工艺技术_外延工艺简介

CompanyConfidential 1 DoNotCopy 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 China310018 2005 08 05 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 CompanyConfidential 2 2 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 CompanyConfidential 3 3 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 CompanyConfidential 4 4 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 CompanyConfidential 5 5 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 CompanyConfidential 6 6 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 CompanyConfidential 7 7 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 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 1000 1100 1200 图2 CompanyConfidential 8 8 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 CompanyConfidential 9 9 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 CompanyConfidential 10 10 硅外延生长装置的方框图 CompanyConfidential 11 11 CompanyConfidential 12 12 CompanyConfidential 13 13 CompanyConfidential 14 14 各种硅外延炉比较 CompanyConfidential 15 15 在外延中应注意的问题 CompanyConfidential 16 16 CompanyConfidential 17 17 CompanyConfidential 18 18 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 固相扩散仅为0 08um 对重掺砷 6 1019 cm3 衬底在外延温度为1050 外延时间t 5min 固相扩散总计为0 04um 占外延层0 8 这是因为Vt Dt D 衬底杂质扩散系数 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因素 在常规的硅外延工艺过程中 为了保证外延层晶格的完整性得到良好的均匀性 通常在层流状态质量转移控制范围内生长 在这种情况下 一般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 这是造成自掺杂的主要原因 见图 CompanyConfidential 19 19 自掺杂的起因 1 外扩散 杂质原子从高杂质浓度衬底向低杂质浓度的外延层进行固相扩散 所谓固 固扩散 2 杂质的再淀积 由衬底的表面边沿 背面或内部 埋层 热蒸发出来的杂质在外延生长时再度进入外延层 3 来自反应室 基座的污染 要求反应室的洁净和基座的硅包缚 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 CompanyConfidential 20 20 CompanyConfidential 21 21 CompanyConfidential 22 22 CompanyConfidential 23 23 CompanyConfidential 24 24 图形漂移 畸变 集成电路要在硅片正面局部区域内用扩散或离子注入掺杂剂 这个局部扩散区叫做埋层 埋层表面通常降低大约1000 3000 的深度 在埋层上生长的外延层 将重现下面称底较完美的表面特征 衬底和外延层之间图形的任何横向位移叫图形漂移 图形漂移的主要原因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移动一个距离 d 图形漂移不改变外延尺寸 CompanyConfidential 25 25 如果当两条平行台阶沿相反的方向位移时 则外形尺寸将改变 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失的问题 这种现象叫图形消失 图形漂移 图形畸变和图形消失强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 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 但如果衬底稍微偏移 100 面 则可以导致显著的漂移 特别是在低温和低生长速率情况下更是如此 CompanyConfidential 26 26 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 降低生长温度会造成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 可以使图形消失 用低压生长工艺 小平面可以减少 然而这是利用增加图形尺寸而达到的一个折衷的方法 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少图形漂移随温度的升高而减少因此 生长参数的最佳优化是外延特性需要综合考虑的问题 CompanyConfidential 27 27 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 沉积物 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 衬底表面情况有关 而且也与外延生长过程本身有着密切的关系 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 云雾状表面位错 层错 CompanyConfidential 28 28 外延层缺陷分类 1 表面缺陷 显露在外延层表面的缺陷 1 角锥体 2 圆锥体 3 阶丘 4 月牙和鱼尾 5 球 6 雾状表面 7 桔皮 CompanyConfidential 29 29 2 晶格结构缺陷 存在于外延层内部的缺陷 1 层错 2 滑移位错 3 失配位错实际上 有些缺陷起源于外延层内部 甚至于衬底内部 但随着外延生长延伸到表面 因此很难说有些缺陷是哪一种类型 CompanyConfidential 30 30 角锥体 角锥体是一种存在于外延层表面的锥体型小尖峰 多起于外延层和衬底交界面 但也可能在外延层内部产生 一般不会起源于衬底的内部 产生的原因 1 衬底表面质量差和反应系统的沾污 石墨基座的碳等发生气相转变后都会在衬底表面上形成 SiC粒子 就可能成为角锥体的形成核 由核开始延伸 最后在外延层表面形成角锥体 2 角锥体的形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 因为沿 111 晶向生长速度最慢 最容易出现释放原子的速度高于这些原子在表面按一定规律排列的速度 因而就可能造成表面原子排列不均匀 引起局部地区晶面突起 成为角锥体的形成核 发展成为角锥体 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 超过此速率就会出现角锥体 3 外延温度较低 表面化学反应速度减慢 输运到表面上的SiHCl3分子因不能很快分解反应而堆积 也会产生角锥体 4 SiHCl3浓度太高也会产生角锥体 如果表面出现的角锥体非常多 就会发展成鱼鳞状的表面 CompanyConfidential 31 31 圆锥体 这种缺陷往往在10E21 cm3重掺杂层上产生 如果发生形变 则可成棱角锥体 因此也可以把这种缺陷看成是角锥体的一种 CompanyConfidential 32 32 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 3 m 这种缺陷的成因与角锥体相似 可采取相同措施消除 CompanyConfidential 33 33 月牙和鱼尾 月牙和鱼尾是外延沉积后高于或低于表平面的结构 起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10 m数量级 CompanyConfidential 34 34 球是在外延生长中落到衬底表面的碳粒子所形成 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应体被粒子遮挡而生成的影子凹陷 CompanyConfidential 35 35 雾状表面是一种存在于外延层表面的缺陷 经表面化学腐蚀后一般可用肉眼直接观察到 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 0 8 m 这些缺陷因为反应气体的污染 H2纯度低 系统漏气 硅片清洗不干净 气相腐蚀不足所引起 CompanyConfidential 36 36 桔皮 用肉眼可观察到的小波纹缺陷 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造成 CompanyConfidential 37 37 以上是常见的几种表面缺陷 实际上还有许多种类 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 反应气体纯度 操作不当等有关 CompanyConfidential 38 38 层错 层错也称堆剁层错 是外延层上常见的缺陷 是因为原子排列次序发生错乱所引起的 利用化学腐蚀法 用干涉相衬显微镜观察时不必进行腐蚀 便可以显示出层错 产生层错的原因很多 衬底表面的损伤和沾污 外延温度过低 衬底表面上的残留氧化物 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可能引起层错 层错是外延层的一种特征性缺陷 它本身并不改变外延层的电学性质 但可以产生其它影响 可引起扩散杂质分布不均匀 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始的 减少硅片表面的损伤 洁净的表面 防止系统的气体泄露 外延生长前在1200 高温下处理 HCl腐蚀等对减少 消除层错是十分有利的 CompanyConfidential 39 39 层错也称堆剁层错 是外延层上常见的缺陷 是因为原子排列次序发生错乱所引起的 CompanyConfidential 40 40 滑移位错 SiHCl3 SiCl4 氢 H2 还原法外延一般在1100 1250 的高温下进行 快速加温和冷却都可能会产生很大的热应力 热场分布不均匀 基座和硅片接触不良等都会不同程度地产生热应力 热应力可以使材料发生范性形变 如果晶体中处于某一晶面两侧的