[发明专利]晶体硅激光辅助铝硼共掺杂及电极制备方法

说明书

 

技术领域

       本发明属于半导体材料与器件技术领域，特别是基于晶体硅半导体的电子器件技术领域，涉及晶体硅中一种采用激光技术实现铝硼两种元素共掺杂的方法及其相关电极的制备方法。

技术背景

晶体硅是当今应用最广泛的半导体材料，在各种微电子器件（如MOS、MOSFET、MESFET等）、光电子器件（如发光二极管、太阳能电池、激光器、光探测器等）、以及功率电子器件等技术领域具有重要地位。硅材料的技术工艺非常成熟、产业链完整、成本相对较低，而且储量丰富，因此在未来仍将是最重要的半导体材料。

不含杂质或杂质含量很低的硅半导体称为本征半导体，本征半导体载流子浓度低、电阻率高，其电性能受温度等因素影响很大，因此在制备电子器件时需要对其进行掺杂，掺杂的半导体常称为非本征半导体。当在本征硅半导体中掺入一定量的第三主族元素如硼（B）、铝（Al）、镓（Ga）等杂质原子时，本征硅即成为p型半导体，其载流子主要是空穴，随着掺杂浓度的增大，空穴浓度迅速提高，电阻率快速降低。如果在本征硅半导体中掺入一定量的第五主族元素如磷（P）、砷（Al）、锑(Sb)等杂质原子时，本征硅即成为n型半导体，其载流子主要是自由电子，随着掺杂浓度的增大，自由电子浓度迅速提高，电阻率快速降低。如果掺杂浓度较高，这种掺杂半导体也称为n+型或p+型半导体。

如果在一块晶体硅片上的不同区域进行有控制的掺杂，可以得到p-n、p-n-p、p-n-p-n、n-p-n等不同种类的基本器件，对这些基本器件的尺寸进行控制和排列连接，即可制成大规模集成电路。光电子器件一般是基于p-n结而制成的，比如晶体硅太阳能电池实际上是一个面积很大（即整个硅片）的p-n结。

硅半导体的掺杂一般是通过高温热扩散实现，比如磷的扩散一般可以在850℃左右实现，而硼的扩散则需要在1000℃左右实现，硅片的高温处理往往导致其电性能的下降。铝在硅中的掺杂常常是通过铝和硅之间在加热时形成铝硅共熔体，然后在冷却时铝硅共熔体中的硅析出结晶生长，而部分铝留在硅晶体中实现铝在硅中的掺杂。

铝和硼在硅中均为p型掺杂，但他们在晶体硅中的掺杂浓度有显著的差异。铝在晶体硅中的固溶度很小，因此铝在晶体硅中的掺杂浓度较低，其掺杂浓度一般在3 x 10¹⁸ atoms/cm³以内，而硼在晶体硅中的固溶度比铝高1个数量级以上，因此可以实现更高浓度的掺杂。然而，如前所述，硼通过热扩散实现在晶体硅中的掺杂需要很高的温度，这制约了其在硅基电子器件制备工艺中的应用范围。

激光辅助掺杂技术在近年来得到了快速发展，一般采用脉冲激光技术，能够极短时间内在局部区域产生高温，而其它区域则不受任何影响。采用激光辅助掺杂技术可以获得比常规技术所能达到的掺杂浓度要高一些。

晶体硅的常用掺杂元素如硼、铝、磷等元素均可通过激光技术实现在晶体硅中的局域掺杂，具体的技术方法叙述如下：（1）在硅片表面涂覆一层含硼或磷的膜层，对于铝掺杂来说，一般是用真空方法沉积一层金属铝膜层；（2）用脉冲激光照射硅片表面的膜层，激光使辐照区域的硅熔化，其熔化深度可以通过激光的工艺参数调节，膜层中的原子与硅熔体成为共熔体，激光被切断电源或移开后，该共熔体迅速冷却，硅从该共熔体析出并快速开始结晶生长，部分掺杂原子停留在生长的硅晶体中实现掺杂。

晶体硅激光辅助铝掺杂实际上也完成了电极的制备，这是因为真空沉积的一层金属铝膜层具有良好的导电性能，同时与局域铝掺杂区域直接形成欧姆型电接触，因此成为硅基电子器件的电极，这样，掺杂工艺和电极制备工艺在一步即可完成。而对于硼或磷在晶体硅中的激光辅助掺杂来说，在激光掺杂处理之后，需要将含硼或磷的膜层从硅片清洗掉，然后再采用真空技术沉积金属膜层，该金属膜层与硼或磷掺杂区域形成欧姆型电接触，从而成为电极，显然在该工艺中掺杂工艺和电极制备工艺是通过两步工艺完成的。