外延工藝簡介

1、 外延工藝簡介By趙仲鏞杭州士蘭集成電路杭州經(jīng)濟技術開發(fā)東區(qū)10號路308號Hangzhou Silan Integrated Circuit Co., Ltd。308, No. 10 Road, East HETZ, Hangzhou, Zhejiang, China 310018 2005.08.05 .什么叫外延生長？硅外延的根本原理外延設備及所用的氣體在外延中應留意的問題外延層中的晶體缺陷外延的質量表征因子外延層測試設備目前國內(nèi)外延的動態(tài)從事外延任務人員應具備的根本素質：敬業(yè)精神、一絲不茍的任務態(tài)度、質量認識和平安認識。.什么叫外延？ 外延Epitaxy這個詞來源于希臘字epi,意思是

2、“之上。這樣選定的詞對外延提供了一個恰當?shù)拿鑼?。一個含有硅原子的氣體以適當?shù)姆绞浇?jīng)過襯底，自反響劑分子釋放出的原子在襯底上運動直到它們到達適當?shù)奈恢?，并成為生長源的一部分，在適當?shù)臈l件下就得到單一的晶向。所得到的外延層準確地為單晶襯底的延續(xù)。 硅外延生長其意義是在具有一定晶向的硅單晶襯底上生長一層具有和襯底一樣晶向的電阻率與厚度不同的晶格構造完好性好的晶體。 半導體分立元器件和集成電路制造工藝需求外延生長技術，因半導體其中所含的雜質有N型和P型，經(jīng)過不同類型的組合，使半導體器件和集成電路具有各種各樣的功能，運用外延生長技術就能容易地實現(xiàn)。 硅外延生長方法，目前國際上廣泛的采用化學氣相堆積生長方

3、法滿足晶體的完好性、器件構造的多樣化，安裝可控簡便，批量消費、純度的保證、均勻性要求。.硅外延的根本原理: 硅的化學氣相堆積外延生長其原理是在高溫1100的襯底上保送硅的化合物SiHCl3或SiCl4或SiH2Cl2等利用氫H2在襯底上經(jīng)過復原反響析出硅的方法。 同時外延生長的重要特征之一是可以用恣意濃度和導電類型的硅襯底上人為的故意地進展摻雜，以滿足器件花樣眾多的要求。 氣相外延生長過程包括： 1反響劑SiCl4或SiHCl3+H2氣體混合物質量轉移到襯底外表； 2吸收反響劑分子在外表上反響物分子穿過附面層向襯底外表遷移； 3在外表上進展反響或一系列反響； 4釋放出副產(chǎn)物分子； 5副產(chǎn)物分子

4、向主氣流質量轉移；排外 6原子加接到生長階梯上。. 氯硅烷復原法的特點在于它是一個吸熱過程,該反響需求在高溫下才干發(fā)生。這些反響是可逆的，其可逆的程度隨氯硅烷中氯(Cl)的含量的添加而添加。同時，氯的含量決議了外延生長溫度范圍。外延生長溫度隨硅源中氯Cl)含量的添加而添加。 同時我們應知道，硅片外表是硅單晶體的一個斷面，有一層或多層原子的鍵被翻開，這些不飽和鍵處于不穩(wěn)定形狀，極易吸附周圍環(huán)境中的原子和分子，此景象稱為“吸附。吸附在硅片表面的雜質粒子在其平衡位置附近不停地做熱運動，有的雜質離子獲得了較大的動能，脫離硅片外表，重新回到周圍環(huán)境中，此現(xiàn)象稱為“解吸。而同時介質中的另一些粒子又被重新吸

5、附，即硅片外表層吸附的雜質粒子處于動平衡形狀。 對硅片而言 吸附放熱 ,解吸吸熱。 按照被吸附的物質的存在形狀，吸附在硅片外表的雜質可分為：分子型，離子型和原子型三種。.外延生長摻雜原理 為了使半導體器件得到所需求求的電參數(shù)，用P型或N型雜質對外延層進展摻雜是必要的。器件的效果取決于摻雜濃度的準確控制和摻雜劑濃度沿外延層的縱向分布。 外延層中的雜質原子是在生長過程中被結合到外延層的晶格中。雜質的沉淀過程與外延生長過程類似，也存在質量傳輸和表面化學反響控制兩個區(qū)域.但雜質源和硅源的化學動力學不同,情況更為復雜。雜質的摻入效率不但依賴于生長溫度,同時每種摻雜劑都有其本身的特征。普通情況下,硅的生長

