外延抑制自掺杂技术研究.doc

此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 毕业论文 题 目 外延抑制自掺杂技术研究 学生姓名 学 号 专业班级 应用物理 指导教师 学 院 答辩日期 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 目录目录 摘要 1 ABSTRACT 2 第一章 外延技术概述 3 1 1 概述 4 1 2 外延工艺知识 4 1 3 外延层制备的主要设备 5 第二章 掺杂存在的问题及解决方法 7 2 1 掺杂过程 7 2 2 掺杂剂的来源 7 2 3 外延参数的测量与控制 8 2 4 自掺杂 9 2 5 自掺杂的抑制 10 2 6 外延抑制自掺杂的主要技术 11 第三章 外延抑制自掺杂技术试验研究 15 3 1 低压外延技术 15 3 2 低温外延技术 18 3 3 HCL 腐蚀抛光技术 21 3 4 背封技术 25 总结 27 参考文献 错误 未定义书签 错误 未定义书签 致 谢 29 附录一 外文资料翻译译文 30 附录二 外文原文 46 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 摘要 外延层杂质浓度是影响电学性能的重要参数 外延掺杂存在有意识掺杂和无意识 掺杂 即自掺杂 自掺杂影响外延生长 自掺杂降低了衬底 外延界面过渡区的陡峭 程度 同时也增加了外延淀积过程中的本底浓度 不但对外延层的电阻率控制带来相 当大的困难 使外延层界面处杂质分布梯度变缓 外延层有效厚度减薄 PN 结击穿电 压的显著降低 晶体管的大电流特性变坏 特别不利于要求薄而界面处杂质分布陡的 外延层的微波器件的制造 而且一些有害杂质的存在 还会使噪声增加等 本文对外延淀积过程中自掺杂的产生进行了分析 提出了在外延淀积过程中可以 通过改变压力 温度 及采用 HCl 腐蚀抛光技术 背封技术 H2 烘烤赶气技术 二 步外延技术等方法来解决外延自掺杂 从而改善器件的特性参数 关键词 关键词 外延 淀积 自掺杂 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 Abstract The impurity concentration is a key parameter which has an effect on the electrical performance of the device in the epitaxy the doping of epitaxy exists conscious and unconscious doping i e self doping the growth of epitaxy is influenced by self doping Since the self doping reduced the steep degree of substrate and the epitaxy interface of transition region also increased background concentration in the process of the extension It makes the control of the epitaxy s resistivity difficult the epitaxy of the interface between layer impurities distribution gradient slow the epitaxy of effective thickness thin the breakdown voltage of PN junction significantly reduce and the current characteristics of transistor change bad especially to the disadvantage of manufacturing microwave devices which were required thin and the distribution of the