1、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
2、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。B-Al涂层扩散闭管扩镓开管扩镓主要步骤清洗配置源涂层扩散抛光预扩B再分布清洗装片抽空扩散破管取片清洗氧化扩镓掺杂方式二次分炉掺杂，硅片在炉外存留时间较长，污染严重一次性掺杂，硅片不受外界沾污一次性掺杂，硅片不受外界沾污扩散中保护方式无保护真空保护扩散SiO2、N2、H2保护杂质分布余误差或高斯分布余误差分布余误差或高斯分布次表面层浓度变化急陡分散、难控制变化交缓，分散性小较好控
3、制变化平缓，分散性小，较好控制有效基区浓度低高较高反压水平高、分散低、一致性好较高、一致性好设备与操作简单、复杂、烦琐简单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
4、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2322()()()()Ga OHGaOH O+固气气气23222()2()()2()Ga OHGa OH O+固气气气2322()()2()()Ga OHGaH O+固气气气在设定的扩散条件下，该系统内的主要化学反应为22()()()()GaOHGaH O+气气气气222()()()()H OSiSiOH+气气固气()()GaGa气固通过上述反应，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
5、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
6、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 R测试值abcdeRK1148.0147.6148.3148.0148.0RK283.584.083.584.283.5RK364.064.064.264.064.0 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
7、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
8、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中的运动也是一种扩散运动，应符合菲克一 维扩散方程(,)NJ x tDx=-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
9、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(,)2sxN x tN erfcDt骣=桫综上所述，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-S
10、i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6.3.1 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
11、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
12、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）SiO2-Si界面处的杂质分凝系数2SiSiONmN=（2）杂质在SiO2和Si中的扩散系数之比 22SiOSiDDg=（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
13、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
14、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。
15、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
16、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，
17、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
18、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，
19、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、c、d、e为四周均布，具体测试结果详见表。测试点序号abcde1（前）70.27070.270.5702（中）69.8707069.869.83（后）70.870.570.570.870.8 硅表面R测试值 在完成Ga的扩散之后，进行一次光刻，刻出磷窗口并进行磷扩散，后按常规工艺制造出普通晶闸管KP200A。利用晶闸管综合参数测试仪测量其主要参数，测
20、试结果见下表。参数名称符号单位与测试条件测试值断态重复峰值电压/电流反向重复峰值电压/电流触发电压/触发电流通态峰值电压断态电压临界上升率通态电流临界上升率浪涌峰值电流（3770）共20次全部通过DRMDRMUI125CTC=125CTC=RRMRRMIUGGIUTMUdtdudtdimAVmAVmAVVsVsA分次25CTC=25CTC=125CTC=125CTC=2025002025008.7690.11.6510001502Ga阶梯式分布的应用前景 Ga阶梯式分布与B-Al分布对比6.5.2 Ga的高斯分布在快速晶闸管中的应用1器件结构参数设计2器件制备及主要电学参数3Ga高斯分布的应用原理（1）器件通态特性的改善（2）器件动态特性的改善（3）器件耐压特性的改善 Ga的高斯分布