6、速率相對穩(wěn)定。硼的摻入量隨生長溫度上升而添加，而磷和砷卻隨生長溫度的生長溫度的上升而下降(見圖1)。.101710181016110012001300B2H6PH3AsH3T()摻雜濃度(原子/cm3)(圖1) 硅外延中摻雜劑的摻入系數(shù) 與生長溫度就之間的函數(shù)外延XatXjCf(x)Cat(x)氣相自摻雜系統(tǒng)自摻雜無自摻雜摻雜濃度距外表深度(圖3) 摻雜濃度與距外延外表深度之間 的關系曲線表示圖.這種階梯式的 分布是自摻雜和外分散不發(fā)生的 理想情況.該彎曲分布是由于不均 勻摻雜雜質所導致的實踐情況. 另外，襯底的取向可以影響雜質的摻入數(shù)量。摻雜劑的摻入行為還受生長速率的影響，以砷(As)為例，

7、普通生長速率快，摻入行為降低。而磷(P)摻雜濃度變化在不同生長速率下是不同的，在1016/cm3濃度，生長速率0.1um/min,生長溫度11001200有上升趨勢見圖生長速率也影響雜質的再分布，圖形 漂移和圖形畸變。生長速率0.1um/min 添加0.5um/min時，雜質自摻雜減少。雜 質外分散也隨生長速率的添加而減少。反 之，圖形漂移那么隨生長速率的添加而添加。 混合氣流的流速也影響外延層的均勻性， 低流速可以產(chǎn)生較差的均勻性。1000110012001016/cm31.2um/min0.6um/min0.1um/min圖2. 在P型外延生長中,我們應該認識重摻硼(B)有其特點。硼(B)

8、原子質量很小，值為10.81，而磷(P)為30.9、砷(As)為74，銻(Sb)為121。 由于硼(B)很輕，半徑小，因自在程大在流動氣體中相對分散間隔大(相對于P、As、Sb)。而它更容易到達反響器壁、石墨基座、石英件等外表，而被大量吸附，成為外延生長的摻雜源。而P、As、Sb運動間隔小，易被氣流帶出反響室外，所以重摻硼(B)P型襯底自摻雜效應嚴重難控制。.外延設備及所用的氣體： 化學氣相外延生長運用的設備安裝通常稱謂外延生長反響爐。普通主要由氣相控制系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、反響爐主體、排氣系統(tǒng)四部分組成。 反響爐爐體它是在高純石英鐘罩中懸掛著一個多邊錐狀桶式經(jīng)過特殊處置的高純石墨基座?；戏?/p>

9、置硅片，利用紅外燈快速均勻加熱。九段溫控、中心軸可以旋轉，進展嚴厲雙密封的耐熱防爆構造。 電源系統(tǒng)：獨立電源線、3相4線、50Hz、350A 氣體控制系統(tǒng)：高精度的質量流量計、傳動器氣動閥控制，無泄露、耐腐蝕的EP管、氫H2檢漏、報警系統(tǒng) 冷卻系統(tǒng)：足夠的水冷循環(huán)系統(tǒng)和風冷循環(huán)系統(tǒng) 控制系統(tǒng)：微機程序控制、聯(lián)鎖方法，平安可靠 爐體：石英鐘罩、石英環(huán)、石英吊桿、護套、雙密封泵、高純石墨基座 溫度控制系統(tǒng)：獨特的紅外燈輻射加熱、9段溫控，均勻快速加熱，可調.硅外延生長安裝的方框圖：.各種硅外延爐比較.在外延中應留意的問題：.外延生長中的自摻雜在通常外延凈化的條件下，人為地引入自摻雜很少，固相自摻雜

10、在生長速率為1um/min條件下，重摻雜襯底外延溫度為1200,外延時間t=5min時，固相分散僅為0.08um,對重摻砷(6*1019/cm3)襯底在外延溫度為1050,外延時間t=5min,固相分散總計為0.04um,占外延層0.8%,這是由于Vt Dt.(D:襯底雜質分散系數(shù)。t：在一定溫度下所經(jīng)過的時間可見氣相自摻雜是自摻雜中的主要要素。在常規(guī)的硅外延工藝過程中，為了保證外延層晶格的完好性得到良好的均勻性，通常在層流形狀質量轉移控制范圍內(nèi)生長。在這種情況下，普通滯留層有幾個微米厚。在外延生長前預熱，尤其氣相拋光。將大量的襯底雜質存在相對靜止的滯留層中，在外延生長時，重新進入外延層，這是

