多层硅外延中自掺杂现象研究

来源:用户上传      作者:宋晓东

　　摘 要：本文主要对多层硅外延自掺杂现象的进行科学研究，并分析了不同工艺处理条件对其自掺杂现象的影响，提出几点改善措施，期望对相关多层硅自掺杂现象研究人员有帮助。
　　关键词：多层硅;外延;自掺杂现象
　　科学界对多层硅外延自掺杂现象的研究已有很多年，研究过程中提出了诸如固态扩展模型、静态扩展模型以及表面吸附模型等。随着微电子技术的不断进步，多层硅自掺杂生长技术已经在许多半导体器件中大量应用。
　　1 多层硅外延自掺杂试验以及数据整理分析
　　为了有效研究多层硅外延自掺杂现象，本实验采用高频加热的多层硅外延设备，设备基座为碳化硅（SiC）高纯度石墨体，该石墨体最佳生长温度为1000℃，恒温下平均生长速度为028um/min，n型掺杂试剂可为PH3以及AsH3，本文设计的试验主要使用PH3，多层硅硅源为四氯化硅（SiCl4），本试验系统本底浓度设定为4.98*1013cm-3。
　　在该浓度下，双层硅的生长工艺执行步骤为：首先生长15um，5.0*1016cm-3的第m层，其次再生长1.5um的第m-层，此时对多层硅进行掺杂，并观察多层硅生长效果[1]。
　　由实验结果分析可知，m-m-过渡区的宽度明显的要大于多层硅固态扩散所产生的过渡区域宽度，平区载流子浓度明显高于试验系统本底浓度，这有效说明了双层硅除了具有固态扩散造成硅外延化学沉积以外还具有明显的n形杂质自掺杂现象。自掺杂现象产生的科学解释原因如下：
　　（1）双层硅具有固态扩散形成化学沉积以及背景自掺杂现象。
　　（2）双层硅生长到m层之后，n型杂质滞留于晶片以及多层硅基座表面。
　　（3）n型杂质被吸附于晶片以及基座表面。
　　（4）在高温环境中，n型多层硅杂质容易向外挥发。
　　试验所需设备以及材料准备妥当之后，现在进行多层硅杂质滞留对自掺杂现象影响的研究，设计了五个试验，分别如下：
　　试验一：试验首先将双层硅进行生长直至长到m层，载流子初始浓度设定为4.6*1016cm-3，m层多层硅生长完毕以后，使用氢气（H2）对硅冲洗八分钟，然后对不掺杂的m-进行生长。从实验中可得知，多层硅m层生长完毕以后，会发生硅外延沉积现象，而造成m-m-过度区的原因是由于n型杂质的滞留沉积。n型杂质滞留产生硅外延沉积是硅主要的多层硅自掺杂现象影响因素。
　　试验二：待双层硅生长至m层以后，对高纯度石墨体基座进行重新处理，增用多晶体纯硅，装入高电阻单晶底座，在双层硅的生长过程中不掺杂任何外延层。由实验结果可以看出，多层硅背景掺杂浓度主要为2*1014/cm3，并且杂质均匀分布于硅中，该实验说明双层硅生长至第m层以后，产生了2*1014/cm3的背景掺杂。这种情况产生的原因主要涉及是由于双层硅生长至第m层时，硅表面发生n型杂质吸附现象，产生多层硅外延化学沉积，从而对多层硅的外延生长现象造成影响。
　　试验三：首先对试验基座进行清洁处理，装入高电阻硅衬底片，在生长温度达到800℃左右时通入PH3，浓度与生长m层的相同，生长时间为4分钟，4分钟过后在1000℃氢气中进行清洗，冲洗时间最好为8分钟左右。最后生长m-层。由实验结果可以得出，高温下试验基座中的n型杂质的揮发是n型杂质气相自掺杂现象形成的最主要原因。
　　试验四：多层硅n层生长完毕以后对溶液进行降温处理，去除多层硅外延片，并清洁试验基座，按照试验2的步骤，将温度升高到1000℃，冲洗8分钟左右，对多层硅的m-进行生长，通过实验结果可以得出，影响多层硅气相自掺杂的主要原因是晶片m层中n型杂质挥发。
　　2 不同工艺技术对多层硅外延自掺杂现象的影响
　　多层硅主要工艺条件为外延生长温度、掺杂剂种类以及生长速率、主气流速率变化。
　　其中，温度升高时，晶体中杂质固态扩散程度增强，试验基座外延层中n型杂质挥发性变强，最终导致了多层硅m-层杂质自掺杂现象更加严重。
　　通常，试验主要使用PH3以及AsH3作为n型掺杂剂，硅中的扩散系数P远大于As，因此，生长温度相同时，As固态扩散程度会得到减小，有效控制硅外延沉积对多层硅外延自掺杂现象的影响。另外，P的挥发率要远远低于As的挥发率，因此使用AsH3作为n型掺杂剂时，增加了多层硅气相自掺杂现象的产生。多层硅生长速率以及主气流的变化对试验基座及晶片中n型杂质的挥发速率没有多少影响，因此对多层硅气相自掺杂现象的影响不是很大，要求不高的情况下可以忽略不计[2]。
　　除了上诉工艺技术以外，键合技术是一种新兴方法，工作原理是将多层硅表面加工以及体硅加工有效结合，这种方法操作简单，可以有效减少多层硅外延自掺杂现象的发生，科技人员就可以适当采用推广。
　　3 改善多层硅外延自掺杂现象的有效措施
　　减小多层硅外延自掺杂现象的方法主要有三种，分别是低温处理、第二步外延以及双室法生长外延等三种方法。
　　对于第一种方法，适当降低多层硅生长温度即可有效减少其外延自掺杂现象的发生。
　　对于第二种方法，试验中进行多层硅m-层生长时应当首先生长第一薄层，之后对多层硅进行长时间大流量氢气冲洗，然后再进行m-层生长。理由是第一步生长的薄层可以当做一个保护层，对m层中的n型杂质的向外挥发能够起到很好的阻止作用。第一步生长结束后长时间氢气冲洗能够有效除去生长过程中残留的n型杂质，减少硅外延沉积，降低对多层硅外延自掺杂现象的影响。
　　第三种方法主要原理是先生长m层多层硅，生长完毕以后进行降温，并将氢气中的硅片移到m-室进行m-层生长，这个过程没有背景掺杂以及实验基座n型的玷污，所以大大降低了多层硅外延自掺杂现象的发生。
　　4 结语
　　通过本文对多层硅外延自掺杂现象的研究，明确了各种工艺手段对这种现象的影响程度，研究人员应尽量采取降低温度等措施减少多层硅外延自掺杂现象的发生，促进我国多层硅相关技术的快速发展。
　　参考文献：
　　[1]贺勇.硅基锂离子电池负极材料的制备和电化学性能研究[D].湖南工业大学，2019.
　　[2]付会霞.硅基二维量子材料的第一性原理设计[D].中国科学院大学（中国科学院物理研究所），2017.
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