外延工艺简介教案.ppt

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Company Confidential,11,111,Do Not Copy,HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD,诚信 忍耐 探索 热情,Faith Endurance Exploration Enthusiasm,外延工艺简介,By,赵仲镛,杭州士兰集成电路有限公司,杭州经济技术开发东区10号路308号,Hangzhou Silan Integrated Circuit Co.,Ltd308,No.10 Road,East HETZ,Hangzhou,Zhejiang,China 310018,Company Confidential,1,11,1,什么叫外延生长？,硅外延的基本原理,外延设备及所用的气体,在外延中应注意的问题,外延层中的晶体缺陷,外延的质量表征因子,外延层测试设备,目前国内外延的动态,从事外延工作人员应具备的基本素质：敬业精神、一丝不苟的工作态度、质量意识和安全意识Company Confidential,2,2,什么叫外延？,外延Epitaxy这个词来源于希腊字epi,意思是“之上”。

这样选定的词对外延提供了一个恰当的描写一个含有硅原子的气体以适当的方式通过衬底，自反应剂分子释放出的原子在衬底上运动直到它们到达适当的位置，并成为生长源的一部分，在适当的条件下就得到单一的晶向所得到的外延层精确地为单晶衬底的延续硅外延生长其意义是在具有一定晶向的硅单晶衬底上生长一层具有和衬底相同晶向的电阻率与厚度不同的晶格结构完整性好的晶体半导体分立元器件和集成电路制造工艺需要外延生长技术，因半导体其中所含的杂质有N型和P型，通过不同类型的组合，使半导体器件和集成电路具有各种各样的功能，应用外延生长技术就能容易地实现硅外延生长方法，目前国际上广泛的采用化学气相沉积生长方法满足晶体的完整性、器件结构的多样化，装置可控简便，批量生产、纯度的保证、均匀性要求Company Confidential,3,3,硅外延的基本原理:,硅的化学气相沉积外延生长其原理是在高温（1100）的衬底上输送硅的化合物（SiHCl3或SiCl4或SiH2Cl2等）利用氢（H2）在衬底上通过还原反应析出硅的方法同时外延生长的重要特征之一是可以用任意浓度和导电类型的硅衬底上人为的故意地进行掺杂，以满足器件花样众多的要求。

气相外延生长过程包括：,（1）反应剂（SiCl4或SiHCl3+H2）气体混合物质量转移到衬底表面；,（2）吸收反应剂分子在表面上（反应物分子穿过附面层向衬底表面迁移）；,（3）在表面上进行反应或一系列反应；,（4）释放出副产物分子；,（5）副产物分子向主气流质量转移；（排外）,（6）原子加接到生长阶梯上Company Confidential,4,4,氯硅烷还原法的特点在于它是一个吸热过程,该反应需要在高温,下才能发生这些反应是可逆的，其可逆的程度随氯硅烷中氯(Cl),的含量的增加而增加同时，氯的含量决定了外延生长温度范围外延生长温度随硅源中氯（Cl)含量的增加而增加同时我们应知道，硅片表面是硅单晶体的一个断面，有一层或,多层原子的键被打开，这些不饱和键处于不稳定状态，极易吸附,周围环境中的原子和分子，此现象称为“吸附”吸附在硅片表,面的杂质粒子在其平衡位置附近不停地做热运动，有的杂质离子,获得了较大的动能，脱离硅片表面，重新回到周围环境中，此现,象称为“解吸”而同时介质中的另一些粒子又被重新吸附，即硅,片表面层吸附的杂质粒子处于动平衡状态对硅片而言 吸附放热,解吸吸热按照被吸附的物质的存在状态，吸附在硅片表面的杂质可分为：,分子型，离子型和原子型三种。

