外延工艺简介

HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential1DoNotCopy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HangzhouSilanIntegratedCircuitCo.,Ltd。308,No.10Road,EastHETZ,Hangzhou,Zhejiang,China3100182005.08.05HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential2DoNotCopy•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。HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential3DoNotCopy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。HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential4DoNotCopy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。HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential5DoNotCopy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。HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential6DoNotCopy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)。HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential7DoNotCopy101710181016110012001300B2H6PH3AsH3T(℃)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HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential8DoNotCopy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1016/cm3浓度，生长速率0.1um/min,生长温度1100~1200℃有上升趋势．（见图２）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。1000110012001016/cm31.2um/min0.6um/min0.1um/min图2HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential9DoNotCopy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。HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential10DoNotCopy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HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential11DoNotCopy电源电源变压器电气控制系统炉体电力控制系统真空控制系统排气系统排气气体控制系统N2H2HCLB2H6PH3TCS温度控制系统硅外延生长装置的方框图：HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential12DoNotCopyHANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential13DoNotCopyHANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential14DoNotCopyHANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential15DoNotCopy各种硅外延炉比较片内片-片炉-炉片内片-片炉-炉Gemini-24-54-54-55-65-65-64″22片双反应室，升温快，高频加热；容易产生滑移线EpiPro50004444-54-54-54″35片5″24片6″18片8″8片双反应室，升温快，中低频加热EVG-28GX444±6%±6%±6%4″27片5″19片6″10片双反应室，升温快，中频加热；容易产生滑移线LPE2061S4-4.54-4.54-4.54.5-54.5-54.5-54″30片5″24片6″14片8″5片双反应室，升降温慢，中频加热；容易产生滑移线MT7811K3334-54-54-54″35片5″24片6″15片单反应室，红外加热；不容易产生滑移线MT7700K3334-54-54-54″32片5″18片6″15片单反应室，红外加热；不容易产生滑移线ASMEpsilon-2(红外加热)PE3061（低频加热）＜1＜2＜2＜3.5单片生长，基本可连续生产适合大直径硅片、薄层外延；由于单片外延，质量好性能外延层厚度均匀性（%）外延层电阻率均匀性（%）型号生产能力HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential16DoNotCopy在外延中应注意的问题：HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusias