集成電路工藝技術(shù)講座

第六講外延工藝Epitaxy外延技術(shù)講座提要外延工藝簡述外延的某些關(guān)鍵工藝幾種常見外延爐性能比較外延工藝及設(shè)備的展望

一、外延工藝簡述1.外延的含意Epi—taxy是由希臘詞來的表示在上面排列upontoarrange。外延的含意是在襯底上長上一層有一定厚度一定電阻率及一定型號的單晶。外延是一種單晶生長技術(shù)但又不同于拉晶、也不同于一般的CVD。2.外延的優(yōu)點減少串聯(lián)電阻簡化隔離技術(shù)消除CMOS的可控硅效應(yīng)可以根據(jù)器件的要求,隨心所欲地生長,各種不同型號，不同電阻率和厚度的外延層。CMOS電路的latch-up效應(yīng)

用重?fù)揭r底加外延可以減小這效應(yīng)RsRw3.外延沉積的原理1)反應(yīng)式SiHX1CLY+X2H2Si+YHCL2)主要外延生長源硅源生長速率μm/m生長溫度允許含氧量sicl40.4-1.51150-12005-10ppmsihcl30.4-31100-12005-10ppmsih2cl20.4-21050-1150<5ppmsih40.1-0.3950-1050<2ppm（Y=X1+2X2）4.外延工藝過程裝片趕氣升溫恒溫(850oC)烘烤6’升溫(1200o?)HCL腐蝕趕氣外延沉積趕氣并降溫N2趕氣(3’)取片5.HCL腐蝕的作用清潔表面減少缺陷減少前工藝所引入的損傷，降低和消除晶體缺陷HCL的腐蝕量約0.2-0.4μ，我們選用腐蝕速率為0.06μ/m時間4’約去除0.24μ。6.外延摻雜摻雜源：N型：PH3/H2AS3/H2P型：B2H6/H2摻雜方式：source%=inject%

diluent%=100%-inject%

摻雜計算

ρTest/ρTarget=DNTarget/DNTest實際的修正由于有自摻雜因此實際摻雜量還應(yīng)減去自摻雜的量7.外延參數(shù)數(shù)測定晶體缺陷：：層錯,位錯錯,滑移線線,點缺陷陷,顆粒,霧,小小丘分析手段：：顯微鏡、干干涉相襯顯顯微鏡、uv燈、、掃描描電鏡、表表面沾污掃掃描儀1)外延表面缺缺陷的顯示示和測試缺陷的顯示示對于(111)取向向：Sirtl：HF：5mCrO3=1:1對于(100)取向向：Wright：a.45gCrO3+90mlH2Ob.6gCU(NO3)+180mlH2Oc.90mlHNO3+180mlHAC+180mlHa:b:c=1:1:1染色腐蝕液液：HF:HNO3:HAC=1:3:72)電阻率率測試三探針:n/n+p/p+探針接觸電電阻大四探針:p/nn/p當(dāng)在界面有有低阻過渡渡區(qū)時測試試不準(zhǔn)SRP:n/n+p/p+n/pp/n要求知道襯襯底型號與與取向，否否則測試不不準(zhǔn)C-V:n/n+p/p+n/pp/n要求嚴(yán)格的的表面清潔潔處理四探針srpSrp還可可測濃度(或電阻率率)與結(jié)深深的關(guān)系，，可看過渡渡區(qū)寬度，，是一個很很好的分析析測試手段段基區(qū)太深使使擊穿下降降基區(qū)結(jié)深合合理擊穿提提高3)厚度測測試磨角染色再再用干涉顯顯微鏡測厚厚度層錯法：對于(111)T=0.816L對于(100)T=0.707L紅外測厚儀儀：范圍0.25-200微微米精度0.02微米滾槽法：T=(X-Y)/DYxDLL二、外延的的一些關(guān)鍵鍵工藝1.外延的的圖形漂移移patternshift-對于(111)晶體在與與110定定位面垂直直的方向發(fā)發(fā)生圖形漂漂移。