impurities were steep in the interface And the existence of some harmful impurities still can make noise up etc This paper analised the generation of self doping during the epitaxial deposition some techniques such as altering press temperature HCl rot back seal H2 expel and two step epitaxy are proposed to improve the electrical charateristics of the device by reducing self doping effect during epitaxial deposition Key words Epitaxy Deposition Self doping 第一章第一章 外延技术概述外延技术概述 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 1 1 概述概述 外延生长 通常亦称外延 是半导体材料和器件制造的重要工艺之一 它的应用 和发展对于提高半导体材料的质量和器件的性能 对于新材料 新器件的开发 对于 半导体科学的发展都具有重要意义 所谓外延就是在一定的条件下 在单晶衬底上 沿原来的结晶方向生长一层导电 类型 电阻率 厚度和晶格结构 完整性等都符合要求的新单晶层的工艺过程 生长 的单晶层称为外延层 如图 1 1 1 所示 图 1 1 硅外延层 1 2 外延工艺知识外延工艺知识 1 2 1 外延优点外延优点 外延技术是 60 年代初开始逐渐发展起来的 外延的出现解决了半导体器件制造中 的许多问题 大大提高了半导体的性能 这种方法被用于硅高频大功率晶体管的生产 解决了击穿电压与串联电阻之间的矛盾 利用外延层能较精确地控制其厚度和掺杂的 特点 促使正处于迅速发展的半导体集成电路技术进入比较完善的阶段 2 主要的优 点如下 a 减少串联电阻 b 消除 CMOS 的可控硅效应 c 简化隔离技术 d 可以根据器件的要求 随心所欲地生长各种不同型号 不同电阻率和厚度的 外延层 1 2 21 2 2 生长机理生长机理 目前制备半导体单晶外延层的最主要方法是化学气相淀积法 Chemical Vapor Deposition CVD 所谓化学气相淀积 就是利用气态物质在固体表面上进行化学 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 反应 生成固态淀积物的过程 其主要的反应式为 SiHxCly XH2 Si yHCl 外延的生长过程 如图 1 2 图 1 2 外延的生长过程 1 3 外延层制备的主要设备外延层制备的主要设备 图 1 3 PER061PER061 桶式感应加热外延炉外形 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 图 1 4 ASM E2ASM E2 单片红外加热外延炉外形 3 第二章第二章 掺杂存在的问题及解决方法掺杂存在的问题及解决方法 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 2 1 掺杂过程掺杂过程 掺杂是外延中一个非常重要的问题 最早的方法是把液态掺杂剂 如 PH3 PH5 和 BBr3 加入到反应剂 SiCl4中 这种掺杂方法不能灵活改变掺杂浓度 同时由于掺杂 的 SiCl4中掺杂剂浓度随液体的减少而不断变化 因此采用这种方法外延层的电阻率难 以控制 这些缺点可以通过气相掺杂克服 通过气相掺杂外延人为地控制外延层中的 掺杂程度 达到要求的外延电阻率 图 2 1 为外延掺杂过程 1 图 2 1 硅的掺杂 2 2 掺杂剂的来源掺杂剂的来源 1 主掺杂质 用于控制外延层的电阻率 常用磷烷 砷烷和乙硼烷作为主掺杂 质源 它与硅源一道随主气流进入外延反应室 在外延生长过程中进入外延层 2 固态外扩散杂质 a 衬底中掺入的杂质在外延过程中 通过固态外扩散 进入外延层 