11、呵斥自摻雜的主要緣由。見圖.自摻雜的原因：1、外分散：雜質原子從高雜質濃度襯底向低雜質濃度的外延層進展固相分散所謂固-固分散；2、雜質的再淀積：由襯底的外表邊沿、反面或內(nèi)部埋層熱蒸發(fā)出來的雜質在外延生長時再度進入外延層；3、來自反響室、基座的污染；要求反響室的干凈和基座的硅包縛4、鹵素的腐蝕作用：用鹵化物作源時以及HCl腐蝕劑，由于鹵元素的腐蝕作用，使襯底中氣化的雜質原子在外延時進入生長層。自摻雜的抑制方法：1、背封法2、低溫生長3、兩步生長法等.圖形漂移、畸變 集成電路要在硅片正面部分區(qū)域內(nèi)用分散或離子注入摻雜劑，這個部分分散區(qū)叫做埋層。埋層外表通常降低大約10003000的深度.在埋層上生

12、長的外延層，將重現(xiàn)下面稱底較完美的外表特征襯底和外延層之間圖形的任何橫向位移叫圖形漂移圖形漂移的主要緣由是結晶學平面生長速率的各向異性這個結晶學平面受低陷區(qū)的底和邊的約束。外延層低陷部分的兩條平行臺階邊緣向右挪動一個間隔(d)圖形漂移不改動外延尺寸d外延襯底.假設當兩條平行臺階沿相反的方向位移時，那么外形尺寸將改動，這叫做圖形畸變外延生長過程中有時還會發(fā)生一個或全部邊緣臺階消逝的問題，這種景象叫圖形消逝圖形漂移、圖形畸變和圖形消逝劇烈地取決于襯底的晶向和生長參數(shù)。這些生長參數(shù)包括生長壓力、溫度、硅源氣體和生長速率。襯底和生長參數(shù)的影響：、圖形漂移和畸變在(111)硅片中比(100)硅片嚴重。(

13、111)硅片中圖形漂移通常發(fā)生在相對(111)軸向偏離小于3-5。的情況下；在(100)硅片中圖形漂移很小，但假設襯底略微偏移(100)面，那么可以導致顯著的漂移，特別是在低溫暖低生長速率情況下更是如此。.、在高溫生長可以減少圖形漂移和小平面，對于0.1Mpa壓強下生長，降低生長溫度會呵斥眾多小平面和外形尺寸不對稱大幅度降低淀積溫度(降到1150僅用SiCl4)可以使圖形消逝；、用低壓生長工藝，小平面可以減少，然而這是利用添加圖形尺寸而到達的一個折衷的方法。、在0.1Mpa壓強下，用低生長速率，減少圖形漂移和小平面、用含有少量氯硅烷分子的硅源氣體，圖形漂移可以減少。即：圖形畸變隨溫度的降低而減

14、少圖形漂移隨溫度的升高而減少因此，生長參數(shù)的最正確優(yōu)化是外延特性需求綜合思索的問題。.外延層中的晶體缺陷： 在外延生長過程中，外延層上會出現(xiàn)許多缺陷，有位錯、堆垛層錯、堆積物、異物和氧化引起的缺陷等。從廣義上講，缺陷也包括氧、碳、重金屬等雜質以及原子空位和填隙原子等點缺陷。這些缺陷的存在有的會直接影響半導體的性能。 外延層中各種缺陷不但與襯底質量、襯底外表情況有關，而且也與外延生長過程本身有著親密的關系。 外延層中常見的缺陷有角錐體、圓錐體乳突、月牙和魚尾、劃痕、云霧狀外表位錯、層錯。.外延層缺陷分類：1、外表缺陷：顯露在外延層外表的缺陷。1角錐體2圓錐體3階丘4月牙和魚尾5球6霧狀外表7桔皮

15、.2、晶格構造缺陷：存在于外延層內(nèi)部的缺陷。1層錯2滑移位錯3失配位錯實踐上，有些缺陷來源于外延層內(nèi)部，甚至于襯底內(nèi)部，但隨著外延生長延伸到外表，因此很難說有些缺陷是哪一種類型。.角錐體： 角錐體是一種存在于外延層外表的錐體型小尖峰，多起于外延層和襯底交界面，但也能夠在外延層內(nèi)部產(chǎn)生，普通不會來源于襯底的內(nèi)部。產(chǎn)生的緣由：1、襯底外表質量差和反響系統(tǒng)的沾污，石墨基座的碳等發(fā)生氣相轉變后都會在襯底外表上構成-SiC粒子，就能夠成為角錐體的構成核，由核開場延伸，最后在外延層外表構成角錐體。2、角錐體的構成和襯底的晶向有關。Si的111晶向同其它的晶面相比，最容易發(fā)生角錐體。由于沿111晶向生長速度