-產(chǎn)生原原因是外延延的反應(yīng)產(chǎn)產(chǎn)物HCL，擇優(yōu)腐腐蝕埋層邊邊緣，使埋埋層圖形產(chǎn)產(chǎn)生位移。。-危害性性：使光刻刻無法對準(zhǔn)準(zhǔn)，從而影影響電學(xué)特特性。-關(guān)鍵：：要知道漂漂移量，同同時要控制制各爐子相相同。外延圖形漂漂移的測定定用滾槽法測測shift由于漂移.使光刻套套準(zhǔn)差.造造成電學(xué)性性能變差案例分析7800上上下片因溫溫度不均勻勻造成shift不不同,引起起電學(xué)參數(shù)數(shù)不同。上片漂移小小糾偏過頭頭下片糾偏較較正確2.圖形畸畸變Distortion外延后圖形形增大或縮縮小,變模模糊,甚之之消失。圖形邊緣不不再銳利。?；冊颍海褐饕荋CL腐蝕硅硅片表面，，在臺階處處，由于取取向不同使使各方向腐腐蝕速率不不同結(jié)果產(chǎn)產(chǎn)生畸變。。SHIFT對稱變大非對稱畸變變對稱變小圖形消失外延后圖形形嚴(yán)重畸變變對于(111)晶片片,取向?qū)冇绊戫懞艽蠡冃』儑?yán)重輕微畸變使使圖形邊緣緣模糊，使使光刻困難難輕微畸變水平方向變變寬，光刻刻機(jī)不能識識別硅源中氯原原子的含量量上對shift的的影響溫度度對對shift的的影影響響生長長速速率率對對shift的的影影響響減少少畸畸變變和和漂漂移移的的方方法法選用用低低氯氯的的源源。。溫度度升升高高畸畸變變減減少少降低低外外延延壓壓力力(采采用用減減壓壓外外延延)降低低生生長長速速率率(減減少少氯氯含含量量)對于(111)取向偏偏離3-4o(向最最近的110方方向)增加H2流量2.摻雜與自自摻雜D總摻雜雜=D摻摻雜+D自摻雜雜當(dāng)D自摻摻量<<D摻雜雜時影響響不大當(dāng)D自摻摻雜與D摻雜接接近時,影響就就明顯,甚至難難控制。外延過程程自摻雜雜的停滯滯層解釋釋在外延過過程中襯襯底表面面由于原原子間的的引力，，有一個停停滯層，，襯底中重重?fù)降碾s雜質(zhì)被吸吸附在停停滯層,沉積時以以自摻雜雜進(jìn)入外外延層中中。停滯層襯底外延過程程中氣流流和雜質(zhì)質(zhì)的走向向具體案例例：重?fù)揭r底底使外延延電阻率率降低.自摻雜量量的估算算：在重?fù)戒R銻的N+襯底上上外延本征外延延：陪片片ρ>100ΩcmN+ρρ=18-26Ωcm摻雜外延延：DN=60cc陪陪片片ρ=11ΩcmN=4.4*1014N+ρ=7ΩΩcmN=5.5*1014自摻雜量量：??=1.1*1014不同的加加熱方式式可以產(chǎn)產(chǎn)生不同同的自摻摻雜結(jié)果果1.感應(yīng)應(yīng)加熱的的特點是是基座的的溫度高高于硅片片溫度，，外延過過程使基基座上的的硅向硅硅片背面面轉(zhuǎn)移，，使重?fù)綋揭r底的的雜質(zhì)封封住，減減少自摻摻雜。2.紅外外加熱的的相反：：硅片的的溫度高高于基座座，外延延時硅片片背面的的硅和雜雜質(zhì)原子子在向基基座轉(zhuǎn)移移過程中中跑出來來形成自自摻雜。。所以紅外外加熱要要比感應(yīng)應(yīng)加熱自自摻雜要要嚴(yán)重，，過渡區(qū)區(qū)也差一一些T2T3T4基座溫度度T1T1>T2>T3>T4感應(yīng)加熱熱外延的過過渡區(qū)1)過過渡區(qū)的的定義：：在外延與與襯底界界面外延電阻阻率差二二個數(shù)量級2)過過渡區(qū)寬寬度對器器件的影影響：過渡渡區(qū)小---好好3)影影響過渡渡區(qū)的因因素：a襯底外外擴(kuò)散b自摻雜雜c外延主主摻雜cba以P/P+為例例減少自自摻雜的的試驗外延條件件外外延結(jié)結(jié)果1.