b 对于同型外延 衬底中反型杂质通过固态扩散进入外延层形成外延 夹层 3 气相自掺杂 重掺衬底或重掺埋层中的杂质经蒸发后进入气流中在后又掺入 外延层中 4 系统自掺杂 吸附在外延反应室内壁和外延基座表面的杂质 解附后进入气 流形成新的掺杂源 5 金属杂质 衬底硅片 外延基座和外延系统中沾污的金属杂质在外延过程中 进入外延层 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 2 3 外延参数的测量与控制外延参数的测量与控制 外延层的厚度和电阻率 掺杂浓度 是外延工艺中相互影响的两个非常重要的参 数 所以有必要介绍外延层厚度与电阻率的测量 电阻率 掺杂浓度 的测定是通过 测量其方块电阻来呈现的 外延层厚度是通过红外光反射测量的 最终的电阻率是通 过方块电阻与厚度的乘积来决定 4 2 3 1 外延厚度的测量外延厚度的测量 外延层厚度的测量方法有很多 这里只介绍 Fab 常用的红外反射干涉法 见图 2 2 测量范围 0 25 200 m 测量精度 0 02 m 图 2 2 测量原理示意图 2 3 22 3 2 外延层方块电阻的测量外延层方块电阻的测量 外延层方块电阻率的测量主要采用四探针法 所谓薄层电阻 就是表面为正方形 的半导体薄层 在电流方向上所呈现的电阻 因此也称为方块电阻 图 2 3 示出四探 针法的基本组成图 图 2 3 四探针的基本组成 它由相聚都为 1mm 同在一个平面成一直线的四根探针 同时压在硅片试样表面 上 外面两个小探针通以恒定的小电流 中间两个探针用高输入阻抗的电压表测量最 终电压 4 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 如今 Fab 中都配有四探针测试仪 使用时只要调节好确定的修正系数 c 就可以 从测试仪控制界面上直接读出 Rs 的值 薄层电阻 Rs 乘以外延层的厚度可以得到外延层的电阻率 由于外延层内杂质分布 不均匀 因此求得的电阻率也是平均值 Rs i 10000 其中 为外延层平均电阻率 Rs 薄层电阻测量值 i 为外延层厚度 2 4 自掺杂自掺杂 外延掺杂中存在有意识掺杂和无意识掺杂 如图 2 4 所示 有意识掺杂是指在外 延层上有意进行的掺杂 通过掺杂 使外延层的电阻率达到一定的值 无意识掺杂是 衬底表面的固态扩散和气相中的自掺杂 是外延工艺中不希望存在的掺杂 4 外延掺杂 图 2 4 外延掺杂的两种途径 自掺杂通常定义为衬底杂质在高温下通过气相输运到外延层 因此 外延层中的 杂质由两部分组成 如图 2 5 所示 图 2 5 外延层中杂质的组成 2 4 12 4 1 自掺杂的危害自掺杂的危害 自掺杂降低了衬底 外延界面过渡区的陡峭程度 同时也增加了外延淀积过程中的 本底浓度 不但对外延层的电阻率控制带来相当大的困难 使外延层界面处杂质分布 无意识掺杂 衬底表面的固态扩 散和气相中的自掺 杂 有意识掺杂 可通过在反应物中 增加氢化物杂质源 得到掺杂外延层 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 梯度变缓 外延层有效厚度减薄 PN 结击穿电压的显著降低 晶体管的大电流特性变 坏 特别不利于要求薄而界面处杂质分布陡的外延层的微波器件的制造 而且一些有 害杂质的存在 还会使噪声增加等 2 4 22 4 2 自掺杂的来源自掺杂的来源 1 1 外延生长前掺杂剂进入气相 外延生长前掺杂剂进入气相 a 环境沾污效应 环境沾污效应主要是由于管道系统 反应器 反应剂 石墨基座等不可能绝对 地纯净 以及载气 H2中存在的 O2等杂质成分在高温下分解进入气相而造的 b 腐蚀效应 高温下的 HCl 腐蚀虽然对改善晶格结构有益 但同时产生一些副产物 而且在高 温下还要剥去一层衬底表面 所以这些副产物及衬底中的杂质也有一部分进入气相环 境中 2 2 外延生长中掺杂剂从衬底直接进入气相 外延生长中掺杂剂从衬底直接进入气相 外延生长过程的反应相当复杂 所以自掺杂效应是极为复杂的 其自掺杂过程可 分为以下几个主要阶段 a 热处理过程 在此过程中 衬底中的杂质与外延层之间存在杂质浓度梯度 从而导致衬底的高 浓度杂质以气 固方式进入气相 参与到外延淀积过程中 b 反应过程 在此过程中 