1、集成电路工艺技术讲座外延工艺Epitaxy外延技术讲座提要外延技术讲座提要 外延工艺简述 外延的某些关键工艺 几种常见外延炉性能比较 外延工艺及设备的展望一、外延工艺简述一、外延工艺简述1.外延的含意 Epitaxy是由希腊词来的表示在上面排列 upon to arrange。外延的含意是在衬底上长上一层有一定厚度一定电阻率及一定型号的单晶。外延是一种单晶生长技术但又不同于拉晶、也不同于一般的CVD。2.外延的优点外延的优点 减少串联电阻 简化隔离技术 消除CMOS的可控硅效应 可以根据器件的要求,随心所欲地生长,各种不同型号，不同电阻率和厚度的外延层。CMOS电路的电路的latch-up效应
2、效应用重掺衬底加外延可以减小这效应RsRw3.外延沉积的原理外延沉积的原理1)反应式 SiHX1CLY+X2H2 Si+YHCL2)主要外延生长源硅源生长速率m/m生长温度允许含氧量sicl40.4-1.51150-12005-10ppmsihcl30.4-31100-12005-10ppmsih2cl20.4-21050-11505ppmsih40.1-0.3950-10502ppm（Y=X1+2X2）4.外延工艺过程外延工艺过程 装片 赶气 升温 恒温(850C)烘烤6 升温(1200)HCL腐蚀 赶气 外延沉积 赶气并降温 N2赶气(3)取片10203040506070800200400
3、60080010001200温度时 间(分)腐蚀外延赶 气5.HCL腐蚀的作用腐蚀的作用 清洁表面减少缺陷 减少前工艺所引入的损伤，降低和消除晶体缺陷 HCL的腐蚀量约0.2-0.4，我们选用腐蚀速率为0.06/m 时间4约去除0.24。6.外延掺杂外延掺杂 掺杂源：N型：PH3/H2 AS3/H2 P型：B2H6/H2 掺杂方式：source%=inject%diluent%=100%-inject%掺杂计算 Test/Target=DNTarget/DNTest 实际的修正 由于有自掺杂因此实际掺杂量还应减去自掺杂的量7.外延参数测定外延参数测定 晶体缺陷：层错,位错,滑移线,点缺陷,颗粒
4、,雾,小丘 分析手段：显微镜、干涉相衬显微镜、uv灯 、扫描电镜、表面沾污扫描仪 1)外延表面缺陷的显示和测试外延表面缺陷的显示和测试缺陷的显示缺陷的显示 对于(111)取向：Sirtl：HF：5m CrO3=1:1 对于(100)取向：Wright：a.45gCrO3+90mlH2O b.6gCU(NO3)+180mlH2O c.90mlHNO3+180mlHAC+180mlH a:b:c=1:1:1 染色腐蚀液：HF:HNO3:HAC=1:3:72)电阻率测试 三探针:n/n+p/p+探针接触电阻大 四探针:p/n n/p 当在界面有低阻过渡区时测试不准 SRP:n/n+p/p+n/p p
5、/n 要求知道衬底型号与取向，否则测试不准 C-V:n/n+p/p+n/p p/n 要求严格的表面清洁处理四探针srpSrp还可测浓度(或电阻率)与结深的关系，可看过渡区宽度，是一个很好的分析测试手段基区太深使击穿下降基区太深使击穿下降基区结深合理击穿提高基区结深合理击穿提高3)厚度测试厚度测试 磨角染色再用干涉显微镜测厚度 层错法：对于(111)T=0.816L 对于(100)T=0.707L 红外测厚仪：范围0.25-200微米 精度0.02微米 滚槽法：T=(X-Y)/D YxDLL二、外延的一些关键工艺二、外延的一些关键工艺1.外延的图形漂移pattern shift -对于(111)
6、晶体在与110定位面垂直的方向发生图形漂移。-产生原因是外延的反应产物HCL，择优腐蚀埋层边缘，使埋层图形产生位移。-危害性：使光刻无法对准，从而影响电学特性。-关键：要知道漂移量，同时要控制各炉子相同。外延图形漂移的测定用滚槽法测用滚槽法测shift由于漂移由于漂移.使光刻套准差使光刻套准差.造成电学性能变差造成电学性能变差案例分析案例分析7800上下片因温度不均匀造成shift不同,引起电学参数不同。上片漂移小纠偏过头下片纠偏较正确2.图形畸变图形畸变Distortion 外延后图形增大或缩小,变模糊,甚之消失。图形边缘不再锐利。畸变原因：主要是HCL腐蚀硅片表面，在台阶处，由于取向不同使
