硅外延掺杂电阻率均匀性控制研究

硅外延掺杂电阻率均匀性控制研究

孙信华

中芯国际集成电路制造（天津）有限公司 天津 300385

摘要：

掺杂电阻率在外延层的分布直接影响器件的电学性能。本文通过一系列实验，在掺磷电阻率为8 ohm-cm的衬底片上，选用优化边抛且背封工艺，在外延工艺前增加一步硫酸清洗，优化外延生长环境和优化外延程式的条件下，得到了电阻率内外圈差异由原来的17.49%降低到6.32%的均匀分布的外延层。极大的提到了掺杂电阻率分布一致性。

关键字：外延层，边抛，背封，清洗，外延程式

1引言：

硅外延过程中的掺杂电阻率是业界外延工艺一项重要的参数指标。由于在外延过程中受衬底掺杂剂高温下自扩散效应的影响，经常遇到外延层外圈电阻率严重下降的情况。本文从外延衬底片的边抛及背封、外延工艺前对衬底片的预处理、外延生长环境、外延生长程式等方面进行了实验，分析得出了一种很好的提高外延层外圈电阻率，外延层整体掺杂电阻率分布均匀的方法。

2 工艺实验简介

2.2 实验工艺设置

本文采用8英寸<100>晶向、N型掺磷杂质、电阻率为8 ohm-cm的衬底外延片，生长掺P型硼杂质的外延层。生长采用三氯硅烷作为硅源，硼烷作为掺杂源的常压工艺。常规生长出来的外延层方块电阻49点（由内到外4圈均匀点位）分布如下图1所示，外延层最外圈的方块电阻要比中心低17.49%。

图1

3 改善电阻率均匀性的方法及分析

3.1 外延衬底片的边抛、背封

硅外延衬底片在反应腔的高温下，自身的磷掺杂剂尤其会在片子的边缘处气相或固相扩散到反应腔内，这些掺杂剂会在外延生长过程中淀积到外延片表面进而中和反型的硼掺杂剂，导致外延层边缘电阻率降低。因此，本实验对衬底片的边抛工艺进行优化以及对衬底片进行背封处理后再进行外延生长。表1为实验条件及对应的四探针电阻测量值，可以看出：最佳条件3下外延层边缘电阻值和中心电阻值的差异缩小到11.8%

表1

3.2 外延生长前对外延衬底片的预处理

外延衬底片在进入反应腔生长前，不可避免的会产生自然氧化膜，外延工艺前会把这层自然氧化膜去掉，科学的优化清洗液的配比，也可以整体改善外延层的电阻率及边缘电阻率，图2为由原来的盐酸加氨水清洗优化至再增加一步硫酸清洗后，生长10片外延片电阻的9点测量值。可以看出优化清洗工艺后生长外延层的电阻稳定性和边缘单租得到了极大的改善，计算得出外圈电阻值和内圈电阻值和差异平均缩小到11.3%。

                                 图2

3.3 改善外延生长环境

  外延片在生长前会通过HCL提前清洁掉腔内的杂质，生长过程中又会在反应腔内壁及生长基座上附着一层杂质薄膜。通过对外延反应腔内该生长程式的多次空跑，提前让反应腔内形成一个稳定的适合外延生长的环境，然后再放入衬底片进行生长，也可以得到电阻稳定和内外圈电阻分布均匀性好的掺杂外延层，图3为改善外延生长环境后外延的3片电阻值和之前的对比，计算可得改善后的外圈电阻值和内圈电阻值的差异缩小到11.08%。       

图3

3.4 优化外延生长程式

通过调节反应腔五根进气管道的大小来调节掺杂气体在反应腔边缘部分的配比量，找到合适的外延片内圈和外圈的掺杂气体分布；并考虑增加或减少基座的转速，控制反应腔内的气体扰流干涉，可以降低外延层内外圈电阻值的差异。另外，反应腔内的温度分布也会对外延层电阻率产生影响。通过优化基座底部中心和四个边缘热电偶的设定温度，调节反应腔上下横竖均匀分布的细长灯丝和四个大灯对外延片的加热功率，对外延片的各个区域进行温度补偿，使掺杂剂淀积在衬底片具有特定的浓度分布，进而可以得到电阻率分布均匀的外延层。优化外延生长程式外延后的3片电阻值如图4，计算得出外延层外圈和内圈电阻值的差异缩小到11.51%

图4

最后我们对上述实验条件进行组合，采用优化边抛并且背封的衬底片，在衬底片进行外延工艺前在原有的清洗工艺下增加一步硫酸清洗，优化外延生长环境和优化外延程式的条件下，得到了如图5所示外延掺硼，方块电阻内外圈差异降低到6.32%均匀分布的外延层，且电阻的稳定性也得到了极大的改善。

图5

3 结论

掺杂电阻率在外延层的分布直接影响器件的电学性能。本文通过一些列实验，在掺磷电阻率为8ohm-cm的衬底片上、选用优化边抛且背封工艺，在外延工艺前增加一步硫酸清洗，优化外延生长环境和优化外延程式的条件下，得到了电阻内外圈差异降低到6.32%的均匀分布的外延层。极大的提到了掺杂电阻分布一致性。

参考文献

[1] 安静. P型硅外延片工艺技术的研究[D]. 河北: 河北工业大学, 2011

[2] 傅雄强. 魏雅敏. p型硅外延层电阻率的控制[J]. 微电子学. 1994.08. 49-52

[3] 王肖波. 8英寸薄层硅外延片的均匀性控制方法[J]. 高新技术. 2019.05 22-23

[4] 刘学如. 硅外延层电阻率测量值一致性研究[J]. 微电子学. 1996.06 198-200