衬底与人为掺入的杂质源和硅源发生化学反应 以化合物的方式进 入 气相 参与到反应过程中 c 结尾过程 反映结束后 多余的杂质沉积或吸附在系统中 不能完全排除 还要继续参与到 气相中 2 5 自掺杂的抑制自掺杂的抑制 在外延淀积过程中 如何有效地利用掺杂剂 减少自掺杂效应 从而形成均匀的 杂质浓度分布 降低过渡区的宽度 是必须重点研究的问题 抑制外延自掺杂的主要 技术有选取衬底 高温处理 低压外延 低温外延 HCl 腐蚀抛光 背封 二步外延 H2烘烤赶气等 2 5 12 5 1 选取衬底杂质选取衬底杂质 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 尽量选用扩散系数小 蒸发速率低的杂质做衬底杂质 另外 杂质从衬底表面的 逸出和向外延层中的外扩散都与衬底原始杂质浓度成正比 因此 在保证足够低的串 联电阻的前提下 衬底浓度不宜过高 这样在高温状态下 衬底中的杂质进入气相参 与反应的量就可大幅度减小 从而有效抑制自掺杂 5 2 5 22 5 2 高温处理衬底高温处理衬底 在外延生长前 高温处理衬底 使硅片表面附近形成一杂质耗尽层 再进行外延 生长 杂质逸出速率降低 可减少自掺杂 2 6 外延抑制自掺杂的主要技术外延抑制自掺杂的主要技术 抑制外延自掺杂的主要技术有低压外延技术 低温外延技术 HCl 腐蚀抛光技术 背封技术 二步外延技术 H2烘烤赶气技术等 6 2 6 12 6 1 低压外延低压外延 利用低压技术来淀积外延层 可较好地抑制自掺杂效应 减少杂质在外延层淀积 初期的沾污 提高有效外延层厚度 在低压环境下 气体的分子密度变稀 分子的平 均自由能增大 杂质的扩散速度加快 因而由衬底逸出的杂质能快速穿过边界层被排 除出反应室 重新进入外延层的机会将大大减小 从而降低了自掺杂效应对外延层杂 质浓度和分布的影响 因而可以得到陡峭的杂质分布 如图 2 6 所示 图 2 6 减压外延使滞留层变薄 大部分杂质进入对流层带走 2 6 22 6 2 低温外延低温外延 采用低温外延技术可以有效地降低高温产生的杂质扩散 从而减小了自掺杂对外 延层杂质浓度分布的影响 因而可以得到比较陡峭的杂质分布 有利于制作较窄的 PN 结和性能理想的半导体器件 5 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 在压力恒定的条件下 随着温度的降低 气体的热传导也会显著降低 边界层的 温度梯度变小 促使蒸发的掺杂剂加速通过边界层 被 H2气流带出反应室 温度的降 低减小了氢在衬底表面的吸附 从而使硅化物更容易被吸附 使外延过程中杂质的纵 向和横向扩散受到抑制 有效减少了自掺杂的影响 下图表明了不同温度下的扩展电阻 曲线 图 2 7 不同温度下样品的扩展电阻分布图 由图 2 7 可以看到 在不同温度下其过渡区的宽度是不一样的 在温度为 950 过渡区宽度为 0 0255 m 在温度为 900 过渡区宽度为 0 015 m 在温度为 850 过 渡区宽度仅为 0 005 m 说明温度对过渡区的影响特别大 当然 在降低温度的同时 还必须得保证外延层表面质量的完好 2 6 32 6 3 HCl 腐蚀抛光腐蚀抛光 HCl 气相腐蚀抛光技术是去除外延沾污和缺陷的重要手段之一 在高温下通过 HCl 与硅发生化学反应 把硅片表面剥去一层 既可去除沾污和损伤层 又能去除尺 寸较小的合金点 给外延生长提供一个洁净 无损的表面 在低压条件下 HCl 携带 的金属杂质会加速排除 对抑制外延层的自掺杂是非常有效的 压力与 HCl 腐蚀速率 的关系 3 如图 2 8 所示 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 图 2 8 压力与 HCl 腐蚀速率的关系 2 6 42 6 4 背封背封 背封技术的目的就是在衬底背面形成一个保护层 从而降低杂质的扩散速率 它 通过在外延生长前延长高温时间 改变气流速度来改变生长环境 从而降低环境中的 杂质分压 并形成一个背面 表面的杂质耗尽层 然后通过大气流赶气 尽可能将环 境中多余的杂质赶出 是边界层中的杂质大大减小 通过采用背封技术 可以最大限 度地减小杂质从背面扩散 此种方法对重掺杂型衬底特别有用 2 6 