硅外延层电阻率的控制

1、53 硅外延层电阻率的控制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，不同器件对外延层的电参数要求是不同的， 通常通常VLSI要求：在重掺杂的衬底（要求：在重掺杂的衬底（1019-1021cm-3）上生长一层轻掺杂（）上生长一层轻掺杂（1014-1017cm-3）的外延层的外延层 CMOS器件要求：衬底均匀掺杂器件要求：衬底均匀掺杂 双极型双极型IC要求：衬底中有埋层（轻掺杂的衬底要求：衬底中有埋层（轻掺杂的衬底中扩散有重掺杂的隔离区域）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中的杂质浓

2、度和分布来解决5-3-2 外延中杂质的再分布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，但是其杂质，或者是同一种类型的杂质，但是其浓度不同。浓度不同。 通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂浓度梯度很陡浓度梯度很陡，但是由于外延生长是在高，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：只考虑衬底中

3、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质源的余误差分布 N2为掺入杂质为掺入杂质Nf在外延层中的分布在外延层中的分布 5-3-1 外延层中的杂质及掺杂外延层中的杂质及掺杂 1.1.外延层中的杂质外延层中的杂质 外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N N总总可以表示可以表示为：为：N N总总N N衬底衬底 N N气气 N N邻片邻片 N N扩散扩散 N N基座基座 N N系统

4、系统 N N衬底：衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度 分量分量N N气：气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量外延层中来自混合气体的杂质浓度分量N N邻片：邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量N N扩散：扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量N N基座：基座：来自基座的杂质浓度分量来自基座的杂质浓度分量N N系统：系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量N气，气，N基座，基座，N系统，系统，杂质杂

5、质不是来源衬底片不是来源衬底片，因，因此称为此称为外掺杂外掺杂N扩散，扩散，N衬底，衬底，N邻片邻片的杂质的杂质来源于衬底片来源于衬底片，通，通称为称为自掺杂自掺杂广义上：外延生长时由衬底广义上：外延生长时由衬底、基座和系统等、基座和系统等带来的杂质进入到外延层中的带来的杂质进入到外延层中的非人为控制非人为控制的掺杂称为自掺杂的掺杂称为自掺杂外掺杂：主要指外掺杂：主要指人为控制人为控制的掺杂的掺杂5-3-3外延层生长中的自掺杂外延层生长中的自掺杂 造成自掺杂的主要原因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，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

6、气相中，它们的一部分在停滞层内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。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，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，经过一段时间后，固态扩散控制，VD k很小时，很小时， V=NsubK 与时间无关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，对衬底的腐蚀作用卤

7、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滞层中，一部分被还原掺入外延层中 基座，生长系统的污染基座，生长系统的污染 衬底杂质衬底杂质基座基座外延层外延层 反应室的记忆效应反应室的记忆效应 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

8、外延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，因而必须减少它降低，因而必须减少它抑制自掺杂1.采用低温外延技术低温外延技术和不含卤素的硅源，2.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3.外延前高温加热衬底，使衬底表面附近形成一杂质耗尽层；4.采用背面封闭技术背面封闭技术，在背面预先生长高纯的SiO2或多晶硅封闭后再外延；5.采用二段外延生长技术二段外延生长技术：覆盖吹气生长6.减压生长技术减压生长技术：使已

9、蒸发到气相中的杂质被抽走7.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 外延层的夹层外延层的夹层指的是外延层和衬底界面指的是外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反型层。附近出现的高阻层或反型层。外延夹层产生的原因有两种：外延夹层产生的原因有两种： 一种认为一种认为P P型杂质沾污型杂质沾污，造成，造成N N型外延层被高度补偿型外延层被高度补偿 解决办法：解决办法：P P型杂质主要来源于型杂质主要来源于SiCLSiCL4 4，只要提，只要提高高SiCLSiCL4 4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。决。 第

10、二种情况是由于衬底引起的第二种情况是由于衬底引起的 当衬底中硼的含量大于当衬底中硼的含量大于3 3 10101616cmcm3 3时，外延层中就时，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，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结果使得硼扩散到外延层中补偿了N N型杂质，形成型杂质，形成了一个高阻层或反型层。了一个高阻层或反型层。 解决办法：解决办法：一是提高重掺杂单晶质量；二是在一是提高重掺杂单晶质量；二是在工艺中防止引入工艺中防止引入P P型杂质，降低单晶中型杂质，降低单晶中B B的量；三是的量；三是在外延生长时可以先长一层在外延生长时可以先

