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(jiǎn)述外延的某些關(guān)鍵工藝幾種常見(jiàn)外延爐性能比較外延工藝及設(shè)備的展望

一、外延工藝簡(jiǎn)述1.外延的含意Epi—taxy是由希臘詞來(lái)的表示在上面排列upontoarrange。外延的含意是在襯底上長(zhǎng)上一層有一定厚度一定電阻率及一定型號(hào)的單晶。外延是一種單晶生長(zhǎng)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(diǎn)減少串聯(lián)電阻簡(jiǎn)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(zhǎng),各種不同型號(hào)，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(zhǎng)源硅源生長(zhǎng)速率μm/m生長(zhǎng)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(guò)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μ，我們選用腐蝕速率為0.06μ/m時(shí)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(jì)算

ρTest/ρTarget=DNTarget/DNTest實(shí)際的修正由于有自摻雜因此實(shí)際摻雜量還應(yīng)減去自摻雜的量7.外延參數(shù)測(cè)定晶體缺陷：層錯(cuò),位錯(cuò),滑移線(xiàn),點(diǎn)缺陷,顆粒,霧,小丘分析手段：顯微鏡、干涉相襯顯微鏡、uv燈、掃描電鏡、表面沾污掃描儀

1)外延表面缺陷的顯示和測(cè)試缺陷的顯示對(duì)于(111)取向：Sirtl：HF：5mCrO3=1:1對(duì)于(100)取向：Wright：a.45gCrO3+90mlH2Ob.6gCU(NO3)+180mlH2Oc.90mlHNO3+180mlHAC+180mlHa:b:c=1:1:1染色腐蝕液：HF:HNO3:HAC=1:3:72)電阻率測(cè)試三探針:n/n+p/p+探針接觸電阻大

四探針:p/nn/p當(dāng)在界面有低阻過(guò)渡區(qū)時(shí)測(cè)試不準(zhǔn)SRP:n/n+p/p+n/pp/n要求知道襯底型號(hào)與取向，否則測(cè)試不準(zhǔn)C-V:n/n+p/p+n/pp/n要求嚴(yán)格的表面清潔處理四探針srpSrp還可測(cè)濃度(或電阻率)與結(jié)深的關(guān)系，可看過(guò)渡區(qū)寬度，是一個(gè)很好的分析測(cè)試手段基區(qū)太深使擊穿下降基區(qū)結(jié)深合理?yè)舸┨岣?)厚度測(cè)試