52 6 5 二步外延二步外延 所谓二步外延技术是指在硅片上先生长一层 0 2 0 5 m 的本征外延层 如图 2 9 所示 对硅片表面起到自封闭作用 阻止衬底杂质的进一步向外挥发 然后通过大流 量 H2 冲洗赶气 使吸附在晶片 基座表面的杂质被主气流吹走 到一定时间后 边界 层中杂质被排尽 在进行第二阶段的生长 直到外延层要求的厚度 这样由于自掺杂 量的减少 在外延层 衬底界面处的杂质浓度就会变得陡峭 使杂质过渡区变窄 这种 方法对于抑制纵向自掺杂非常有效 而对于防止在界面上最大值的横向自掺杂的效果 不是很明显 7 图 2 9 二步外延 2 6 62 6 6 H2H2 烘烤赶气烘烤赶气 外延本征层 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 H2烘烤赶气对抑制埋层自掺杂有明显的效果 H2烘烤的作用是通过降低表面杂质 浓度来减少自掺杂 据文献报道 理论计算可知 1150 10 min 的烘烤期间 As 埋 层中 15 的杂质将蒸发到气相环境中 而 H2 烘烤对降低 B 表面浓度比的腐蚀起的作 用还要大 可见 H2烘烤赶气技术在抑制外延自掺杂中发挥着重要的作用 另外 H2流量与硅片边缘厚度也存在着一定的关系 如图 2 10 所示 增加 H2流 量通常会减少硅片边缘的厚度 减少 H2流量通常会增加硅片边缘的厚度 对于 100mm 200mm 的硅片 H2流量通常在 40 80slpm 之间选择 图 2 10 H2流量与硅片边缘厚的关系 3 以上针对抑制外延自掺杂的几种主要技术做了简单介绍 在接下来的一章中将对 以上几种技术做详细描述 并通过实验进行验证 第三章第三章 外延抑制自掺杂技术试验研究外延抑制自掺杂技术试验研究 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 3 1 低压外延技术低压外延技术 3 1 13 1 1 引言引言 由于常压硅外延工艺杂质的固相扩散和自掺杂难以控制 外延层与衬底交界面处 杂质浓度过渡区分布缓变 不可能形成陡峭的杂质浓度分布 1970 年 BOSS 等人采 用了一种新的外延工艺 低压外延技术 有效地减少了常压外延对器件带来的自掺 杂的严重影响 现在低压外延技术已经倍受人们关注 它是当前超大规模集成电路和 一些高压特殊器件急需发展的新技术 在发展其型器件如异质结晶体管 高速器件以 及光电子器件中 都具有十分重大的意义 利用低压外延技术可以制作出晶体结构完 整 界面过渡区杂质分布陡峭的外延层 而且易于工业化大生产 在薄硅外延层以及 重掺杂衬底外延层的制备方面具有良好的应用前景 8 3 1 23 1 2 原理原理 低压环境改变了反应室中的气体流动 使源气体分子占主导地位 比较复杂的气 流环境变得简单 原来的紊乱气流变成层流气流 同时 气体的分子密度变稀 分子 的平均自由能增大 杂质的扩散速度加快 因而由衬底逸出的杂质能快速地穿过边界 层被主气流排除出反应室 使得这些杂质重新进入外延层的机会大大减少 反应系统 处于低压状态 当反应停止时 反应室中残存的反应剂和掺杂剂也能迅速地被排除掉 缩小了衬底与外延层之间的过渡区 并能很好地改善厚度及电阻率的均匀性 减少了 埋层图形的漂移和畸变 另外 由于低压下氢气的分压降低 硅原子在表面迁移时受 到的阻碍减小 很容易结合到晶格中 减少了外延层中的层错和位错 更有利于形成 平整光亮的外延层 图 3 1 为低压反应腔 1 图 3 1 低压反应腔 3 1 33 1 3 实验实验 实验利用进口的美国 ASM E2ASM E2 单片红外加热外延炉来进行 硅源为 SiH2Cl2气体 掺杂源为氢气稀释至 100 pmm 的 PH3气体 选用硅片为 N 掺 As 111 硅衬底免洗片 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 其电阻率为 0 002 0 004 cm 硅片的掺杂分布通过四探针测方块电阻来反映 硅 片的厚度分布用红外测厚仪来测量 1 1 压力对厚度的影响 压力对厚度的影响 反应室内压力降低 由于反应剂分压变小及生长动力学控制过程发生变化 在硅 源摩尔浓度相同时 生长速率一般比常压低 当生长温度和硅源浓度一定时 降低反 应室的压力 