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        肖特基二極管用硅外延片過渡區(qū)控制研究

        2016-07-13 23:12:22侯志義高國智王鐵剛
        科技傳播 2016年8期
        關(guān)鍵詞:肖特基

        侯志義+高國智+王鐵剛

        摘 要 肖特基二極管是一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件,具有正向壓降小、開關(guān)頻率高等特點,高性能的肖特基二極管器件需要高質(zhì)量的外延材料,生長出高質(zhì)量的外延層成了制作高頻肖特基二極管的關(guān)鍵。

        關(guān)鍵詞 肖特基;二極管實驗;工藝改善

        中圖分類號 TN3 文獻標識碼 A 文章編號 1674-6708(2016)161-0137-02

        肖特基二極管也被稱為肖特基勢壘二極管是一種低功耗、超高速半導(dǎo)體器件,具有正向壓降小、開關(guān)頻率高等特點,肖特基二極管被廣泛應(yīng)用于變頻器、開關(guān)電源、驅(qū)動器等電路,作為低壓、高頻、大電流整流二極管、保護二極管、續(xù)流二極管等使用,肖特基二極管在微波通信等電路中作整流二極管、小信號檢波二極管使用。高質(zhì)量的肖特基二極管需要高質(zhì)量的外延材料做支撐,材料是器件的基礎(chǔ),因此,生長出高質(zhì)量的外延層成了制作高頻肖特基二極管的關(guān)鍵。

        桶式外延爐能滿足大批量生產(chǎn)的要求,但加工肖特基二極管用硅外延片時,在過渡區(qū)及穩(wěn)定性的控制上還有欠缺,造成器件應(yīng)用時批次間電壓穩(wěn)定性差。本文從幾個方面對過渡區(qū)的控制及改善進行了深入地實驗分析。

        1 實驗設(shè)備及原理分析

        1.1 實驗設(shè)備

        實驗采用桶式外延爐為意大利產(chǎn) LPE 2061S 型外延爐,其反應(yīng)室如圖1所示。

        1.2 實驗分析

        實驗采用直徑150mm硅片,重摻砷襯底,工藝采用雙層生長工藝。

        雙層生長工藝參數(shù)1:

        生長溫度/℃:1100~1150;HCl拋光流量/slm:1~4;HCl拋光時間/min:2~4;趕氣時間/min:3;襯底電阻率/Ωcm:0.002~0.0045。

        對外延后的樣品中心和兩側(cè)邊緣進行擴展電阻對比分析[3],結(jié)果如圖2示。

        可以看出,使用桶式LPE2061設(shè)備加工的肖特基用外延片產(chǎn)品,左右兩側(cè)邊緣過渡區(qū)要明顯比中心寬。

        1.3 原理分析

        外延過程是在高溫下通過硅在H2狀態(tài)下還原反應(yīng)中進行的,在生長過程中,通過流量計控制的摻雜劑加入到反應(yīng)氣體中,根據(jù)需要反應(yīng)達成外延層所需的電阻率,但氣氛中也有來自襯底的自摻雜,這一部分會影響摻雜的穩(wěn)定性,尤其是重摻襯底,生長時襯底雜質(zhì)不斷的向反應(yīng)氣氛中揮發(fā),另外,HCL在工藝中的拋光,也會將襯底表面的雜質(zhì)釋放到氣氛中,從而改變了氣相中雜質(zhì)濃度和成分。

        使用直徑150mm襯底外延生長時,由于尺寸的變大,和自摻雜影響的加重,外延層的過渡區(qū)會變得很不均勻,這是因為襯底發(fā)揮出更多的雜質(zhì),除了自身的揮發(fā)外,相鄰片的揮發(fā)的雜質(zhì)也會影響,尤其是左右相鄰的硅片,邊緣的自摻影響不可避免,在外延生長時影響過渡區(qū)。同時桶式外延爐鐘罩為圓形,基座面為方形,硅片中心到鐘罩的距離明顯比左右兩邊到鐘罩的距離要遠,這樣硅片兩側(cè)邊緣就會存在以下問題:1)兩側(cè)邊緣與感應(yīng)圈近,邊上的熱效應(yīng)更強一些;2)氣流的暢通度差,揮發(fā)出來的雜質(zhì)無法充分地下排出,自摻雜嚴重。硅片的直徑越大,該效應(yīng)影響越明顯。