磨角染色再用干涉顯微鏡測(cè)厚度層錯(cuò)法：對(duì)于(111)T=0.816L對(duì)于(100)T=0.707L紅外測(cè)厚儀：范圍0.25-200微米精度0.02微米滾槽法：T=(X-Y)/DYxDLL二、外延的一些關(guān)鍵工藝1.外延的圖形漂移patternshift-對(duì)于(111)晶體在與110定位面垂直的方向發(fā)生圖形漂移。-產(chǎn)生原因是外延的反應(yīng)產(chǎn)物HCL，擇優(yōu)腐蝕埋層邊緣，使埋層圖形產(chǎn)生位移。-危害性：使光刻無(wú)法對(duì)準(zhǔn)，從而影響電學(xué)特性。-關(guān)鍵：要知道漂移量，同時(shí)要控制各爐子相同。外延圖形漂移的測(cè)定用滾槽法測(cè)shift由于漂移.使光刻套準(zhǔn)差.造成電學(xué)性能變差案例分跡析7800蘭上下片因化溫度不均廊勻造成s嶄hift栽不同,引柳起電學(xué)參批數(shù)不同。上片漂移賭小糾偏過(guò)巧頭下片糾偏欄較正確2.圖完形畸變點(diǎn)Dis徒tor們tio然n外延后圖梳形增大或博縮小,變呆模糊,甚釘之消失。圖形邊緣手不再銳利銹?；?cè)?hào)因：主要是曉HCL芹腐蝕硅輩片表面另，在臺(tái)艙階處，笛由于取喬向不同利使各方救向腐蝕醉速率不肯同結(jié)果釘產(chǎn)生畸偽變。SHIF蒜T對(duì)稱(chēng)變大非對(duì)稱(chēng)畸嶺變對(duì)稱(chēng)變小圖形消失外延后雅圖形嚴(yán)磚重畸變對(duì)于(威111耍)晶片淹,取向濕對(duì)畸變拴影響很病大畸變小畸變嚴(yán)重輕微畸變爽使圖形邊果緣模糊，外使光刻困接難輕微畸變水平方向血變寬，光那刻機(jī)不能鄙識(shí)別硅源中評(píng)氯原子指的含量漿上對(duì)s宋hif剩t的影描響溫度對(duì)打shi娘ft的招影響生長(zhǎng)速率盆對(duì)shi熊ft的影艦響減少畸槳變和漂娛移的方確法選用低氯優(yōu)的源。溫度升霉高畸變享減少降低外延需壓力(采務(wù)用減壓外項(xiàng)延)降低生慚長(zhǎng)速率弱(減少并氯含量訂)對(duì)于(1傾11)取拜向偏離3勁-4o(向最回近的11饅0方向)增加H事2流量2.摻雜與麻自摻雜D總摻巡壽雜=D匠摻雜+它D自摻蜓雜當(dāng)D自榨摻量<銀<D摻旅雜時(shí)影況響不大當(dāng)D自迅摻雜與極D摻雜陰接近時(shí)測(cè),影響陜就明顯儲(chǔ),甚至高難控制。外延過(guò)程呼自摻雜的由停滯層解滾釋在外延過(guò)瘡程中襯底供表面由于拼原子間的陸引力，有一個(gè)停抄滯層，襯底中茅重?fù)降腻侂s質(zhì)被受吸附在宰停滯層巧,沉積時(shí)以乳自摻雜進(jìn)斃入外延層現(xiàn)中。停滯層襯底外延過(guò)刺程中氣萍流和雜添質(zhì)的走堆向具體案床例：重?fù)揭r漢底使外取延電阻皆率降低.自摻雜疊量的估誰(shuí)算：在重?fù)戒R扇的N+襯拴底上外延本征外霉延：陪丟片ρ>1國(guó)00Ω變cmN+毀ρ=新18-弟26Ω福cm摻雜外撥延：DN=寬60c殿c錢(qián)陪橡片ρ=略11Ω銜cm撓N=婚4.4宰*1014N+ρ=7絹Ωcm醉N=速5.5香*1014自摻雜量碎：?室=1.1賄*1014不同的尾加熱方海式可以蠟產(chǎn)生不帖同的自撓摻雜結(jié)芳果1.感左應(yīng)加熱醒的特點(diǎn)泄是基座觀(guān)的溫度俘高于硅鈴片溫度倦，外延萌過(guò)程使百基座上集的硅向君硅片背堂面轉(zhuǎn)移鑼?zhuān)怪貥s摻襯底中的雜質(zhì)咱封住，勝減少自拒摻雜。2.紅蓋外加熱惜的相反?。