11、长一层N N型低阻层作为过渡层，型低阻层作为过渡层，控制夹层控制夹层, ,但这不是根本办法。但这不是根本办法。外延生长的主动（人为）掺杂外延生长的主动（人为）掺杂 外延用外延用N N型掺杂剂：型掺杂剂：PCLPCL3 3,A,AS SCICI3 3,SbCI,SbCI3 3，AsHAsH3 3 P P型掺杂剂型掺杂剂BCLBCL3 3,BBr,BBr3 3，B B2 2H H6 6 方式：在反应气体中（硅源、氢气）中加入掺杂剂方式：在反应气体中（硅源、氢气）中加入掺杂剂注意注意掺杂浓度计算，掺杂浓度计算，固相中固相中 掺杂剂掺杂剂/ /硅硅掺杂剂掺杂剂/ /硅硅影响掺杂的因素：衬底温度、沉积的

12、速度、掺杂剂摩影响掺杂的因素：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没有一个简单的准则，要针对每个过程经验地确定5 54 4 硅外延层的缺陷硅外延层的缺陷 分类：分类： 一：表面缺陷，也叫宏观缺陷一：表面缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移线等移线等 二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错如层错，位错5 54 41 1外延片的表面缺陷外延片的表面缺陷 云雾状表面云雾状表面 外延片表面呈乳白色条纹

13、，在光亮处肉眼可外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以看到。以看到。 一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛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。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，角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘，用肉眼可以看到。用肉眼可以看到。雾状表面缺陷雾状表面缺陷雾圈雾圈 白雾白雾 残迹残迹 花雾花雾雾圈雾圈 白雾白雾 残迹残迹 花雾花雾角锥体角锥体 亮点：外形为乌黑发亮的小圆点亮点：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

14、在片子边缘部分比中间部分低形成一圈或一部分宽或一部分宽1 12mm2mm左右的斜平面。左右的斜平面。 形成原因：衬底加工时造成片边磨损形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏离衬底片晶向。偏离衬底片晶向。 划痕：由机械损伤引划痕：由机械损伤引起起 星形线（滑移线）：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，气相抛光浓度云雾状

15、表面：氢气的纯度低，含水过多，气相抛光浓度过大，生长温度低等过大，生长温度低等 划痕：机械损伤、表面不洁划痕：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，颗粒脱亮点：发亮的小圆点，抛光不充分，表面污染，颗粒脱落等落等 塌边：边缘部分低，衬底加工时造成晶体向偏离塌边：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的成核源

16、 层错多发生在衬底层错多发生在衬底-外延层的交界处外延层的交界处 消除：消除：a)选择好的衬底，清洁选择好的衬底，清洁 b)外延前气相抛光外延前气相抛光 c)外延前热处理外延前热处理2、外延层中位错的产生机制及消除办法产生机制：产生机制：1 原衬底位错延伸引入的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。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超过了屈服强度的热应力引起滑移消除办法：消除办法：1 选择无位错衬底选择无位错衬底 2 双掺杂技术：同时引入原子半径不同的两种杂质原子双掺杂技术

17、：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，产生：杂质沾污，Fe、Ni的影响最大的影响最大消除：消除：1 工艺中注意基座及系统的清洁处理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，掺杂均匀性好立式：旋转，掺杂均匀性好圆桶式：不易颗粒沾污、圆桶式：不易颗粒沾污、辐射加热：均匀性好，

18、减少应辐射加热：均匀性好，减少应力力二、选择硅源 SiCl4 :沉积温度高（沉积温度高（11501250），导致严重的自掺杂和外），导致严重的自掺杂和外 扩散扩散 优点：反应室壁上很少沉积，减少了壁上优点：反应室壁上很少沉积，减少了壁上Si颗粒剥落的沾污颗粒剥落的沾污 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（：沉积温度稍低（11001150 ）并不优于）并不优于SiCl4，很，很 少用少用 SiH2Cl2：较低温度（：较低温度（10501100 ）减少了自掺杂和外扩）减少了自掺杂和外扩 散，可以得到高质量外延层，比散，可以得到高质量外延层，比SiCl4和和SiH4更小的缺更小的缺 陷密度，增加器件的产出陷密度，增加器件的产出 SiH4： 低温（低温（10001100 ），非常少的自掺杂和外扩散，），非常少的自掺杂和外扩散， 较陡浓度梯度的外延层，没有逆向腐蚀，较陡浓度梯度的外延层，