和自由电子重新复合前的高，所以使得产品烧焊、成型后产品的击穿电压值存在上涨现象（涨幅在0.4V～0.9V之间，外延生长后反向击穿电压越低，所形成的PN结在后续工序中温度对它的影响也越大，在经过烧焊、成型温度后击穿电压值的涨幅高），从而导致采用该生长方式的产品电压对档率低，以某产品为例，电压对档率不到40%。

2.3由于外延生长过程形成的外延层的致密性不高、PN结缺陷较多、外延层厚度较薄，芯片在经过烧焊（烧焊温度680℃）后，铝融化后（铝原子的扩散速率较快）透过致密性不高且薄的外延层，形成“铝钉”效应，导致芯片PN结穿通，穿通率达到30%以上。

2.4采用N型外延生长工艺技术，形成的PN结缺陷较多。

3、P型外延生长工艺技术的优势

3.1通过调节P型外延生长杂质浓度，可以在1070℃的生长温度下，形成致密性好、生长缺陷少的PN结，结特性质量可靠性高。

3.2P型外延生长工艺技术是采用杂质浓度特别高的N型衬底，在1070℃左右的生长温度下保证最佳单晶外延层的形成，在70 min的外延生长时间下，保证足够致密、厚度的外延层，并通过调整P型外延掺杂浓度能够很好的实现击穿电压在5.5V～7.0V之间的外延芯片。在生长过程中，由于P型外延掺杂浓度相对于衬底浓度偏低，在生长时，杂质从浓度高的衬底向外延层扩散，逐步耗尽、反型，并最终形成PN结，外延生长后形成的PN结为单边突变结，形成后的PN结两边的杂质浓度比原有外延方式下形成的PN结的偏低。这种PN结在一定高温下（如烧焊、成型温度），由于PN结两边附近的N区和P区的杂质浓度都较低，随温度的影响变化小，N区中的自由电子和P区中的空穴都很难向耗尽层里移动，即产品在烧焊、成型后PN结的耗尽层宽度和内电场不会产生较大的变化，所以在多层外延产品生产过程中外延生长后测试的反向击穿电压范围与产品成型后的产品反向击穿电压范围基本一致。以BWA54产品为例，电压对档率可达到70%以上。

3.3由于外延生长过程形成的外延层的致密性高、PN结缺陷少、外延层厚度较厚，芯片在经过烧焊（烧焊温度680℃）后，铝融化后（铝原子的扩散速率较快）很难透过致密性高且厚的外延层，不会对PN结特性产生影响，烧焊后无产品穿通。

3.4采用P型外延生长工艺技术，形成的PN结缺陷少，结特性质量可靠性高。

4、P型外延生长工艺技术的原理

采用N型抛光硅片作衬底进行P型外延生长替代原来的P型抛光单晶硅片作衬底进行N型外延生长的生长方式，形成的PN结为为单边突变结（如图2所示），结特性质量可靠性高，其作用拓展了外延生长方式，提高了产品成品率及质量可靠性。其生长原理为：在生长时，杂质从浓度高的衬底向外延层扩散，逐步复合、耗尽、反型，并最终达到PN结两边杂质浓度的动态平衡，并在外延层内逐步形成PN结。

该工艺技术解决了原有外延生长方式下存在的外延层缺陷较多、厚度较薄、电压对档率低、功率老炼淘汰率高等几个方面的问题。

5、P型外延生长工艺技术的应用

采用这种新的芯片制作技术，拓展了击穿电压在5.5V～7.0V之间硅电压调整二极管产品的芯片制作方式，为以后新产品的研发提供更好的芯片制作技术，为军工产品拓展、市场推广等方面打下坚实基础，具有很高的应用价值。

参考文献：

[1]《模拟电子技术基础》 第三版（清华大学电子学教研组 编）

[2]《晶体管原理与设计》第2版陈星弼张庆中编著

[3]《半导体物理学》第6版刘恩科朱秉升罗晋生等编著

[4]《微电子器件工艺》 李乃平主编华中理工大学出版社

[5]《半导体器件工艺》 电子工业半导体专业工人技术教材编写组