尤曉杰，王銀海，葛 華，韓 旭

（南京國(guó)盛電子有限公司，南京 211100)

1 引言

硅以及硅基材料是微電子行業(yè)的重要材料，其中硅外延材料為半導(dǎo)體器件特別是各類(lèi)硅基集成電路的發(fā)展提供了堅(jiān)實(shí)可靠的基礎(chǔ)。外延生長(zhǎng)是指在單晶襯底的表面上，利用二維結(jié)構(gòu)相似性成核的原理，沿著原來(lái)的結(jié)晶軸方向，生長(zhǎng)特定電阻率和厚度單晶薄膜的工藝[1]。現(xiàn)代外延主流技術(shù)是使用化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapor Deposition，CVD)進(jìn)行外延生長(zhǎng)。

目前CVD外延技術(shù)根據(jù)使用的基板不同主要分為平板式和桶式外延爐，其中桶式外延爐具有較大的反應(yīng)腔和較高的生產(chǎn)效率，如LPE公司的2061S型桶式外延爐，生產(chǎn)101.6 mm、127 mm、152.4 mm外延片單位制程產(chǎn)量可達(dá)到14～30片，效率高于平板式的3061型[2]，在工業(yè)化大批量生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用，是中小功率管等消費(fèi)類(lèi)電子器件量產(chǎn)的優(yōu)先選擇。

外延材料的電阻率分布對(duì)器件來(lái)說(shuō)是非常重要的電學(xué)參數(shù)，會(huì)影響器件整體的電性能，因此電阻率控制技術(shù)是半導(dǎo)體材料領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)之一[3]。目前國(guó)內(nèi)針對(duì)電阻率控制的研究主要集中在片內(nèi)分布和縱向分布，其中縱向分布方面對(duì)過(guò)渡區(qū)的研究[4]較多，如通過(guò)摻雜流量控制[5]、包硅工藝[6]、本征工藝[7]對(duì)過(guò)渡區(qū)寬度進(jìn)行調(diào)整，而對(duì)外延層平坦區(qū)的研究相對(duì)較少。因此，本文對(duì)桶式爐外延層平坦區(qū)的電阻率分布進(jìn)行了重點(diǎn)研究，對(duì)發(fā)現(xiàn)的波浪形貌縱向電阻率分布現(xiàn)象通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析了產(chǎn)生原因和消除方法。

2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

2.1 生產(chǎn)設(shè)備

生產(chǎn)設(shè)備采用意大利產(chǎn)LPE 2061S型桶式外延爐，其反應(yīng)腔如圖1所示。

圖1 LPE 2061S型桶式外延爐反應(yīng)腔

LPE 2061S基座為桶式結(jié)構(gòu)，基座下方與旋轉(zhuǎn)軸連接，在外延過(guò)程中保持交替的順時(shí)針和逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，反應(yīng)氣體經(jīng)鐘罩入口通過(guò)石英噴嘴進(jìn)入反應(yīng)腔，石英擋板起到分散氣流的作用，使氣流在反應(yīng)腔中形成相當(dāng)均勻的分布，最終氣流經(jīng)尾氣出口排出反應(yīng)腔。

本文涉及的實(shí)驗(yàn)均采用SiHCl3與H2反應(yīng)生成Si的反應(yīng)過(guò)程，PH3作為N型外延摻雜劑，B2H6作為P型外延摻雜劑。

2.2 表征方法說(shuō)明

擴(kuò)展電阻技術(shù)（spreading resistance profile，SRP）是利用金屬探針與半導(dǎo)體材料點(diǎn)接觸處電流-電壓曲線特性來(lái)得到半導(dǎo)體材料縱向電阻率分布的技術(shù)，可以表征硅片中的雜質(zhì)分布，因其具有空間分辨率優(yōu)越、測(cè)試簡(jiǎn)捷且結(jié)果直觀的特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于外延片測(cè)試中[8]。本文實(shí)驗(yàn)通過(guò)SRP技術(shù)進(jìn)行表征硅外延片的縱向電阻率分布，采用SSM-2000擴(kuò)展電阻測(cè)試設(shè)備，應(yīng)用步徑測(cè)試電阻的方法進(jìn)行測(cè)試，其中圓片測(cè)試點(diǎn)包括中心點(diǎn)以及距邊6 mm位置的邊緣點(diǎn)。

2.3 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果

該現(xiàn)象發(fā)現(xiàn)于N型6英寸硅外延片（樣本1）的表征分析過(guò)程，其中縱向電阻率分布表征得到如圖2的擴(kuò)展電阻圖形：以硅片定位邊為上點(diǎn)，其左右點(diǎn)擴(kuò)展電阻圖形從外延層開(kāi)始呈現(xiàn)波浪形貌，且左右點(diǎn)互為正弦反弦波動(dòng)，而其余測(cè)試點(diǎn)呈現(xiàn)常規(guī)直線形。

圖2 樣本1擴(kuò)展電阻圖形

其中樣本1外延條件說(shuō)明見(jiàn)表1。

表1 樣本1外延條件

針對(duì)樣本1的各項(xiàng)外延參數(shù)，從理論角度進(jìn)行分析：波浪形貌特征從外延層即開(kāi)始出現(xiàn)，而不是到達(dá)特定厚度開(kāi)始表現(xiàn)，因此認(rèn)為厚度為非相關(guān)因素，結(jié)合桶式外延爐在外延過(guò)程中保持交替順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的特征，重點(diǎn)對(duì)外延主要參數(shù)和旋轉(zhuǎn)參數(shù)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)比對(duì)分析，整體實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 實(shí)驗(yàn)樣本條件和結(jié)果