襯底底電阻率率0.01ΩCM40ΩCM0.023952.予烘烘烤問題題1220oC951200851180653.沉積積速率1.5μ/M901.0750.5364.沉積積溫度1060oC95108050110065.背封封1μSIO2150減少自摻摻雜的方方法背封摻sb的的襯底比比摻As的自摻摻雜小不同外延延爐自摻摻雜不同同減壓外延延采用大量量的H2趕氣，，可減少少自摻雜雜采用二步步法外延延3.外延延表面缺缺陷常見缺陷陷有：層層錯、位位錯、滑滑移線、、霧、小小丘、桔桔皮狀、、邊緣凸凸起、表表面顆粒粒等造成原因：表面有損傷層層，易產(chǎn)生層層錯與(111)取向偏離小小于0.5o，易產(chǎn)生乳乳凸?fàn)钚∏鸸杵軣岵痪鶆?，易產(chǎn)生生滑移線外延系統(tǒng)漏氣氣易產(chǎn)生白霧霧硅片表面不潔潔，或反應(yīng)室室臟易產(chǎn)生顆顆粒1)層錯產(chǎn)生原因：襯襯底表面有損傷，，或不干凈減少層錯的方方法：用HCL腐蝕蝕襯底表面去除損傷傷層及清潔硅片表表面表面顆粒:與外延系統(tǒng)及及襯底的清潔潔度有關(guān)，下下圖是用表表面沾污儀測測試結(jié)果表面呈乳凸?fàn)顮钚∏穑寒a(chǎn)生生原因與襯底底取向有關(guān)，，與(111)取向偏離離小于1o(111)硅片片的滑移線滑移線產(chǎn)生原因：硅片在熱處理理過程中，受熱不均勻，，在1200ooC當(dāng)中心和邊緣緣的溫差，大于25oC時，其屈屈應(yīng)力大于1000PSI，，易產(chǎn)生滑移線，，它會嚴(yán)重地影響成品品率。感應(yīng)加熱及大直徑徑硅片溫差大，易產(chǎn)生滑滑移線。外延后埋層圖圖形變粗糙與外延的氣氛氛及埋盡的表表面狀變有關(guān)關(guān)外延系統(tǒng)有輕輕微漏氣外延延后有輕微白白霧下圖是經(jīng)鉻酸酸腐蝕后看到到的層錯和霧霧類似三角形缺缺陷原因：表面氧氧化層沒去凈凈4.減壓外延延1.減少外延延自摻雜減少少過渡區(qū)寬區(qū)區(qū)2.減少圖形形漂移和畸變變襯底滯留層對流層減壓外延使滯滯留層減薄,大部分雜質(zhì)質(zhì)進(jìn)入對流層層帶走減壓壓力與過渡區(qū)區(qū)的關(guān)系壓力對圖形漂漂移的影響壓力與過渡區(qū)區(qū)寬度三.外延設(shè)備備簡介1.按結(jié)構(gòu)分分類臥式爐立立式式爐筒式爐大大直直徑硅片外延延爐2.按加熱方方式分類紅外加熱：：硅片溫度度高于基座不不易產(chǎn)生滑移移線高頻加熱：：基座溫度度高于硅片,硅片和基座座溫差大>45oC,易產(chǎn)產(chǎn)生滑移線，，但自摻雜雜少。硅片背背面易長多晶晶。中低頻加熱：：基座溫度度高于硅片硅硅片和基座溫溫差大>25oC易產(chǎn)生滑移線線，但自摻摻雜少。片子子背面易長多多晶。不同外延爐的的結(jié)構(gòu)當(dāng)前常見幾種種外延爐優(yōu)缺缺點比較1.四類常見見外延爐：紅外加熱：AMC77007810MTC7700K高頻感應(yīng)加加熱：gemini2(180khz)低頻感應(yīng)加熱熱：LPE2061S(4khz)EPIPRO5000(25khz)大直徑硅片外外延爐：ASMepsilonAMCcentruraLPE3061AMC78102.