7、各方向腐蚀速率不同结果产生畸变。SHIFT对称变大对称变大非对称畸变非对称畸变对称变小对称变小图形消失图形消失外延后图形严重畸变对于(111)晶片,取向对畸变影响很大畸变小畸变小畸变严重畸变严重轻微畸变使图形边缘模糊，使光刻困难轻微畸变使图形边缘模糊，使光刻困难轻微畸变水平方向变宽，光刻机不能识别硅源中氯原子的含量上对硅源中氯原子的含量上对shift的影响的影响012340.00.10.20.30.4shift含氯 原子(111)(100)温度对温度对shift的影响的影响1140116011801200122012400.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1S
8、HIFT(111)(100)温度生长速率对shift的影响0.30.40.50.60.70.80.30.40.50.60.70.8shiftGroth rate(111)减少畸变和漂移的方法减少畸变和漂移的方法 选用低氯的源。温度升高畸变减少 降低外延压力(采用减压外延)降低生长速率(减少氯含量)对于(111)取向偏离3-4(向最近的110方向)增加H2流量2.掺杂与自掺杂掺杂与自掺杂 D总掺杂=D掺杂+D自掺杂 当D自掺量100cm N+=18-26cm 掺杂外延：DN=60cc 陪片=11cm N=4.4*1014 N+=7cm N=5.5*1014 自掺杂量：=1.1*1014不同的加热
9、方式可以产生不同的自掺杂结果不同的加热方式可以产生不同的自掺杂结果1.感应加热的特点是基座的温度高于硅片温度，外延过程使基座上的硅向硅片背面转移，使重掺衬底的杂质封住，减少自掺杂。2.红外加热的相反：硅片的温度高于基座，外延时硅片背面的硅和杂质原子在向基座转移过程中跑出来形成自掺杂。所以红外加热要比感应加热自掺杂要严重，过渡区也差一些 T2 T3 T4基座温度T1T1T2T3T4感应加热外延的过渡区外延的过渡区 1)过渡区的定义：在外延与衬底界面 外延电阻率差二个 数量级 2)过渡区宽度对器件的影 响：过渡区小-好 3)影响过渡区的因素：a衬底外扩散 b自掺杂 c外延主掺杂 c b a以以P/
10、P+为例减少自掺杂的试验为例减少自掺杂的试验 外延条件外延条件 外延结果外延结果 1.衬底电阻率 0.01 CM 40 CM 0.023 95 2.予烘烤问题 1220C 95 1200 85 1180 65 3.沉积速率 1.5/M 90 1.0 75 0.5 36 4.沉积温度 1060C 95 1080 50 1100 6 5.背封 1 SIO2 150减少自掺杂的方法减少自掺杂的方法 背封 掺sb的衬底比掺As的自掺杂小 不同外延炉自掺杂不同 减压外延 采用大量的H2赶气，可减少自掺杂 采用二步法外延 3.外延表面缺陷外延表面缺陷 常见缺陷有：层错、位错、滑移线、雾、小丘、桔皮状、边缘
11、凸起、表面颗粒等 造成原因：表面有损伤层，易产生层错 与(111)取向偏离小于0.5，易产生乳凸状小丘 硅片受热不均匀，易产生滑移线 外延系统漏气易产生白雾 硅片表面不洁，或反应室脏易产生颗粒1)层错层错 产生原因：衬底 表面有损伤，或 不干净 减少层错的方法：用HCL腐蚀衬底 表面去除损伤层 及清洁硅片表面表面颗粒表面颗粒:与外延系统及衬底的清洁度有关，下图是用表面沾污仪测试结果表面呈乳凸状小丘：产生原因与衬底取向有关，与(111)取向偏离小于1(111)硅片的滑移线硅片的滑移线滑移线滑移线产生原因产生原因：硅片在热处理过程中，受热不均匀，在1200C当中心和边缘的温差，大于25C时，其屈应
12、力大于1000PSI，易产生滑移线，它会严重地影响成品率。感应加热及大直径硅片温差大，易产生滑移线。外延后埋层图形变粗糙外延后埋层图形变粗糙与外延的气氛及埋尽的表面状变有关外延系统有轻微漏气外延后有轻微白雾外延系统有轻微漏气外延后有轻微白雾下图是经铬酸腐蚀后看到的层错和雾类似三角形缺陷类似三角形缺陷 原因：表面氧化层没去净 4.减压外延减压外延1.减少外延自掺杂减少过渡区宽区2.减少图形漂移和畸变衬底滞留层对流层减压外延使滞留层减薄,大部分杂质进入对流层带走减压压力与过渡区的关系压力与过渡区的关系压力对图形漂移的影响压力对图形漂移的影响100120140160180200-1.0-0.8-0.