16、最慢，最容易出現(xiàn)釋放原子的速度高于這些原子在外表按一定規(guī)律陳列的速度，因此就能夠呵斥外表原子陳列不均勻，引起部分地域晶面突起，成為角錐體的構成核，開展成為角錐體。偏離111晶面幾度，角錐體的數(shù)量就明顯下降，對一定的晶面有一個最大允許生長速率，超越此速率就會出現(xiàn)角錐體。3、外延溫度較低，外表化學反響速度減慢，輸運到外表上的SiHCl3分子因不能很快分解反響而堆積，也會產(chǎn)生角錐體。4、SiHCl3濃度太高也會產(chǎn)生角錐體，假設外表出現(xiàn)的角錐體非常多，就會開展成魚鱗狀的外表。.圓錐體： 這種缺陷往往在10E21/cm3重摻雜層上產(chǎn)生。假設發(fā)生形變，那么可成棱角錐體，因此也可以把這種缺陷看成是角錐體的一

17、種。.階丘： 階丘是尖端有一個角錐體而斜面坡度小的臺階狀突起，高度可以達2-3m。這種缺陷的成因與角錐體類似，可采取一樣措施消除。.月牙和魚尾： 月牙和魚尾是外延堆積后高于或低于表平面的構造，原因于堆剁層錯等襯底缺陷。從這些缺陷的一端引出一尾巴并沿一定方向伸長的凹坑，其寬度為幾微米，長度為10m數(shù)量級。. 球是在外延生長中落到襯底外表的碳粒子所構成，經(jīng)電子衍射分析可知，它具有-SiC的組成與構造。球體所帶的尾巴是反響體被粒子遮擋而生成的影子凹陷。. 霧狀外表是一種存在于外延層外表的缺陷，經(jīng)外表化學腐蝕后普通可用肉眼直接察看到。在111面上，這些缺陷呈淺三角形平底坑，或呈V形及棒狀，尺寸為0.1

18、-0.8m，這些缺陷由于反響氣體的污染H2純度低、系統(tǒng)漏氣、硅片清洗不干凈，氣相腐蝕缺乏所引起。.桔皮： 用肉眼可察看到的小波紋缺陷，這是由于歸片拋光時去層不夠，機械損傷的殘留以及氣相拋光腐蝕不適當呵斥。.以上是常見的幾種外表缺陷，實踐上還有許多種類，例如：鑷子、吸筆、外來粒子的擦傷。這些缺陷的產(chǎn)生大多與雜質的沾污有機物、金屬雜質、碳粒子、灰塵粒子拋光時的機械損傷，反響氣體純度，操作不當?shù)扔嘘P。.層錯： 層錯也稱堆剁層錯，是外延層上常見的缺陷，是由于原子陳列次序發(fā)生錯亂所引起的。利用化學腐蝕法用干涉相襯顯微鏡察看時不用進展腐蝕便可以顯示出層錯。 產(chǎn)生層錯的緣由很多，襯底外表的損傷和沾污、外延溫

19、度過低、襯底外表上的殘留氧化物、摻雜劑不純。生長速率太快，空位或間隙原子的凝聚外延生長時點陣失配等都能夠引起層錯。 層錯是外延層的一種特征性缺陷。它本身并不改動外延層的電學性質，但可以產(chǎn)生其它影響，可引起分散雜質分布不均勻，成為重金屬雜質的淀積中心等。 層錯大多數(shù)是從襯底與外延層的交界面開場的，減少硅片外表的損傷，干凈的外表，防止系統(tǒng)的氣體泄露，外延生長前在1200高溫下處置，HCl腐蝕等對減少、消除層錯是非常有利的。.層錯也稱堆剁層錯，是外延層上常見的缺陷，是由于原子陳列次序發(fā)生錯亂所引起的。.滑移位錯： SiHCl3SiCl4氫H2復原法外延普通在1100-1250的高溫下進展，快速加溫暖冷卻都能夠會產(chǎn)