各類外延延爐的優(yōu)缺點點1)平板型立立式爐:Epipro5000(gemini-4)低頻加熱：自自摻雜少，硅硅片熱應(yīng)力較較大易產(chǎn)生滑滑移線石英噴頭：比比金屬噴頭沾沾污少。雙反應(yīng)室：提提高爐子利用用率，可以緊緊靠排放占地地面積小，生生產(chǎn)能力強(qiáng)6”500片/日最大優(yōu)點：自自摻雜少、占占地小、產(chǎn)能能大缺點：滑移線線難避免、耗耗氣量大、背背面粗糙2)筒式中低低頻加熱LPE2061S中低頻感應(yīng)加加熱、感應(yīng)線線圈采用專利利的雙向加熱熱方式，使片片子與基座的的溫差更小雙反應(yīng)室，加加上使用IGBT作為加加熱發(fā)生器使使二個反應(yīng)室室利用率更高高，同時它比比紅外燈管的的壽命長，成成本低O-型圈在鐘鐘罩的下面可可減少顆粒，，提高表面質(zhì)質(zhì)量基座和鐘罩經(jīng)經(jīng)特殊設(shè)計利利用率高，產(chǎn)產(chǎn)能大、氣流流模型好，基基座鐘罩間的的間距小，趕趕氣時間短自摻雜小過渡渡區(qū)窄、可做做高阻厚外延延缺點：易產(chǎn)生生滑移淺，影影響成品率，，背面粗草紅外加熱的筒筒式外延爐AMCMTC紅外燈加熱：：T片>T基座滑移線少,但但自摻雜嚴(yán)重重片子立放表面面好生產(chǎn)量大，設(shè)設(shè)備小只有單反應(yīng)室室所以利用率率低MTC公司在在AMC78XX的基礎(chǔ)礎(chǔ)上把爐體加加大基座加大大，溫度由3段控制改成成8段控制使使產(chǎn)能提高了了的50%均均勻性由5%提高到3%該爐子特別適適合于電路片片的生產(chǎn)，由由于不易產(chǎn)生生滑移線所以以成品率也相相對較高，背背面較好。缺點是自摻雜雜嚴(yán)重不利于于做重?fù)揭r底底的高阻外延延，另外過渡渡區(qū)寬度較大大，對器件不不利。各爐子性能比比較大直徑硅片外外延爐典型代表：ASMEpsilonAMCCentruraLPE3061MTC308工藝特點：1.均勻性好好、自摻雜小小、過渡區(qū)小小、明顯地優(yōu)優(yōu)于多片式爐爐子。2.裝卸硅片片從片盒到片片盒，表面顆顆粒少。3.產(chǎn)能，<6”片產(chǎn)能能小,為了提提高產(chǎn)能采用用高的生長速速率5μ/m，片子先予熱熱，盡可能縮縮短時間，而而6”以上可可比多片爐成成本降低,越越大越低。AMCCENTRORAASMEPSION-2各大直徑硅片片外延爐的生生產(chǎn)能力6”8”>10”ASMepsilon-2111AMCcentrura三反應(yīng)室1*31*31*3MTCΩ308631LPE306185-g-278107700E-2單片外延爐的的一些優(yōu)點外延工藝及設(shè)設(shè)備的展望向超薄外延層層發(fā)展：淺結(jié)結(jié)薄外延，低低溫低壓外延延。向CMOS發(fā)發(fā)展，大直徑徑硅外延向電力電子大大功率高反壓壓發(fā)展：高阻阻厚外延、多多層外延等為減少串聯(lián)電電阻,采用重重?fù)缴榱滓r底底ρ<10-3所以減少自摻摻雜，減少過過渡區(qū)寬度將將是工藝和設(shè)設(shè)備的重要內(nèi)內(nèi)容SOI外延GeSi外外延提高器件件性能補(bǔ)充鐵離子沾污的的控制：1)金屬離子子沾污對器件件的影響：a.使橫向管管放大系數(shù)減減小b.