第6章 Ga在SiO2SI结构下的开管掺杂.ppt

1、第6章 Ga在SiO2/Si结构下的开管掺杂,6.1 Ga在SiO2/Si系开管掺杂的背景6.1.1 传统扩散杂质的选择,选择杂质的依据应主要考虑它在硅中的固溶度、扩散系数及二氧化硅对其的掩蔽程度等方面。 对扩散系数的选择，通常希望先扩散杂质的扩散系数要比后扩散的小，因为这样可以减小后扩散时对前面形成的杂质分布的影响。 在传统的硅器件平面工艺中，多年来选择硼与磷一对杂质相匹配。 总之，由于B在硅中的固溶度、扩散系数与N型发射区磷相匹配，且SiO2对其又有良好的掩蔽作用，故早就被NPN硅平面器件选作为理想的基区扩散源。而Ga只因SiO2对其不起掩蔽作用，一直未发挥应有的作用。,6.1.2 开管扩

2、镓的出现及与其他工艺的比较,为了满足高反压及电力电子器件的制备需要，推出了硼铝（B-Al）涂层扩散和闭管Ga扩散工艺。 近年来，人们巧妙地利用Ga具有强穿透SiO2的能力，实现了开管SiO2/Si系统下的Ga掺杂。,B-Al涂层工艺、闭管扩镓工艺、开管扩镓工艺之间的比较见表所示。,6.1.3 Ga在SiO2/Si系下单温区开管掺杂的产生,经多次实验证明，Ga在裸硅下的开管掺杂和在SiO2/Si系下的开管掺杂具有两种不同的掺杂效应，得到两种截然不同的掺杂效果。由于裸硅表面存有大量悬挂键且暴露在气相中，易造成分子、原子和离子类型的杂质污染，在高温下很容易形成Ga的局部富集产生合金点、凹坑和硅片边缘

3、的棉絮状物质，扩散表面不均匀、重复性差；而Ga在SiO2/Si系下扩散，扩散表面状况良好，不容易产生合金点和腐蚀坑，扩散浓度容易控制而且重复性好。,6.2 开管扩镓原理6.2.1 扩散装置与系统内的化学反应,开管扩镓装置示意图,在设定的扩散条件下，该系统内的主要化学反应为,通过上述反应，最终生成元素Ga，由Ga的高蒸气压形成表面恒定源。,6.2.2 开管扩镓的主要步骤,开管扩镓的整个过程包括氧化、预沉积和再分布三个主要步骤完成。 1冷水自然滴法氧化 实验得出，冷水自然滴法的氧化速率和SiO2薄膜的致密度均介于常规湿氧氧化和干氧氧化之间，该方法要求在结束氧化前的10分钟停止滴水。一般氧化温度设定

4、为1150，滴水速率为2030滴/min。 2Ga的预沉积 3Ga的再分布 开管扩镓可在同一扩散炉内，先后完成预沉积和再分布，再分布后的硅片直接进行一次光刻，刻出发射区窗口，中间不需要做任何处理，以下工序同常规工艺。,6.2.3 Ga在SiO2/Si结构下的扩散原理,首先制备掺杂时间不同的扩散样品，分别用几种不同的测试手段对样品进行测量与表征，然后根据测试结果进行论述 。 1样品的制备 在同一扩散条件下，分别进行10min掺杂+10min恒温，20min掺杂+10恒温，30min掺杂+10恒温，制备出三种掺杂时间不等的扩散样品。设上述三个样品编号为K1、K2、K3。 2样品的测试与表征 用HF

5、溶液去掉SiO2薄层，用SDY-4型数字式四探针测试仪测量表面方块电阻，对每个样品的中心位（a）、上（b）、下（c）、左（d）、右（e）5个均匀分布的点进行R测量，其结果见表,三种不同样品的R测量值,采用ASR-100C/2自动扩展电阻探针测量上述三种样品的浓度分布，扩展电阻（SRP）法测量的Ga原子浓度随深度的变化曲线如图所示。,掺杂时间不等的扩展电阻（SRP）浓度分布曲线 （a）掺杂10min,掺杂时间不等的扩展电阻（SRP）浓度分布曲线,（b）掺杂20min （c）掺杂30min,采用IMS-4f型二次离子质谱仪对上述样品进行二次离子质谱（SIMS）测量，分别得到Ga的计数强度与溅射时间

6、的关系曲线如图所示。其中SiO2-Si之间的界面是通过氧元素的突然下降峰来界定。,三种不同样品的SIMS曲线,（a）K1的SIMS曲线 （b）K2的SIMS曲线,三种不同样品的SIMS曲线 （c）K3的SIMS曲线,若将强度-时间兑换成浓度与深度的关系曲线，并将它们合并在一起组成的曲线组如图所示。,样品SIMS浓度分布曲线组,利用原子力显微镜（AFM）对轻掺杂、重掺杂和未掺杂的SiO2表面进行扫描，由AFM的1m2微结构的扫描图如图所示。,掺杂程度不同的AFM表面形貌 （a）未掺杂的SiO2表面 （b）轻掺杂的SiO2表面 （c）重掺杂的SiO2表面,3Ga在SiO2中的扩散 Ga在SiO2中

