外延工艺简介

1、 外延工艺简介By赵仲镛杭州士兰集成电路杭州经济技术开发东区10号路308号Hangzhou Silan Integrated Circuit Co., Ltd。308, No. 10 Road, East HETZ, Hangzhou, Zhejiang, China 310018 2005.08.05 .什么叫外延生长？硅外延的根本原理外延设备及所用的气体在外延中应留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任务人员应具备的根本素质：敬业精神、一丝不苟的任务态度、质量认识和平安认识。.什么叫外延？ 外延Epitaxy这个词来源于希腊字epi,意思是

2、“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经过衬底，自反响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。所得到的外延层准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一样晶向的电阻率与厚度不同的晶格构造完好性好的晶体。 半导体分立元器件和集成电路制造工艺需求外延生长技术，因半导体其中所含的杂质有N型和P型，经过不同类型的组合，使半导体器件和集成电路具有各种各样的功能，运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堆积生长方

3、法满足晶体的完好性、器件构造的多样化，安装可控简便，批量消费、纯度的保证、均匀性要求。.硅外延的根本原理: 硅的化学气相堆积外延生长其原理是在高温1100的衬底上保送硅的化合物SiHCl3或SiCl4或SiH2Cl2等利用氢H2在衬底上经过复原反响析出硅的方法。 同时外延生长的重要特征之一是可以用恣意浓度和导电类型的硅衬底上人为的故意地进展掺杂，以满足器件花样众多的要求。 气相外延生长过程包括： 1反响剂SiCl4或SiHCl3+H2气体混合物质量转移到衬底外表； 2吸收反响剂分子在外表上反响物分子穿过附面层向衬底外表迁移； 3在外表上进展反响或一系列反响； 4释放出副产物分子； 5副产物分子

4、向主气流质量转移；排外 6原子加接到生长阶梯上。. 氯硅烷复原法的特点在于它是一个吸热过程,该反响需求在高温下才干发生。这些反响是可逆的，其可逆的程度随氯硅烷中氯(Cl)的含量的添加而添加。同时，氯的含量决议了外延生长温度范围。外延生长温度随硅源中氯Cl)含量的添加而添加。 同时我们应知道，硅片外表是硅单晶体的一个断面，有一层或多层原子的键被翻开，这些不饱和键处于不稳定形状，极易吸附周围环境中的原子和分子，此景象称为“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，脱离硅片外表，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

5、附，即硅片外表层吸附的杂质粒子处于动平衡形状。 对硅片而言 吸附放热 ,解吸吸热。 按照被吸附的物质的存在形状，吸附在硅片外表的杂质可分为：分子型，离子型和原子型三种。.外延生长掺杂原理 为了使半导体器件得到所需求求的电参数，用P型或N型杂质对外延层进展掺杂是必要的。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类似，也存在质量传输和表面化学反响控制两个区域.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本身的特征。普通情况下,硅的生长

6、速率相对稳定。硼的掺入量随生长温度上升而添加，而磷和砷却随生长温度的生长温度的上升而下降(见图1)。.101710181016110012001300B2H6PH3AsH3T()掺杂浓度(原子/cm3)(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XatXjCf(x)Cat(x)气相自掺杂系统自掺杂无自掺杂掺杂浓度距外表深度(图3) 掺杂浓度与距外延外表深度之间 的关系曲线表示图.这种阶梯式的 分布是自掺杂和外分散不发生的 理想情况.该弯曲分布是由于不均 匀掺杂杂质所导致的实践情况. 另外，衬底的取向可以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，

7、普通生长速率快，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1016/cm3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 添加0.5um/min时，杂质自掺杂减少。杂 质外分散也随生长速率的添加而减少。反 之，图形漂移那么随生长速率的添加而添加。 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。1000110012001016/cm31.2um/min0.6um/min0.1um/min图2. 在P型外延生长中,我们应该认识重掺硼(B)有其特点。硼(B)