使功率器器件漏電增加加，可靠性變變差2)測試金屬屬離子沾污的的方法：SPV(sufecephotovoltage)測試要求：鐵鐵離子濃度<6e11、、life-time>350μs3)產(chǎn)生金屬屬離子沾污的的可能原因襯底及清洗引引入沾污、H2中含水量量高使HCL變成鹽酸，，腐蝕管路造造或沾污所以以H2含水量量應(yīng)小于50ppb、反反應(yīng)室有沾污污例如感應(yīng)線線圈銹蝕等例如感應(yīng)線圈圈下面有銹可可能造成鐵離離子沾污鐵9、靜靜夜夜四四無無鄰鄰，，荒荒居居舊舊業(yè)業(yè)貧貧。。。。12月月-2212月月-22Wednesday,December7,202210、雨中中黃葉葉樹，，燈下下白頭頭人。。。22:11:0122:11:0122:1112/7/202210:11:01PM11、以我獨沈久久，愧君相見見頻。。12月-2222:11:0122:11Dec-2207-Dec-2212、故故人人江江海海別別，，幾幾度度隔隔山山川川。。。。22:11:0122:11:0122:11Wednesday,December7,202213、乍見翻疑疑夢，相悲悲各問年。。。12月-2212月-2222:11:0122:11:01December7,202214、他鄉(xiāng)生白發(fā)發(fā)，舊國見青青山。。07十十二二月202210:11:01下下午午22:11:0112月月-2215、比比不不了了得得就就不不比比，，得得不不到到的的就就不不要要。。。。。十二二月月2210:11下下午午12月月-2222:11December7,202216、行動出成果果，工作出財財富。。2022/12/722:11:0122:11:0107December202217、做前，能夠夠環(huán)視四周；；做時，你只只能或者最好好沿著以腳為為起點的射線線向前。。10:11:02下午午10:11下下午22:11:0212月-229、沒有有失敗敗，只只有暫暫時停停止成成功??！。12月月-2212月月-22Wednesday,December7,202210、很多事情情努力了未未必有結(jié)果果，但是不不努力卻什什么改變也也沒有。。。22:11:0222:11:0222:1112/7/202210:11:02PM11、成功就是日日復(fù)一日那一一點點小小努努力的積累。。。12月-2222:11:0222:11Dec-2207-Dec-2212、世世間間成成事事，，不不求求其其絕絕對對圓圓滿滿，，留留一一份份不不足足，，可可得得無無限限完完美美。。。。22:11:0222:11:0222:11Wednesday,December7,202213、不知香積積寺，數(shù)里里入云峰。。。12月-2212月-2222:11:0222:11:02December7,202214、意志堅堅強(qiáng)的人人能把世世界放在在手中像像泥塊一一樣任意意揉捏。。07十十二月202210:11:02下下午22:11:0212月-2215、楚楚塞塞三三湘湘接接，，荊荊門門九九派派通通。。。。。十二二月月2210:11下下午午12月月-2222:11December7,202216、少少年年十十五五二二十十時時，，步步行行奪奪得得胡胡馬馬騎騎。。。。2022/12/722:11:0222:11:0207December202217、空山山新雨雨后，，天氣氣晚來來秋。。。10:11:02下下午午10:11下下午22:11:0212月月-229、楊柳散散和風(fēng)，，青山澹澹吾慮。。。12月