汗杵沟臏囟戎陡哂诨プ饣盅訒r(shí)硅愈片背面翻的硅和約雜質(zhì)原氏子在向川基座轉(zhuǎn)雅移過(guò)程繞中跑出周來(lái)形成昆自摻雜請(qǐng)。所以紅外承加熱要比義感應(yīng)加熱幫自摻雜要溉嚴(yán)重，過(guò)焰渡區(qū)也差織一些T2瓦T萌3淋T4基座溫度擁T1T1>朋T2>踩T3>辛T4感應(yīng)加護(hù)熱外延的狀過(guò)渡區(qū)1)睜過(guò)渡區(qū)脈的定義鉤：在外延嘩與襯底瀉界面外延電阻爐率差二個(gè)數(shù)量級(jí)2)駝過(guò)渡區(qū)穗寬度對(duì)牧器件的啦影響：過(guò)逐渡區(qū)小杏---斃好3)影肯響過(guò)渡區(qū)扣的因素：a襯底麥外擴(kuò)散b自摻雜c外延世主摻雜c凍b李a以P/株P(guān)+為糞例減少周自摻雜忌的試驗(yàn)外延條歲件適外延工結(jié)果1.襯私底電阻澡率0.0汪1ΩCM40ΩCM0.02斑3困9蟻52.予基烘烤問(wèn)丸題公1旺220oC逆95120負(fù)0竿85118品0轎653.沉例積速率愿1壺.5μ傾/M貼901.0境750.5弦364.沉綢積溫度朗10忽60o卷C密9戲51080媽501100港65.背榨封欠1μ砍SIO堂2禁15蒜0減少自鈔摻雜的槐方法背封摻sb的笨襯底比摻趙As的自脹摻雜小不同外賭延爐自鋼摻雜不懸同減壓外航延采用大早量的H員2趕氣夕，可減傻少自摻悶雜采用二茂步法外習(xí)延3.外延頸表面缺陷常見(jiàn)缺遼陷有：擊層錯(cuò)、紫位錯(cuò)、緊滑移線(xiàn)刷、霧、什小丘、設(shè)桔皮狀街、邊緣滴凸起、凳表面顆遲粒等造成原因匙：表面有損回傷層，易融產(chǎn)生層錯(cuò)與(11寺1)取向型偏離小于知0.5o，易型產(chǎn)生乳外凸?fàn)钚≤壡鸸杵苈錈岵痪矂?，易淹產(chǎn)生滑煮移線(xiàn)外延系橋統(tǒng)漏氣戶(hù)易產(chǎn)生男白霧硅片表面圈不潔，或歇反應(yīng)室臟輔易產(chǎn)生顆咱粒1)層錯(cuò)產(chǎn)生原趟因：襯晃底表面有傍損傷，冊(cè)或不干凈減少層胸錯(cuò)的方咬法：用HC少L腐蝕踩襯底表面去除怪損傷層及清潔硅斥片表面表面顆粒內(nèi):與外延系嘗統(tǒng)及襯底里的清潔度濟(jì)有關(guān)，研下圖是用砌表面沾污傘儀測(cè)試結(jié)扶果表面呈乳定凸?fàn)钚∏鹗澹寒a(chǎn)生原丘因與襯底曲取向有關(guān)吧，與(1腦11)取刃向偏離小稱(chēng)于1o(111)研硅片的滑薪移線(xiàn)滑移線(xiàn)產(chǎn)生原傅因：硅片在熱賢處理過(guò)程嬸中，受熱不均濾勻，在12全00o銜C當(dāng)中心合和邊緣鄰的溫差得，大于25oC時(shí)，授其屈應(yīng)力大于1設(shè)000P齡SI，易產(chǎn)生滑歇移線(xiàn)，際它會(huì)嚴(yán)重地影響咽成品率。徹感應(yīng)加熱及約大直徑麥硅片溫獻(xiàn)差大，易壤產(chǎn)生滑長(zhǎng)移線(xiàn)。外延后埋拾層圖形變吐粗糙與外延勻的氣氛漠及埋盡千的表面窄狀變有廣關(guān)外延系撞統(tǒng)有輕季微漏氣秀外延后期有輕微糖白霧下圖是礙經(jīng)鉻酸瞞腐蝕后內(nèi)看到的真層錯(cuò)和冬霧類(lèi)似三角余形缺陷原因：騙表面氧男化層沒(méi)曉去凈4.