8、原子质量很小，值为10.81，而磷(P)为30.9、砷(As)为74，锑(Sb)为121。 由于硼(B)很轻，半径小，因自在程大在流动气体中相对分散间隔大(相对于P、As、Sb)。而它更容易到达反响器壁、石墨基座、石英件等外表，而被大量吸附，成为外延生长的掺杂源。而P、As、Sb运动间隔小，易被气流带出反响室外，所以重掺硼(B)P型衬底自掺杂效应严重难控制。.外延设备及所用的气体： 化学气相外延生长运用的设备安装通常称谓外延生长反响炉。普通主要由气相控制系统、电子控制系统、反响炉主体、排气系统四部分组成。 反响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置的高纯石墨基座。基座上放

9、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，进展严厉双密封的耐热防爆构造。 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，平安可靠 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.硅外延生长安装的方框图：.各种硅外延炉比较.在外延中应留意的问题：.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

10、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，固相分散仅为0.08um,对重掺砷(6*1019/cm3)衬底在外延温度为1050,外延时间t=5min,固相分散总计为0.04um,占外延层0.8%,这是由于Vt Dt.(D:衬底杂质分散系数。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要素。在常规的硅外延工艺过程中，为了保证外延层晶格的完好性得到良好的均匀性，通常在层流形状质量转移控制范围内生长。在这种情况下，普通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

11、呵斥自掺杂的主要缘由。见图.自掺杂的原因：1、外分散：杂质原子从高杂质浓度衬底向低杂质浓度的外延层进展固相分散所谓固-固分散；2、杂质的再淀积：由衬底的外表边沿、反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、来自反响室、基座的污染；要求反响室的干净和基座的硅包缚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.图形漂移、畸变 集成电路要在硅片正面部分区域内用分散或离子注入掺杂剂，这个部分分散区叫做埋层。埋层外表通常降低大约10003000的深度.在埋层上生

12、长的外延层，将重现下面称底较完美的外表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缘由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挪动一个间隔(d)图形漂移不改动外延尺寸d外延衬底.假设当两条平行台阶沿相反的方向位移时，那么外形尺寸将改动，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逝的问题，这种景象叫图形消逝图形漂移、图形畸变和图形消逝剧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。(

13、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，但假设衬底略微偏移(100)面，那么可以导致显著的漂移，特别是在低温暖低生长速率情况下更是如此。.、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，降低生长温度会呵斥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SiCl4)可以使图形消逝；、用低压生长工艺，小平面可以减少，然而这是利用添加图形尺寸而到达的一个折衷的方法。、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

14、少图形漂移随温度的升高而减少因此，生长参数的最正确优化是外延特性需求综合思索的问题。.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、堆垛层错、堆积物、异物和氧化引起的缺陷等。从广义上讲，缺陷也包括氧、碳、重金属等杂质以及原子空位和填隙原子等点缺陷。这些缺陷的存在有的会直接影响半导体的性能。 外延层中各种缺陷不但与衬底质量、衬底外表情况有关，而且也与外延生长过程本身有着亲密的关系。 外延层中常见的缺陷有角锥体、圆锥体乳突、月牙和鱼尾、划痕、云雾状外表位错、层错。.外延层缺陷分类：1、外表缺陷：显露在外延层外表的缺陷。1角锥体2圆锥体3阶丘4月牙和鱼尾5球6雾状外表7桔皮

15、.2、晶格构造缺陷：存在于外延层内部的缺陷。1层错2滑移位错3失配位错实践上，有些缺陷来源于外延层内部，甚至于衬底内部，但随着外延生长延伸到外表，因此很难说有些缺陷是哪一种类型。.角锥体： 角锥体是一种存在于外延层外表的锥体型小尖峰，多起于外延层和衬底交界面，但也能够在外延层内部产生，普通不会来源于衬底的内部。产生的缘由：1、衬底外表质量差和反响系统的沾污，石墨基座的碳等发生气相转变后都会在衬底外表上构成-SiC粒子，就能够成为角锥体的构成核，由核开场延伸，最后在外延层外表构成角锥体。2、角锥体的构成和衬底的晶向有关。Si的111晶向同其它的晶面相比，最容易发生角锥体。由于沿111晶向生长速度