7、的运动也是一种扩散运动，应符合菲克一 维扩散方程,可以得出结论：通过SiO2薄膜Ga的总流量，在扩散温度相同的条件下正比于扩散时间；SiO2薄膜实质性的作用不在于储蓄Ga，而是快速传递与输运Ga。从该意义上讲，这与Ga在SiO2中的固溶度小，而扩散系数大的属性相吻合。,4Ga在SiO2-Si界面的固-固扩散 与传统固-固扩散相比，区别只在于SiO2薄层中的杂质含量为非固定量，是由扩散条件所决定下的流动量。按照固-固扩散原理，经SiO2薄层快速吸收和输运过来的杂质Ga，分别按照它在SiO2和Si中的平衡浓度进行再分配。,5Ga在Si中的扩散 在整个扩散期间，Ga2O3与H2反应在汽-固的相界面形

8、成Ga的恒定表面源，若把SiO2薄膜视为Ga的过渡区，那么Ga在硅中的预沉积仍然可以用余误差函数方程式进行描述,综上所述，Ga在SiO2/Si结构下的开管扩散原理可总结为：Ga2O3与H2在高温下反应生成元素Ga并形成表面恒定源；Ga原子经过SiO2薄膜的快速吸收与输运到达SiO2-Si的界面，依靠固-固扩散原理，凭借它在Si内具有较高溶解度特性而获得了较高的表面浓度，其浓度分布服从余误差函数；扩入硅体内的杂质总量近似等于SiO2薄膜的输流量；Ga通过SiO2-Si界面（理想Si表面）扩入硅体内，可得到高均匀性的扩散表面和非常平坦的PN结。,6.3 Ga在SiO2/Si结构下的分布规律6.3.

9、1 开管扩镓模型的初步建立,从不同掺杂时间的三条分布曲线的变化规律，反应出Ga在SiO2/Si系下的扩散特性具体表现为：Ga在SiO2/Si系统中的浓度分布是连续的；Ga在SiO2中的浓度梯度随掺杂时间的增加而增大；Ga在Si一侧浓度分布随掺杂时间的增加而逐渐上移；Ga在SiO2-Si界面上的分凝程度随掺杂时间的增加而快速增大。,形成上述分布结果的原因最终归结为Ga本身在SiO2、Si内所具有不同的扩散特性而产生的必然结果。其一，Ga在SiO2中的扩散系数很大，而固溶度很低（1250下，Ga在Si中的固溶度比在SiO2中的固溶度要高出3个数量级），在此种扩散特性的制约下，SiO2薄膜只能快速传

10、递Ga而不能大量储Ga，这是实现开管扩镓的先决条件。其二，由于Ga在Si中相比在SiO2中有较高的溶解度特性，使得Ga在SiO2-Si界面分凝后，会以较高的平衡浓度扩散入硅内，这是实现开管扩镓的重要条件。 两者的连续性确立了开管扩镓模型,开管扩镓模型,6.3.2 Ga在SiO2/Si结构的分布规律,Ga在Si中的分布规律曲线,6.3.3 Ga在SiO2-Si界面上的分凝效应,1预沉积过程近硅表面低浓度区的形成 在预沉积过程中，杂质源Ga2O3与氢气的化学反应生成水汽，水汽自然会引起硅的热氧化，这种外加的热氧化反应同样会使已含有杂质硅的表面发生分凝效应。 这种再分布取决于几个因素： （1）SiO

11、2-Si界面处的杂质分凝系数,（2）杂质在SiO2和Si中的扩散系数之比,（3）SiO2-Si界面上的Si的氧化速率。 在预沉积时，硅片处在Ga的高蒸气压气氛中，元素Ga的浓度体外高于体内，在由外向内浓度梯度的作用下，杂质Ga按正常的规律进行分凝，即Ga排向硅体内一侧，在硅的内表面出现浓度峰，而不断变化着的动态硅表面其浓度处于最低位，因此近硅表面区域形成低浓度区。,2再分布过程近硅表面Ga的反扩散特性 再分布之后，硅片表面及近表面区的Ga杂质浓度再度下降，出现Ga的损失现象，为了较全面地揭示Ga在SiO2/Si的扩散行为，我们先观察以下一组样品的二次离子质谱测量图,预沉积的SIMS测量图,不同