Company Confidential,5,5,外延生长掺杂原理,为了使半导体器件得到所需要求的电参数，用P型或N型杂质对,外延层进行掺杂是必要的器件的效果取决于掺杂浓度的准确控,制和掺杂剂浓度沿外延层的纵向分布外延层中的杂质原子是在生长过程中被结合到外延层的晶格,中杂质的沉淀过程与外延生长过程相似，也存在质量传输和表,面化学反应控制两个区域.但杂质源和硅源的化学动力学不同,情况,更为复杂杂质的掺入效率不但依赖于生长温度,同时每种掺杂剂,都有其自身的特征一般情况下,硅的生长速率相对稳定硼的掺,入量随生长温度上升而增加，而磷和砷却随生长温度的生长温度,的上升而下降(见图1)Company Confidential,6,6,10,17,10,18,10,16,1100,1200,1300,B2H,6,PH,3,AsH,3,T(),掺杂浓度(原子/cm,3),(图1)硅外延中掺杂剂的掺入系数,与生长温度就之间的函数,外延,Xat,X,j,C,f,(x),C,at,(x),气相自掺杂,系统自掺杂,无自掺杂,掺杂浓度,距表面深度,(图3)掺杂浓度与距外延表面深度之间,的关系曲线示意图.这种阶梯式的,分布是自掺杂和外扩散不发生的,理想情况.该弯曲分布是由于不均,匀掺杂杂质所导致的实际情况,Company Confidential,7,7,另外，衬底的取向能够影响杂质的掺入数量。

掺杂剂的掺入行为还受生长速率的影响，以砷(As)为例，一般生长速率快，掺入行为降低而磷(P)掺杂浓度变化在不同生长速率下是不同的，在10,16,/cm,3,浓度，生长速率0.1um/min,生长温度11001200有上升趋势（见图）,生长速率也影响杂质的再分布，图形,漂移和图形畸变生长速率0.1um/min,增加0.5um/min时，杂质自掺杂减少杂,质外扩散也随生长速率的增加而减少反,之，图形漂移则随生长速率的增加而增加混合气流的流速也影响外延层的均匀性，,低流速可以产生较差的均匀性1000,1100,1200,10,16,/cm,3,1.2um/min,0.6um/min,0.1um/min,图2,Company Confidential,8,8,在P型外延生长中,我们应该认识重掺硼(B)有其特点硼(B)原子质量很小，值为10.81，而磷(P)为30.9、砷(As)为74，锑(Sb)为121因为硼(B)很轻，半径小，因自由程大在流动气体中相对扩散距离大(相对于P、As、Sb)而它更容易到达反应器壁、石墨基座、石英件等表面，而被大量吸附，成为外延生长的掺杂源而P、As、Sb运动距离小，易被气流带出反应室外，所以重掺硼(B)P型衬底自掺杂效应严重难控制。

Company Confidential,9,9,外延设备及所用的气体：,化学气相外延生长使用的设备装置通常称谓外延生长反应炉一般主要由气相控制系统、电子控制系统、反应炉主体、排气系统四部分组成反应炉炉体它是在高纯石英钟罩中悬挂着一个多边锥状桶式经过特殊处理的高纯石墨基座基座上放置硅片，利用红外灯快速均匀加热九段温控、中心轴可以旋转，进行严格双密封的耐热防爆结构电源系统：独立电源线、3相4线、50Hz、350A,气体控制系统：高精度的质量流量计、传动器气动阀控制，无泄露、耐腐蚀的EP管、氢（H2）检漏、报警系统,冷却系统：足够的水冷循环系统和风冷循环系统,控制系统：微机程序控制、联锁方法，安全可靠,炉体：石英钟罩、石英环、石英吊杆、护套、双密封泵、高纯石墨基座,温度控制系统：独特的红外灯辐射加热、9段温控，均匀快速加热，可调,Company Confidential,10,10,硅外延生长装置的方框图：,Company Confidential,11,1111,Company Confidential,12,12,Company Confidential,13,13,Company Confidential,14,14,各种硅外延炉比较,Company Confidential,15,15,在外延中应注意的问题：,Company Confidential,16,16,Company Confidential,17,17,Company Confidential,18,18,外延生长中的自掺杂,在通常外延净化的条件下，人为地引入自掺杂很少，固相自掺杂在生长速率为1um/min条件下，重掺杂衬底外延温度为1200,外延时间t=5min时，固相扩散仅为0.08um,对重掺砷(6*10,19,/cm,3,)衬底在外延温度为1050,外延时间t=5min,固相扩散总计为0.04um,占外延层0.8%,这是因为V,t,Dt.(D:衬底杂质扩散系数。