13、6-0.4-0.20.00.20.40.60.8图形漂 移压 力 t o rr 0.15u/m(1)0.40u/m2)0.5u/m3)0.85u/m(4)sih2cl2压力与过渡区宽度压力与过渡区宽度1001201401601802002202400.200.250.300.350.400.450.500.550.600.65过渡 区 宽压 力 t o rr0.32压力与 过渡 区 宽sih2cl21100p=2p=0.3衬 底=0.00 5As三三.外延设备简介外延设备简介1.按结构分类 卧式炉 立式炉 筒式炉 大直径硅片外延炉 2.按加热方式分类 红外加热：硅片温度高于基座不易产生滑移线
14、高频加热：基座温度高于硅片,硅片和基座 温差大45C,易产生滑移线，但自掺杂少。硅片背面易长多晶。中低频加热：基座温度高于硅片硅片和基座 温差大25C 易产生滑移线，但自掺杂少。片子背面易长多晶。不同外延炉的结构当前常见几种外延炉优缺点比较当前常见几种外延炉优缺点比较1.四类常见外延炉：红外加热：AMC7700 7810 MTC7700K 高频 感应加热：gemini2(180khz)低频感应加热：LPE2061S(4khz)EPI PRO5000(25khz)大直径硅片外延炉：ASM epsilon AMC centrura LPE3061AMC78102.各类外延炉的优缺点各类外延炉的优缺
15、点1)平板型立式炉平板型立式炉:Epi pro5000(gemini-4)低频加热：自掺杂少，硅片热应力较大易产生滑移线 石英喷头：比金属喷头沾污少。双反应室：提高炉子利用率，可以紧靠排放占地面积小，生产能力强 6”500片/日 最大优点：自掺杂少、占地小、产能大 缺点：滑移线难避免、耗气量大、背面粗糙2)筒式中低频加热筒式中低频加热LPE2061S 中低频感应加热、感应线圈采用专利的双向加热方式，使片子与基座的温差更小 双反应室，加上使用IGBT作为加热发生器使二个反应室利用率更高，同时它比红外灯管的寿命长，成本低 O-型圈在钟罩的下面可减少颗粒，提高表面质量 基座和钟罩经特殊设计利用率高，
16、产能大、气流模型好，基座钟罩间的间距小，赶气时间短 自掺杂小过渡区窄、可做高阻厚外延 缺点：易产生滑移浅，影响成品率，背面粗草红外加热的筒式外延炉红外加热的筒式外延炉AMC MTC 红外灯加热：T片T基座 滑移线少,但自掺杂严重 片子立放表面好 生产量大，设备小 只有单反应室所以利用率低 MTC公司在AMC78XX的基础上把炉体加大基座加大，温度由3段控制改成8段控制使产能提高了的50%均匀性由5%提高到3%该炉子特别适合于电路片的生产，由于不易产生滑移线所以成品率也相对较高，背面较好。缺点是自掺杂严重不利于做重掺衬底的高阻外延，另外过渡区宽度较大，对器件不利。各炉子性能比较各炉子性能比较大直
17、径硅片外延炉典型代表典型代表：ASMEpsilon AMC Centrura LPE 3061 MTC308工艺特点：工艺特点：1.均匀性好、自掺杂小、过渡区小、明显地优于多片式炉子。2.装卸硅片从片盒到片盒，表面颗粒少。3.产能，10”ASM epsilon-2111AMC centrura三反应室1*31*31*3MTC 308631LPE 306185-g-278107700E-2单片外延炉的一些优点单片外延炉的一些优点外延工艺及设备的展望外延工艺及设备的展望 向超薄外延层发展：浅结薄外延，低温低压外延。向CMOS发展，大直径硅外延 向电力电子大功率高反压发展：高阻厚外延、多层外延等 为减少串联电阻,采用重掺砷磷衬底10-3所以减少自掺杂，减少过渡区宽度将是工艺和设备的重要内容 SOI外延 GeSi外延提高器件性能补充 铁离子沾污的控制：1)金属离子沾污对器件的影响：a.使横向管放大系数减小 b.使功率器件漏电增加，可靠性变差 2)测试金属离子沾污的方法：SPV(sufece photovoltage)测试要求：铁离子浓度350s 3)产生金属离子沾污的可能原因 衬底及清洗引入沾污、H2中含水量高使HCL变成盐酸，腐蚀管路造或沾污所以H2含水量应小于50ppb、反应室有沾污例如感应线圈锈蚀等例如感应线圈下面有锈可能造成铁离子沾污铁