12、再分布时间的SIMS测量图 （a）再分布1h,不同再分布时间的SIMS测量图 （b）再分布2h （c）再分布5h,预沉积和再分布的浓度分布组合图,6.4 Ga基区晶体管6.4.1 Ga基区晶体管的制备及其电学性能,1Ga基区晶体管的制备 Ga基区晶体管的制作流程为：硅片清洗一次氧化开管扩镓形成基区（低浓度掺杂结深推移高浓度掺杂）一次光刻磷发射区磷扩散后同常规，制备出NPN高反压晶体管。,2Ga基区晶体管的综合电学性能 电学参数具有良好的一致性和重复性，针对高反压晶体管存在的问题，解决并提高了产品合格率、提高了反压水平、改善了电流特性，达到优质、高产、低耗之目的，为我国的高压器件开辟了一条新的制

13、备途径。,Ga基区晶体管最突出的优势在于，在保证其他参数优良的前提下，显著提高了器件的耐压水平。其主要机理为： （1） Ga的线性缓变结 利用开管扩镓技术其掺杂浓度随意可调、任意组合的优势，在制备基区时，首先进行低浓度掺杂和结深推移相结合，在PN结前沿形成缓变式杂质分布，如图所示。,Ga基区缓变式杂质分布,（2） SiO2对重金属的屏蔽 Ga扩散晶体管具有高电压的原因还应归于SiO2薄层的覆盖。因SiO2薄膜可以较好地屏蔽重金属杂质（Au、Fe、Cu等）的扩散，因为它们在SiO2中表现为慢扩散特性（例如在1200下，重金属在SiO2中的扩散系数约为10-14cm2/s，而同温度下在硅中的扩散系

14、数约为10-6cm2/s），最大程度地减少了由重金属原子造成的复合中心密度，使反向电流，特别是高温下的反向电流减小，亦有助于耐压的提高和产品合格率、优品率的提高。,6.4.2 Ga基区晶体管的负阻效应,所谓负阻效应，是指晶体管在BUCEO发生击穿后，电压随电流升高而下降，待下降至某一值后再一次真正击穿，该现象称为负阻效应。,两种晶体管的IC-UCE负阻特性比较,两种晶体管小电流下放大系数比较,为什么扩镓晶体管的负阻特性尤为明显呢？ Ga杂质在近硅表面继预沉积和再分布屡次丢失的基础上又一次丢失，从而导致了近硅表面Ga的耗尽特性，如图所示。,磷扩散后的Ga基区近硅表面的浓度分布,由于Ga在近硅表面

15、微区域的耗尽特性，其一会导致发射结侧空间电荷区宽度增加，引起发射结势垒复合电流增大，从而使发射效率在小电流情况下的下降；其二由于Ga基区的表面浓度较低，在同样的制管环境下，镓与硼相比，抗外界沾污的能力相对减弱，导致基区表面的复合速度和有效复合面积增大，从而会使基区小电流情况下的输运系数下降。 总之，由于Ga的扩散系数DSiO2DSi，Ga基区表面杂质经磷扩散再分布（二次氧化）的分凝过程，变为耗尽状态，导致小电流下放大系数的劣化，出现了明显的负阻效应，这是不希望的，对此应采取相应的工艺措施给以弥补，从而让开管扩镓技术在高反压器件中最大限度地发挥其优势。,6.4.3 Ga基区晶体管的完善与展望,要

16、减小扩镓晶体管的负阻特性，以增大小电流情况下的电流放大系数，归根结底要保持住基区表面的P型杂质浓度使其在磷扩散的再分布即二次氧化过程中，不要过渡丢失。具体工艺方法有两种： 1补充扩硼形成高浓度的基区表面 2Si3N4薄膜的覆盖 在利用开管扩镓技术提高器件反压水平、改善电流特性、全面提升电学性能的同时，要在基区表面进行补充扩硼，或者用氮化硅薄膜覆盖，可大大改善晶体管小电流情况下的放大性能，以达到大幅度减小负阻特性之目的。,6.5 开管扩镓技术在电力电子器件中的应用,由前面的学习，我们已经懂得了晶闸管是一种四层结构（P1N1P2N2）的大功率半导体器件，其横截面示意图如图。,晶闸管横截面结构示意图,6.5.1 Ga阶梯式深结分布在普通晶闸管中的应用,1芯片的制备与主要电参数 以普通晶闸管（通称KP系列）容量200A为实例 : 选择电阻率100120cm的NTD单晶为衬底，抛光硅片首先经冷水自然滴法氧化方法生长一层1000nm的SiO2薄膜，然后利用已设置好的开管扩镓系统进行第一阶段Ga的低浓度掺杂。 在同一扩散炉内，用H2置换N2进行第二次浓度补偿掺杂，其扩散条件同上。然后，在N2的保护下进行再分布，时间为15h。至此，完成了开管扩镓的整个过程。,用SDY-4型数字式四探针测试仪测量陪片的方块电阻，其陪片按石英舟前、中、后区随机取样，每只圆片的测点a为圆心，b、