硅外延层电阻率的控制.ppt

53 硅外延层电阻率的控制,不同器件对外延层的电参数要求是不同的， 通常VLSI要求：在重掺杂的衬底（1019-1021cm-3）上生长一层轻掺杂（1014-1017cm-3）的外延层 CMOS器件要求：衬底均匀掺杂 双极型IC要求：衬底中有埋层（轻掺杂的衬底中扩散有重掺杂的隔离区域） 这就需要在外延生长过程中，精确控制外延层中的杂质浓度和分布来解决,5-3-2 外延中杂质的再分布,外延层中含有和衬底中的杂质不同类型的杂质，或者是同一种类型的杂质，但是其浓度不同。 通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂浓度梯度很陡，但是由于外延生长是在高温下进行，衬底中及其他部分的杂质会进入外延层，使得外延层和衬底之间界面处的杂质浓度梯度变平,只考虑衬底中杂质扩散进入外延层时： N（x,t）=N1（x,t） N2（x,t）,N1为衬底中杂质在外延层中的分布 常规外延生长时，相当于一个恒定界面浓度杂质源的余误差分布 N2为掺入杂质Nf在外延层中的分布,5-3-1 外延层中的杂质及掺杂,1.外延层中的杂质 外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为：N总N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统 N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度 分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量,N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因此称为外掺杂 N扩散，N衬底，N邻片的杂质来源于衬底片，通称为自掺杂 广义上：外延生长时由衬底、基座和系统等带来的杂质进入到外延层中的非人为控制的掺杂称为自掺杂 外掺杂：主要指人为控制的掺杂,5-3-3外延层生长中的自掺杂,造成自掺杂的主要原因 外延生长时衬底受热，杂质由衬底内部扩散到表面，再由表面蒸发到气相中，它们的一部分在停滞层内贮存，并沿气流方向扩散，然后在外延生长时又重新掺入外延层中。外延生长开始后，衬底正面的蒸发受到抑制，自掺杂主要来自衬底背面杂质的蒸发。 外延最初阶段，表面蒸发控制，V=NsubK 经过一段时间后，固态扩散控制，VD k很小时， V=NsubK 与时间无关,造成自掺杂的其他原因,卤化物硅源外延生长时，对衬底的腐蚀作用造成衬底中的杂质生成相应的卤化物进入停滞层中，一部分被还原掺入外延层中 基座，生长系统的污染 衬底杂质基座外延层 反应室的记忆效应,对于埋层衬底：由于高浓度的埋层很快被轻掺杂的材料覆盖，自掺杂效应中止 对于重掺杂衬底：正面被封住，边缘及背面的蒸发仍可继续，但随时间减少 由于自掺杂和外扩散的存在，设置了一个外延层的最小厚度和掺杂水平的极限，同时使界面处杂质分布变缓，造成器件特性偏离，可靠性降低，因而必须减少它,抑制自掺杂,采用低温外延技术和不含卤素的硅源， 应用较稳定的掺杂剂：使用蒸发速度和扩散系数较小的衬底和埋层掺杂剂 外延前高温加热衬底，使衬底表面附近形成一杂质耗尽层； 采用背面封闭技术，在背面预先生长高纯的SiO2或多晶硅封闭后再外延； 采用二段外延生长技术：覆盖吹气生长 减压生长技术：使已蒸发到气相中的杂质被抽走 在HCl刻蚀后采用低温吹气的工艺以保证XCl3被带出系统,5-3-4 外延层的夹层,外延层的夹层指的是外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反型层。,外延夹层产生的原因有两种：,一种认为P型杂质沾污，造成N型外延层被高度补偿 解决办法：P型杂质主要来源于SiCL4，只要提高SiCL4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。 第二种情况是由于衬底引起的 当衬底中硼的含量大于31016cm3时，外延层中就容易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快，结果使得硼扩散到外延层中补偿了N型杂质，形成了一个高阻层或反型层。 解决办法：一是提高重掺杂单晶质量；二是在工艺中防止引入P型杂质，降低单晶中B的量；三是在外延生长时可以先长一层N型低阻层作为过渡层，控制夹层,但这不是根本办法。,外延生长的主动（人为）掺杂,外延用N型掺杂剂：PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3 P型掺杂剂BCL3,BBr3，B2H6 方式：在反应气体中（硅源、氢气）中加入掺杂剂 注意掺杂浓度计算， 固相中 掺杂剂/硅气相中 掺杂剂/硅 影响掺杂的因素：衬底温度、沉积的速度、掺杂剂摩尔分数、反应室几何尺寸、衬底及系统等等 没有一个简单的准则，要针对每个过程经验地确定,54 硅外延层的缺陷,分类： 一：表面缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移线等 二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错,541外延片的表面缺陷,云雾状表面 外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以看到。 一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛光浓度过大，生长温度太低等引起的。 角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘，用肉眼可以看到。,雾状表面缺陷 雾圈 白雾 残迹 花雾,雾圈 白雾,残迹 花雾,角锥体,亮点：外形为乌黑发亮的小圆点 塌边：又叫取向平面，它是外延生长后在片子边缘部分比中间部分低形成一圈或一部分宽12mm左右的斜平面。 形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏离衬底片晶向。,划痕：由机械损伤引起 星形线（滑移线）：,各种表面缺陷的来源,主要来源于沾污和硅片的预处理过程 角锥体：沙丘状突起，外来杂质上的非均匀成核；衬底上微小的局部的晶向偏离，造成生长速度的差异 云雾状表面：氢气的纯度低，含水过多，气相抛光浓度过大，生长温度低等 划痕：机械损伤、表面不洁 亮点：发亮的小圆点，抛光不充分，表面污染，颗粒脱落等 塌边：边缘部分低，衬底加工时造成晶体向偏离 滑移线：平行的高低不平的线条，热应力造成,内部缺陷的产生及消除办法,1、外延层中层错的产生机制及消除办法 衬底上微小的划痕、浅平坑、沾污都可能成为层错的成核源 层错多发生在衬底-外延层的交界处 消除：a)选择好的衬底，清洁 b)外延前气相抛光 c)外延前热处理,2、外延层中位错的产生机制及消除办法,产生机制： 1 原衬底位错延伸引入的 2 掺杂和异质外延时，外延层和衬底间晶格参数差异引入内应力导致失配位错。 3 超过了屈服强度的热应力引起滑移 消除办法：1 选择无位错衬底 2 双掺杂技术：同时引入原子半径不同的两种杂质原子 3采用红外辐射加热或在硅片上方安置热反射器,3微缺陷：杂质沾污，特别是Fe和Ni,产生：杂质沾污，Fe、Ni的影响最大 消除： 1 工艺中注意基座及系统的清洁处理 2 采用吸杂技术：利用背面的位错吸收有害杂质，是外延层中的有害杂质和微缺陷减少,5-4 外延生长的工艺问题,一、外延生长设备,立式：旋转，掺杂均匀性好 圆桶式：不易颗粒沾污、 辐射加热：均匀性好，减少应力,二、选择硅源,SiCl4 :沉积温度高（11501250），导致严重的自掺杂和外 扩散 优点：反应室壁上很少沉积，减少了壁上Si颗粒剥落的沾污 适用：沉积厚的可忍受自掺杂和外扩散的外延层 SiHCl3：沉积温度稍低（11001150 ）并不优于SiCl4，很 少用 SiH2Cl2：较低温度（10501100 ）减少了自掺杂和外扩 散，可以得到高质量外延层，比SiCl4和SiH4更小的缺 陷密度，增加器件的产出 SiH4： 低温（10001100 ），非常少的自掺杂和外扩散， 较陡浓度梯度的外延层