減林壓外延1.減少銜外延自摻使雜減少過(guò)詠渡區(qū)寬區(qū)2.減陪少圖形你漂移和米畸變襯底滯留層對(duì)流層減壓外延哥使滯留層母減薄,大爽部分雜質(zhì)丸進(jìn)入對(duì)流判層帶走減壓壓力與過(guò)順渡區(qū)的關(guān)走系壓力對(duì)圖穿形漂移的勵(lì)影響壓力與過(guò)買(mǎi)渡區(qū)寬度三.外珠延設(shè)備銅簡(jiǎn)介1.按淺結(jié)構(gòu)分們類(lèi)臥式爐喪立貞式爐筒式爐有大妖直徑硅片刑外延爐2.按艙加熱方組式分類(lèi)紅外加婆熱：座硅片掌溫度高由于基座可不易產(chǎn)效生滑移蹄線(xiàn)高頻加或熱：蛛基座箭溫度高銀于硅片唱,硅片尚和基座藝溫差勢(shì)大>4忌5oC,論易產(chǎn)生滑竄移線(xiàn)，沾但自摻雜拉少。硅片膏背面易長(zhǎng)隊(duì)多晶。中低頻加賊熱：基秤座溫度高腳于硅片硅沙片和基座創(chuàng)溫差大倆>25oC易產(chǎn)生恥滑移線(xiàn)符，但子自摻雜聲少。片舅子背面鄉(xiāng)豐易長(zhǎng)多其晶。不同外餐延爐的哥結(jié)構(gòu)當(dāng)前常見(jiàn)悼幾種外延即爐優(yōu)缺點(diǎn)勻比較1.四類(lèi)忌常見(jiàn)外延洞爐：紅外加熱謙：AMC郊7700假78席10符MT魯C770吹0K高頻感槍?xiě)?yīng)加熱：度ge脊mini旱2(18劈燕0khz岔)低頻感應(yīng)滔加熱：L其PE20貿(mào)61S緣瑞(4kh抬z)EPI閘PRO5濤000(次25kh碗z)大直徑汁硅片外引延爐：啊AS央Me軍psi螞lon錯(cuò)A尸MC柔ce那ntr罰ura字LP透E30察61AMC為781杯02.各膚類(lèi)外延乎爐的優(yōu)鞠缺點(diǎn)1)平內(nèi)板型立閥式爐:懷Epi室pr頁(yè)o50百00(歐gem謙ini附-4)低頻加熱筋：自摻雜叼少，硅片蒜熱應(yīng)力較墓大易產(chǎn)生嗚滑移線(xiàn)石英噴頭爛：比金屬儀噴頭沾污胸少。雙反應(yīng)嘴室：提浙高爐子熄利用率腦，可以封緊靠排母放占地逗面積小致，生產(chǎn)染能力強(qiáng)鴿6”勿50迎0片/貼日最大優(yōu)胃點(diǎn)：自護(hù)摻雜少撞、占地號(hào)小、產(chǎn)元能大缺點(diǎn)：滑昆移線(xiàn)難避禽免、耗氣倒量大、背剃面粗糙2)筒式位中低頻加翅熱LPE插2061凝S中低頻感蓬應(yīng)加熱、程感應(yīng)線(xiàn)圈勒采用專(zhuān)利零的雙向加城熱方式，眾使片子與破基座的溫佳差更小雙反應(yīng)室途，加上使耗用IGB工T作為加悟熱發(fā)生器醫(yī)使二個(gè)反腎應(yīng)室利用俗率更高，艷同時(shí)它比勇紅外燈管結(jié)的壽命長(zhǎng)薪，成本低O-型宮圈在鐘層罩的下父面可減零少顆粒穿，提高雨表面質(zhì)愚量基座和早鐘罩經(jīng)則特殊設(shè)肚計(jì)利用北率高，話(huà)產(chǎn)能大白、氣流碎模型好洞，基座游鐘罩間迷的間距屑小，趕煤氣時(shí)間到短自摻雜小閉過(guò)渡區(qū)窄沫、可做高橡阻厚外延缺點(diǎn)：棗易產(chǎn)生喂滑移淺悔，影響故成品率潛，背面駐粗草紅外加熱圍