t：在一定温度下所经过的时间）可见气相自掺杂是自掺杂中的主要因素在常规的硅外延工艺过程中，为了保证外延层晶格的完整性得到良好的均匀性，通常在层流状态质量转移控制范围内生长在这种情况下，一般滞留层有几个微米厚在外延生长前预热，尤其气相抛光将大量的衬底杂质存在相对静止的滞留层中，在外延生长时，重新进入外延层，这是造成自掺杂的主要原因见,图）,Company Confidential,19,19,自掺杂的起因：,1、,外扩散：杂质原子从高杂质浓度衬底向低杂质浓度的外延层进行固相扩散（所谓固-固扩散）；,2、杂质的再淀积：由衬底的表面边沿、背面或内部（埋层）热蒸发出来的杂质在外延生长时再度进入外延层；,3、来自反应室、基座的污染；（要求反应室的洁净和基座的硅包缚）,4、卤素的腐蚀作用：用卤化物作源时以及HCl腐蚀剂，由于卤元素的腐蚀作用，使衬底中气化的杂质原子在外延时进入生长层自掺杂的抑制方法：,1、背封法,2、低温生长,3、两步生长法等,Company Confidential,20,20,Company Confidential,21,21,Company Confidential,22,22,Company Confidential,23,23,Company Confidential,24,24,图形漂移、畸变,集成电路要在硅片正面局部区域内用扩散或离子注入掺杂剂，这个局部扩散区叫做埋层。

埋层表面通常降低大约10003000,的深度.在埋层上生长的外延层，将重现下面称底较完美的表面特征衬底和外延层之间图形的任何横向位移叫图形漂移图形漂移的主要原因是结晶学平面生长速率的各向异性这个结晶学平面受低陷区的底和边的约束外延层低陷部分的两条平行台阶边缘向右移动一个距离(d),图形漂移不改变外延尺寸,d,外延,衬底,Company Confidential,25,25,如果当两条平行台阶沿相反的方向位移时，则外形尺寸将改变，这叫做图形畸变,外延生长过程中有时还会发生一个或全部边缘台阶消失的问题，这种现象叫图形消失,图形漂移、图形畸变和图形消失强烈地取决于衬底的晶向和生长参数这些生长参数包括生长压力、温度、硅源气体和生长速率衬底和生长参数的影响：,、图形漂移和畸变在(111)硅片中比(100)硅片严重111)硅片中图形漂移通常发生在相对(111)轴向偏离小于,3-5,的情况下；,在(100)硅片中图形漂移很小，但如果衬底稍微偏移(100),面，则可以导致显著的漂移，特别是在低温和低生长速率,情况下更是如此Company Confidential,26,26,、在高温生长可以减少图形漂移和小平面，对于0.1Mpa压强下生长，降低生长温度会造成众多小平面和外形尺寸不对称大幅度降低淀积温度(降到1150仅用SiCl,4,)可以使图形消失；,、用低压生长工艺，小平面可以减少，然而,这是,利用增加图形尺寸而达到的一个折衷的方法。

在0.1Mpa压强下，用低生长速率，减少图形漂移和小平面,、用含有少量氯硅烷分子的硅源气体，图形漂移可以减少即：图形畸变随温度的降低而减少,图形漂移随温度的升高而减少,因此，生长参数的最佳优化是外延特性需要综合考虑的问题Company Confidential,27,27,外延层中的晶体缺陷：,在外延生长过程中，外延层上会出现许多缺陷，有位错、堆垛层。