厚多晶硅膜饱和掺杂工艺研究

林 丽，聂圆燕，吴晓鸫

（无锡中微晶园电子有限公司，江苏 无锡 214035）

1 引言

在微电子领域中，多晶硅的应用十分广泛。其中，最多的是用作栅电极，而使用多晶硅来制作电阻也非常常见。一般来说，多晶电阻的方块电阻值，都在几十Ω.□-1以上。高值电阻应用非常广泛，制作工艺也很成熟。但是部分特殊电路，会要求将多晶电阻率做到非常低。以下讨论的即为低阻的多晶电阻制作。

根据电路功能的特殊需求，需要制作方块电阻低至2Ω.□-1～4Ω.□-1的多晶硅薄膜。由于多晶阻值很低，因此采用淀积多晶硅膜、再进行炉管饱和掺杂的方法来完成。

2 多晶硅薄膜淀积

2.1 SiO2衬底

由于低阻多晶电阻需要进行饱和掺杂来完成，多晶硅中的杂质浓度非常高。为了防止在饱和掺杂和后续退火过程中，掺杂杂质扩散进入衬底中，在多晶硅和衬底之间，需要有一层较厚的SiO2作为阻挡层。

2.2 LPCVD多晶薄膜淀积

多晶硅通常在580℃～650℃下由硅烷分解淀积。用于淀积多晶硅的主流技术是LPCVD，因为它的均一性，纯度和经济性较好，反应副产物少，洁净度高。多晶硅淀积化学式如下：

基于多晶硅方块电阻值要求，集成电路中常用的几百纳米厚度的多晶硅是无法达到的，需要生长厚多晶硅膜。根据350nm以及1 000nm多晶硅进行饱和掺杂的实验结果，预估要达到2Ω·□-1～4Ω·□-1，需要淀积2 000nm厚的多晶硅薄膜进行饱和掺杂。

3 多晶硅饱和掺杂

3.1 扩散模式

杂质在多晶硅膜中，由于晶粒间界的存在，扩散方式比较复杂。杂质在晶粒间界的扩散比晶粒内点阵间的扩散快很多。根据晶粒间界增强扩散和晶粒内扩散的相对比较，杂质在多晶硅膜中的扩散模式可以分为三类。

A类：晶粒L较小或晶粒内的扩散较快，以至从两边晶粒间界向晶粒内的扩散相互重叠。简化示意图见图1。

图1 A类扩散模式（阴影区为掺入杂质的区域）

B类：晶粒较大，或晶粒内的扩散较慢，所以在离晶粒间界较远处趋于零。简化示意图见图2。

图2 B类扩散模式（阴影区为掺入杂质的区域，空白区为未掺入杂质区域）

C类：与晶粒间界扩散相比，晶粒的点阵扩散可以忽略不计，因此，有意义的原子输运过程只发生在晶粒间界内。简化示意图见图3。

图3 C类扩散模式（阴影区为掺入杂质的区域，空白区为未掺入杂质区域）

为了达到深饱和掺杂，要使多晶掺杂工作在A类方式，即杂质在晶粒内和晶粒间界同时扩散，并且分布均匀。当多晶厚度有限且扩散时间比较长时，扩散模式往往发展为A类。对于厚多晶硅膜，由于厚度较厚，A类方式就要求很长的掺杂和退火时间。

3.2 扩散方式

多晶硅可以通过扩散、注入或是在淀积时加入掺杂气体进行掺杂。比较这三种掺杂工艺，主要的不同是扩散的电阻率较低，离子注入的掺杂浓度较低，淀积时加入掺杂气体的迁移率较低[2]。炉管扩散掺杂是一种高温过程，掺杂浓度经常超过固溶度极限，过剩的掺杂元素分凝在晶粒间界[3]，它使多晶硅的电阻率降得很低。因此，在制作低阻多晶电阻时，采用炉管扩散掺杂方式对多晶硅进行深饱和掺杂。

3.3 炉管掺杂工艺

炉管扩散掺杂多数采用液态源。液态源能提供较好的一致性和纯度。多数液态源是卤族化合物，还能起辅助作用：吸收反应物，排除重金属杂质。液态源的工作方式为：在一定温度下，携带气体通过液态杂质源，带着源的蒸气进入扩散炉，即将液态源转化为气态。这种工艺很容易控制气体流过起泡器的开始或结束时间，便于工艺控制。

目前，炉管掺杂普遍使用液态POCl3源，通入N2作为携带气体，进入炉管后与一起通入的O2反应，在硅片表面的多晶硅薄膜上生成掺杂杂质的氧化物P2O5进行掺杂预淀积。化学反应式为：

反应生成的Cl2被带走，而P2O5与多晶硅反应，P原子被还原出来，通过扩散进入多晶硅薄膜中，并在多晶硅表面生成SiO2。

通入POCl3的预淀积步骤结束后，在N2氛围中进行再扩散，激活杂质，并使得杂质进行再分布，使杂质原子达到稳定状态，并达到预期的方块电阻值。

4 实验

实验步骤如图4。

图4 实验步骤

热氧化生长650nm SiO2作为多晶硅与衬底的阻挡层。本实验是在单晶硅圆片上直接制作低阻多晶硅膜，因此可以采用热氧生长SiO2。若在其他衬底上制作，无法采用热氧化的方式，也可以采用CVD淀积阻挡层的方法。LPCVD分别淀积1 000nm及2 000nm厚度多晶硅薄膜，进行掺杂实验。影响炉管掺杂电阻值的因素很多，如扩散温度、气氛、扩散时间、杂质种类、排风等。其中扩散温度、时间比较容易控制和调节，实验时通过对以上因素进行优化，在保证达到饱和掺杂的前提下，取最佳条件进行掺杂，并进行重复性验证。掺杂结束出炉后，使用稀HF酸漂掉多晶硅表面的SiO2后，使用四探针仪测试方块电阻。实验结果如表1。

表1 实验结果

四探针测试MAP图如图5。

图5 四探针测试MAP图

5 结论

从实验结果来看，炉管非饱和掺杂的电阻片内均匀性较差，且若采用非饱和掺杂方式，势必要增加多晶厚度。因此，多晶硅的掺杂虽可采用多种方式，对于低阻的多晶硅掺杂，考虑经济性、大生产以及工艺质量等方面的因素，应选择采用LPCVD淀积多晶薄膜后使用炉管饱和掺杂的方式。采用该方法能够较方便地得到稳定、均匀的方块电阻。

[1]Stanley Wolf, Richard N. Tauber. Silicon Processing for the VLSI Era I [M].Lattice Press, 1986.

[2]王阳元.多晶硅薄膜及其在集成电路中的应用[M]. 北京：科学出版社，2001.

[3]李兴.超大规模集成电路技术基础[M].北京：电子工业出版社，1999.

[4]M M Mandurah, K C Saraswat, C R Helms, et al. Dopant Segregation in Polycrystalline Silicon [J]. Appl.Phys.,1980,51：5 755.