16、最慢，最容易出现释放原子的速度高于这些原子在外表按一定规律陈列的速度，因此就能够呵斥外表原子陈列不均匀，引起部分地域晶面突起，成为角锥体的构成核，开展成为角锥体。偏离111晶面几度，角锥体的数量就明显下降，对一定的晶面有一个最大允许生长速率，超越此速率就会出现角锥体。3、外延温度较低，外表化学反响速度减慢，输运到外表上的SiHCl3分子因不能很快分解反响而堆积，也会产生角锥体。4、SiHCl3浓度太高也会产生角锥体，假设外表出现的角锥体非常多，就会开展成鱼鳞状的外表。.圆锥体： 这种缺陷往往在10E21/cm3重掺杂层上产生。假设发生形变，那么可成棱角锥体，因此也可以把这种缺陷看成是角锥体的一

17、种。.阶丘： 阶丘是尖端有一个角锥体而斜面坡度小的台阶状突起，高度可以达2-3m。这种缺陷的成因与角锥体类似，可采取一样措施消除。.月牙和鱼尾： 月牙和鱼尾是外延堆积后高于或低于表平面的构造，原因于堆剁层错等衬底缺陷。从这些缺陷的一端引出一尾巴并沿一定方向伸长的凹坑，其宽度为几微米，长度为10m数量级。. 球是在外延生长中落到衬底外表的碳粒子所构成，经电子衍射分析可知，它具有-SiC的组成与构造。球体所带的尾巴是反响体被粒子遮挡而生成的影子凹陷。. 雾状外表是一种存在于外延层外表的缺陷，经外表化学腐蚀后普通可用肉眼直接察看到。在111面上，这些缺陷呈浅三角形平底坑，或呈V形及棒状，尺寸为0.1

18、-0.8m，这些缺陷由于反响气体的污染H2纯度低、系统漏气、硅片清洗不干净，气相腐蚀缺乏所引起。.桔皮： 用肉眼可察看到的小波纹缺陷，这是由于归片抛光时去层不够，机械损伤的残留以及气相抛光腐蚀不适当呵斥。.以上是常见的几种外表缺陷，实践上还有许多种类，例如：镊子、吸笔、外来粒子的擦伤。这些缺陷的产生大多与杂质的沾污有机物、金属杂质、碳粒子、灰尘粒子抛光时的机械损伤，反响气体纯度，操作不当等有关。.层错： 层错也称堆剁层错，是外延层上常见的缺陷，是由于原子陈列次序发生错乱所引起的。利用化学腐蚀法用干涉相衬显微镜察看时不用进展腐蚀便可以显示出层错。 产生层错的缘由很多，衬底外表的损伤和沾污、外延温

19、度过低、衬底外表上的残留氧化物、掺杂剂不纯。生长速率太快，空位或间隙原子的凝聚外延生长时点阵失配等都能够引起层错。 层错是外延层的一种特征性缺陷。它本身并不改动外延层的电学性质，但可以产生其它影响，可引起分散杂质分布不均匀，成为重金属杂质的淀积中心等。 层错大多数是从衬底与外延层的交界面开场的，减少硅片外表的损伤，干净的外表，防止系统的气体泄露，外延生长前在1200高温下处置，HCl腐蚀等对减少、消除层错是非常有利的。.层错也称堆剁层错，是外延层上常见的缺陷，是由于原子陈列次序发生错乱所引起的。.滑移位错： SiHCl3SiCl4氢H2复原法外延普通在1100-1250的高温下进展，快速加温暖冷却都能够会产