肖特基二极管用硅外延片过渡区控制研究

摘 要 肖特基二极管是一种低功耗、超高速半导体器件，具有正向压降小、开关频率高等特点，高性能的肖特基二极管器件需要高质量的外延材料，生长出高质量的外延层成了制作高频肖特基二极管的关键。

关键词 肖特基；二极管实验；工艺改善

中图分类号 TN3 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2016）161-0137-02

肖特基二极管也被称为肖特基势垒二极管是一种低功耗、超高速半导体器件，具有正向压降小、开关频率高等特点，肖特基二极管被广泛应用于变频器、开关电源、驱动器等电路，作为低压、高频、大电流整流二极管、保护二极管、续流二极管等使用，肖特基二极管在微波通信等电路中作整流二极管、小信号检波二极管使用。高质量的肖特基二极管需要高质量的外延材料做支撑，材料是器件的基础，因此，生长出高质量的外延层成了制作高频肖特基二极管的关键。

桶式外延炉能满足大批量生产的要求，但加工肖特基二极管用硅外延片时，在过渡区及稳定性的控制上还有欠缺，造成器件应用时批次间电压稳定性差。本文从几个方面对过渡区的控制及改善进行了深入地实验分析。

1 实验设备及原理分析

1.1 实验设备

实验采用桶式外延炉为意大利产 LPE 2061S 型外延炉，其反应室如图1所示。

1.2 实验分析

实验采用直径150mm硅片，重掺砷衬底，工艺采用双层生长工艺。

双层生长工艺参数1：

生长温度/℃：1100～1150；HCl抛光流量/slm：1～4；HCl抛光时间/min：2～4；赶气时间/min：3；衬底电阻率/Ωcm：0.002～0.0045。

对外延后的样品中心和两侧边缘进行扩展电阻对比分析[3]，结果如图2示。

可以看出，使用桶式LPE2061设备加工的肖特基用外延片产品，左右两侧边缘过渡区要明显比中心宽。

1.3 原理分析

外延过程是在高温下通过硅在H2状态下还原反应中进行的，在生长过程中，通过流量计控制的掺杂剂加入到反应气体中，根据需要反应达成外延层所需的电阻率，但气氛中也有来自衬底的自掺杂，这一部分会影响掺杂的稳定性，尤其是重掺衬底，生长时衬底杂质不断的向反应气氛中挥发，另外，HCL在工艺中的抛光，也会将衬底表面的杂质释放到气氛中，从而改变了气相中杂质浓度和成分。

使用直径150mm衬底外延生长时，由于尺寸的变大，和自掺杂影响的加重，外延层的过渡区会变得很不均匀，这是因为衬底发挥出更多的杂质，除了自身的挥发外，相邻片的挥发的杂质也会影响，尤其是左右相邻的硅片，边缘的自掺影响不可避免，在外延生长时影响过渡区。同时桶式外延炉钟罩为圆形，基座面为方形，硅片中心到钟罩的距离明显比左右两边到钟罩的距离要远，这样硅片两侧边缘就会存在以下问题：1）两侧边缘与感应圈近，边上的热效应更强一些；2）气流的畅通度差，挥发出来的杂质无法充分地下排出，自掺杂严重。硅片的直径越大，该效应影响越明显。

为此，作者对肖特基二极管用硅外延片两侧边缘过渡区的控制方面进行了实验分析，总结了在桶式外延设备制备外延材料时过渡区控制影响的规律。

2 工艺改善实验

2.1 不同衬底电阻率区间对过渡区的影响

在高温环境下，重掺衬底的自掺杂非常严重，不同电阻率区间的衬底，其自掺的影响效果是不同的，衬底电阻率越低，相当于衬底浓度越高，高温下挥发越严重，形成自掺杂，改变了气相中掺杂浓度，从而影响了外延层中掺杂浓度分布，引起衬底与外延层界面过渡区的杂质浓度缓慢变化。实验采用两种不同电阻率区间衬底。

不同衬底工艺参数2：

生长温度/℃：1）1100～1150；2）1100～1150。

HCl抛光流量/slm：1）1～4；2）1～4。

HCl抛光时间/min：1）2～4；2）2～4。

赶气时间/min：1）3；2）3。

衬底电阻率/Ωcm：1）0.002-0.003；2）0.0035～0.0045。

对外延后的两种样品两侧边缘进行扩展电阻对比分析，结果如图3示。

对比可见，高电阻率衬底外延后过渡区宽度要小于低电阻率衬底。

2.2 HCl前抛光工艺对过渡区的影响

由于现在的衬底表面质量提高，一般不需要从衬底表面去除硅就可以得到良好的外延层[ 4 ]。而在外延制备中希望提高表面质量，往往在外延生长前进行HCL气相抛光，去除衬底的氧化层和损伤层。HCL刻蚀重掺衬底表面同时，高浓度的衬底掺杂原进入气相反应中，从而影响了外延层淀积时掺杂成分和浓度分，引起衬底与外延层截面附近的杂质浓度缓慢变化。

实验采用两种流量HCl进行前抛光处理，具体工艺参数见表3。

不同HCl前抛光处理工艺参数3：

生长温度/℃：1）1100～1150；2）1100～1150。

HCl抛光流量/slm：1）4；2）5。

HCl抛光时间/min：1）5；2）5。

赶气时间/min：1）3；2）3。

衬底电阻率/Ωcm：1）0.002-0.003；2）0.002～0.003。

对外延后的两种样品两侧边缘进行扩展电阻对比分析，结果如图4。

HCl前抛光流量为5slm时，外延后样品过渡区宽度3.5μm，而当前抛光流量改为4slm时，SRP分析过渡区宽度为3.1μm，降低HCl流量要有利于外延后材料过渡区的控制。

3 结论

1）桶式外延炉在制备大尺寸肖特基二极管用硅外延材料时，外延片两侧边缘过渡区要宽于中心区域；

2）衬底电阻率、HCl前抛光流量在一定程度上影响过渡区，使用高电阻率衬底、适当降低HCl前抛光流量及时间均可以改善过渡区宽度。

参考文献

[1]杨树人，丁墨元.外延生长技术[M].北京：国防工业出版社，1992.

[ 2 ]袁肇耿，赵丽霞.肖特基器件用重掺A s衬底上外延层过渡区控制.半导体技术，d o i ： 1 0 . 3 9 6 9 / j.issn.1003-353×.2009.05.011.