        為此,作者對肖特基二極管用硅外延片兩側(cè)邊緣過渡區(qū)的控制方面進行了實驗分析,總結(jié)了在桶式外延設(shè)備制備外延材料時過渡區(qū)控制影響的規(guī)律。

        2 工藝改善實驗

        2.1 不同襯底電阻率區(qū)間對過渡區(qū)的影響

        在高溫環(huán)境下,重摻襯底的自摻雜非常嚴重,不同電阻率區(qū)間的襯底,其自摻的影響效果是不同的,襯底電阻率越低,相當(dāng)于襯底濃度越高,高溫下?lián)]發(fā)越嚴重,形成自摻雜,改變了氣相中摻雜濃度,從而影響了外延層中摻雜濃度分布,引起襯底與外延層界面過渡區(qū)的雜質(zhì)濃度緩慢變化。實驗采用兩種不同電阻率區(qū)間襯底。

        不同襯底工藝參數(shù)2:

        生長溫度/℃:1)1100~1150;2)1100~1150。

        HCl拋光流量/slm:1)1~4;2)1~4。

        HCl拋光時間/min:1)2~4;2)2~4。

        趕氣時間/min:1)3;2)3。

        襯底電阻率/Ωcm:1)0.002-0.003;2)0.0035~0.0045。

        對外延后的兩種樣品兩側(cè)邊緣進行擴展電阻對比分析,結(jié)果如圖3示。

        對比可見,高電阻率襯底外延后過渡區(qū)寬度要小于低電阻率襯底。

        2.2 HCl前拋光工藝對過渡區(qū)的影響

        由于現(xiàn)在的襯底表面質(zhì)量提高,一般不需要從襯底表面去除硅就可以得到良好的外延層[ 4 ]。而在外延制備中希望提高表面質(zhì)量,往往在外延生長前進行HCL氣相拋光,去除襯底的氧化層和損傷層。HCL刻蝕重摻襯底表面同時,高濃度的襯底摻雜原進入氣相反應(yīng)中,從而影響了外延層淀積時摻雜成分和濃度分,引起襯底與外延層截面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變化。

        實驗采用兩種流量HCl進行前拋光處理,具體工藝參數(shù)見表3。

        不同HCl前拋光處理工藝參數(shù)3:

        生長溫度/℃:1)1100~1150;2)1100~1150。

        HCl拋光流量/slm:1)4;2)5。

        HCl拋光時間/min:1)5;2)5。

        趕氣時間/min:1)3;2)3。

        襯底電阻率/Ωcm:1)0.002-0.003;2)0.002~0.003。

        對外延后的兩種樣品兩側(cè)邊緣進行擴展電阻對比分析,結(jié)果如圖4。

        HCl前拋光流量為5slm時,外延后樣品過渡區(qū)寬度3.5μm,而當(dāng)前拋光流量改為4slm時,SRP分析過渡區(qū)寬度為3.1μm,降低HCl流量要有利于外延后材料過渡區(qū)的控制。

        3 結(jié)論

        1)桶式外延爐在制備大尺寸肖特基二極管用硅外延材料時,外延片兩側(cè)邊緣過渡區(qū)要寬于中心區(qū)域;

        2)襯底電阻率、HCl前拋光流量在一定程度上影響過渡區(qū),使用高電阻率襯底、適當(dāng)降低HCl前拋光流量及時間均可以改善過渡區(qū)寬度。

        參考文獻

        [1]楊樹人,丁墨元.外延生長技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,1992.

        [ 2 ]袁肇耿,趙麗霞.肖特基器件用重摻A s襯底上外延層過渡區(qū)控制.半導(dǎo)體技術(shù),d o i : 1 0 . 3 9 6 9 / j.issn.1003-353×.2009.05.011.

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