2.3.1 溫度相關(guān)性分析

樣本1采用1080℃外延，將外延溫度分別升高至1160℃（樣本2）和降低至1060℃（樣本3），均呈現(xiàn)波浪形貌，可知溫度非產(chǎn)生該現(xiàn)象的影響條件。

2.3.2 生長(zhǎng)速率相關(guān)性分析

將樣本1硅源流量降低，生長(zhǎng)速率從1.4μm/min降低至0.9μm/min（樣本4）和升高至1.6μm/min（樣本5），均呈現(xiàn)波浪形貌，可知生長(zhǎng)速率非產(chǎn)生該現(xiàn)象的影響條件。

2.3.3 轉(zhuǎn)速相關(guān)性分析

將樣本1順逆時(shí)針轉(zhuǎn)速分別提高（樣本6）和降低（樣本7），均呈現(xiàn)波浪形貌，可知轉(zhuǎn)速非產(chǎn)生該現(xiàn)象的影響條件。

2.3.4 掛件阻擋分析

樣本1生產(chǎn)時(shí)坑位兩側(cè)有掛件起到阻擋氣流的作用，取消兩側(cè)掛件阻擋制作了樣本8，仍然出現(xiàn)波浪形貌的擴(kuò)展電阻圖形，可知掛件非產(chǎn)生該現(xiàn)象的影響條件（掛件示意如圖3，安裝在基座棱上，可以起到氣流阻擋效果[9]）。

圖3 掛件示意圖

2.3.5 摻雜源類(lèi)別和濃度分析

樣本1電阻率為0.2Ω·cm，對(duì)樣本電阻率進(jìn)行正向和負(fù)向拉偏比對(duì)，同時(shí)還進(jìn)行P型外延的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，波浪形貌縱向電阻率分布在電阻率足夠低時(shí)（即摻雜濃度足夠高）出現(xiàn)，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果看該電阻率條件在1.5～2Ω·cm（換算磷原子濃度為2.34×1015～3.16×1015/cm3）之間，且波浪形貌縱向電阻率分布在同等情況下的P型外延不會(huì)出現(xiàn)。

2.3.6 基座比對(duì)實(shí)驗(yàn)

LPE2061S桶式外延爐基座為7面基座，基于波浪形貌縱向電阻率分布產(chǎn)生機(jī)理，采用8面基座進(jìn)行改進(jìn)驗(yàn)證（基座俯視對(duì)比圖如圖4），基座高度相同，7面基座頂部和底部邊長(zhǎng)均高于8面基座，即8面基座桶面的面積小。通過(guò)在8面基座進(jìn)行外延，未出現(xiàn)波浪形貌縱向電阻率分布現(xiàn)象。

圖4 8面和7面桶式基座對(duì)比圖(俯視)

表3 8面和7面基座尺寸參數(shù)和對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 分析與討論

桶式外延爐為保證氣流的均勻分布，在外延過(guò)程中，基座會(huì)進(jìn)行順時(shí)針旋轉(zhuǎn)然后進(jìn)行逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，而硅片左右點(diǎn)波浪形貌互為正反弦，因此該現(xiàn)象的產(chǎn)生應(yīng)與基座本身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)相關(guān)。

調(diào)整順逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)速度以及取消掛件阻擋氣流，波浪形貌仍然存在，而改為8面基座則該現(xiàn)象消失，分析原因?yàn)?061桶式機(jī)臺(tái)外延時(shí)，氣流從鐘罩上端的氣體入口向下端的尾氣出口流動(dòng)，同時(shí)基座桶面會(huì)保持順逆時(shí)針連續(xù)交替旋轉(zhuǎn)，對(duì)從上至下的氣流產(chǎn)生干擾，產(chǎn)生了氣流滯留層，導(dǎo)致?lián)诫s濃度分布不均勻，進(jìn)而產(chǎn)生波浪形貌擴(kuò)展電阻現(xiàn)象。8面基座相較于7面基座，桶面面積更小，對(duì)氣流的干擾作用也更小，氣流滯留減弱，波浪形擴(kuò)展電阻現(xiàn)象消除。

該現(xiàn)象在摻雜濃度足夠高時(shí)才會(huì)出現(xiàn)，原因分析為當(dāng)摻雜原子濃度足夠高時(shí)，氣流總的相對(duì)原子質(zhì)量也較大，桶面擾流導(dǎo)致氣流滯留的影響更明顯，而同等情況使用B2H6作為摻雜劑時(shí)現(xiàn)象消失，也可輔助印證原子質(zhì)量的相關(guān)性（硼相對(duì)原子質(zhì)量10.811，磷為30.974，PH3分子質(zhì)量為B2H6的1.23倍，硼、磷原子濃度相同時(shí)，氣流中PH3的總質(zhì)量為B2H6的2.46倍）。

4 結(jié)論

本研究應(yīng)用2061機(jī)臺(tái)桶式基座進(jìn)行CVD外延實(shí)驗(yàn)，對(duì)可能的影響條件（溫度、生長(zhǎng)速率、轉(zhuǎn)速、掛件、摻雜濃度）進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)波浪形貌縱向電阻率分布是在高摻雜濃度時(shí)（對(duì)應(yīng)磷原子濃度在2.34×1015～3.16×1015/cm3左右）因桶式基座面氣流干擾產(chǎn)生的現(xiàn)象，且通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，調(diào)整基座面尺寸可以消除該現(xiàn)象。

目前雖未發(fā)現(xiàn)此現(xiàn)象對(duì)產(chǎn)品有負(fù)面影響，但期望該研究可以為后續(xù)硅外延設(shè)備和工藝的精細(xì)化設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)依據(jù)，以利于具有特殊縱向電阻率分布需求的外延制備的實(shí)現(xiàn)。