的筒式外功延爐AM斥CMT醒C紅外燈加勞熱：T片>T基座滑移線(xiàn)弄少,但貧自摻雜斧嚴(yán)重片子立放蹄表面好生產(chǎn)量溪大，設(shè)鑒備小只有單反貫應(yīng)室所以池利用率低MTC物公司在根AMC閱78X判X的基親礎(chǔ)上把堤爐體加姻大基座疾加大，棵溫度由乎3段控但制改成子8段控臥制使產(chǎn)辦能提高申了的5劣0%均賽勻性由拒5%提養(yǎng)高到3趴%該爐子任特別適視合于電強(qiáng)路片的黑生產(chǎn)，晶由于不喪易產(chǎn)生川滑移線(xiàn)濱所以成艙品率也潛相對(duì)較雖高，背選面較好鞏。缺點(diǎn)是敗自摻雜現(xiàn)嚴(yán)重不捕利于做怒重?fù)揭r護(hù)底的高刻阻外延南，另外邊過(guò)渡區(qū)有寬度較丟大，對(duì)勁器件不育利。各爐子性也能比較大直徑鎖硅片外皮延爐典型代變表：AS匹MEp齒sil循on委AM掙CC炊ent乏rur裝aLPE劉30名61流M霞TC3學(xué)08工藝特虎點(diǎn)：1.均勻浪性好、自殲摻雜小、泊過(guò)渡區(qū)小牧、明顯地趴?jī)?yōu)于多片努式爐子。2.裝卸繁硅片從片起盒到片盒從，表面顆典粒少。3.產(chǎn)能惹，<6”艘片產(chǎn)能小叮,為了提鋼高產(chǎn)能采灣用高的生霸長(zhǎng)速率5μ/m，片子假先予熱吉，盡可窮能縮短君時(shí)間，堪而6”階以上可艙比多片依爐成本紙降低,蒸越大越遣低。AMC王CE段NTR基ORAASM雪E燃PSI銳ON-哪2各大直科徑硅片見(jiàn)外延爐坡的生產(chǎn)農(nóng)能力6”8”>10”ASMepsilon-2111AMCcentrura三反應(yīng)室1*31*31*3MTCΩ308631LPE306185-g-278107700E-2單片外延添爐的一些聾優(yōu)點(diǎn)外延工慈藝及設(shè)峰備的展唐望向超薄外抱延層發(fā)展愿：淺結(jié)薄瘡?fù)庋?，低握溫低壓外戴延。向CMO腸S發(fā)展，車(chē)大直徑硅勇外延向電力察電子大腥功率高罪反壓發(fā)睡展：高匆阻厚外沿延、多氏層外延歷等為減少串沈聯(lián)電阻,素采用重?fù)角锷榱滓r底ρ<10-3所以減晉少自摻歷雜，減緩少過(guò)渡吧區(qū)寬度歪將是工耐藝和設(shè)競(jìng)備的重搬要內(nèi)容SOI章外延愧G余eSi亦外延提躬高器件葉性能補(bǔ)充鐵離子沾皆污的控制俘：1)金屬瘡離子沾污技對(duì)器件的令影響：a.使橫若向管放大否系數(shù)減小b.使楚功率器掌件漏電鈔增加，跑可靠性零變差2)測(cè)窗試金屬益離子沾刊污的方校法：SPV寬(su戚fec倘ep崖hot櫻ovo罷lta察ge)測(cè)試要枯求：鐵步離子濃駛度<6撲e11忽、li乳fe-淋tim粘e>3排50μs3)產(chǎn)生蹦金屬離子液沾污的可煮能原因襯底及清顛洗引入沾堡污、H2肥中含水量刺高使HC攜L變成鹽章酸，腐蝕美管路造或講沾污所以俊H2含水隆量應(yīng)小于含50pp民b、反應(yīng)艦室有沾污俯例如感應(yīng)通線(xiàn)圈銹蝕蛾等例如感扔應(yīng)線(xiàn)圈閱下面有意銹可能誤造成鐵鈔離子沾嘗污鐵9、靜夜所四無(wú)鄰御，荒居澤舊業(yè)貧矛。。4月-間234月-龍23Wed級(jí)nes祥day府,A除pri吊l2器6,測(cè)202判310、雨中衫黃葉樹(shù)攜，燈下治白頭人糞。。00:4久2:2000:貼42:職2000:殺424/26乳/202疲312碧:42:茶20A習(xí)M11、以我鹽獨(dú)沈久貼，愧君卡相見(jiàn)頻猛。。4月-2衣300:4感2:2100:4煌2Apr-抄2326-A枯pr-2懂312、故人訊江海別嚼，幾度跑隔山川坦。。00:4柄2:2100:4貪2:2100:含42Wedn旺esda查y,A留pril警26,負(fù)202盼313、乍見(jiàn)翻量疑夢(mèng)，相因悲各問(wèn)年加。。4月-仙234月-盛2300:憑42:博2100:你42:夾21Apri美l26蓬,20穩(wěn)2314、他鄉(xiāng)生呼白發(fā)，舊輸國(guó)見(jiàn)青山爽。。26委四月絡(luò)202壺312:析42:甜21它上午00:煩42:智214月-沫2315、比不坡了得就們不比，掉得不到痰的就不縫要。。。四月2害312:妥42淚上午4月-2善300:4佛2Apri洪l26裙,20辜2316、行動(dòng)出仇成果，工玩作出財(cái)富位。。2023極/4/2敲60:隔42:2護(hù)100:播42:破2126A剪pril玩202拜317、做前，煌能夠環(huán)視愧四周；做菊時(shí)，你只笑能或者最斜好沿著以乖腳為起點(diǎn)此的射線(xiàn)向蝦前。。12:鏡42:境21笑上午12:瓶42扣上午00:雅42:爐214月-意239、沒(méi)有世失敗，睛只有暫棟時(shí)停止估成功！愛(ài)。4月-2摸34月-均23Wedn尋esda袋y,A巧pril丸26,絹202州310、很多事遷情努力了匆未必有結(jié)盲果，但是蚊不努力卻和什么改變艇也沒(méi)有。壓。00:4妙2:2100:4出2:2100:4脖24/2屑6/2白023斜12陪:42獲:21咱AM11、成功就軍是日復(fù)一啞日那一點(diǎn)憲點(diǎn)小小努辰力的積累孟。。4月-葉2300:企42:副2100:4來(lái)2Apr歡-2326-盤(pán)Apr燦-2312、世間吵成事，閣不求其錘絕對(duì)圓列滿(mǎn)，留雄一份不涂足，可傅得無(wú)限尿完美。吃。00:牙42:掀2100:州42:運(yùn)2100:4興2Wed看nes與day抵,A寫(xiě)pri歌l2織6,塌202慶313、不知復(fù)香積寺泳，數(shù)里槳入云峰同。。4月-2榮34月-2逃300:4蠶2:2100:慎42:頁(yè)21Apri堵l26泄,20蓮2314、意志堅(jiān)這強(qiáng)的人能芳把世界放鎖在手中像嫩泥塊一樣蝕任意揉捏驗(yàn)。26四乏月20書(shū)2312:4口2:21委上午00:辜42:娃214月-2脾315、楚塞押三湘接鍋，荊門(mén)性九派通敵。。。四月2超312:預(yù)42爪上午4月-廈2300:4患2Apri品l26臟,20蓄2316、少年十隙五二十時(shí)書(shū)，步行奪古得胡馬騎纖。。202交3/4暫/26回0:印42:沿2100:緩42:冤2126A雅pril溪202克317、空山確新雨后永，天氣巡壽晚來(lái)秋伴。。12:4跡2:21迷上午12:4拉2上午00:膀42:縣214月-2預(yù)39、楊柳散符和風(fēng)，青隨山澹