外延层厚度也会随之降低 表 3 1 比较了在相同温度和相同的硅源浓度 下 不同压力条件下由红外测厚仪测量的样品片内 5 点 标准抽样点 厚度 表 3 1 压力与生长速率的关系 外延层厚度 m 样品 编号 生长 温度 生 长 时 间 s 压力 Torr SiH2Cl2 浓度 ML m 12345 00110804341002807 367 357 427 347 31 0021080434802807 347 317 347 317 29 0031080434602807 267 257 257 257 26 表 3 1 表明 在压力为 100 Torr 时 其片内外延层厚度最高与最低相差了 0 11 m 在压力为 80 Torr 时 其片内外延层厚度最高与最低相差了 0 05 m 而当压 力降为 60 Torr 时 其片内外延层厚度最高与最低相差了 0 01 m 不难看出 当压力 降低时 片内厚度均匀性有了非常大的改善 图 3 2 明显地显示了这一变化 图 3 2 压力外延层厚度的关系 随着压力的降低 气体分子密度变稀 杂质浓度减小 厚度变薄 由衬底逸出的 杂质也相应地减少 自掺杂降低 2 2 压力对外延层方阻的影响 压力对外延层方阻的影响 表 3 2 比较了在相同温度和相同的硅源浓度下 不同压力条件下由四探针测量仪 测量的样品片内 5 点 标准抽样点 方块电阻 表 3 2 压力与方阻的关系 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 外延层方阻 cm2 样 品 编 号 生 长 温度 生 长 时 间 s 压力 Torr SiH2Cl2 浓度 ML m 12345 001108043410028028662704263825632684 00210804348028027942783274526952765 00310804346028028892890289228952875 图 3 3 压力与方阻的关系 由图 3 3 可以看出 60 Torr 压力下的方块电阻相对 80 Torr 和 100 Torr 明显上升 这正是在低压环境下自掺杂减小的缘故 综合考虑表 3 1 和表 3 2 可得出压力与电阻率的关系 如表 3 3 所示 表 3 3 压力与电阻率的关系 外延层方阻 cm 样品 编号 生 长 温度 生 长 时 间 s 压力 Torr SiH2Cl2浓 度 ML m 12345 00110804341002802 101 981 961 881 96 0021080434802802 052 032 011 972 02 0031080434602802 092 102 102 102 08 表 3 3 表明 在压力为 100 Torr 时 电阻率的均匀性很差 最大与最小相差了 0 22 偏差为 5 53 在压力为 80 Torr 时 电阻率的最大与最小值相差了 0 08 偏 差为 1 98 在压力为 60 Torr 时 电阻率的最大与最小值相差了 0 02 偏差为 0 48 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 图 3 4 压力与电阻率的关系 由图 3 4 可以看出 随着压力的降低 自掺杂减小 参与导电的离子减少 电导 率降低 电阻率升高 所以 低压能明显抑制自掺杂现象 当然 降低反应室的压力 也有限度 在压力降低到一定程度时 势必会减小主气流的流量才能达到此压力值 然而随着主气流的减少 其杂质排除出反应室的时间就将变慢 必然又会增加自掺杂 使外延层与衬底之间的过渡区出现缓变趋势 所以 压力与气流的匹配关系是十分重 要的 3 3 结论结论 低压条件下分子的平均自由能增大 杂质的扩散速度加快 因而由衬底逸出的杂 质能快速地穿过边界层被排除出反应室 重新进入外延层的机会大大减少 从而降低 了自掺杂效应对外延层中杂质浓度和分布的影响 因而可以得到陡峭的杂质分布 低压外延是降低自掺杂 改善外延层厚度和电阻率均匀性的一种有效方法 除此 之外 低压外延技术还能缩小多层外延的过渡区 减少系统沾污 降低生长温度等 现在低压外延技术已成为一种比较成熟的工艺 在各种外延生长中得到了广泛的应用 3 2 低温外延技术低温外延技术 3 2 13 2 1 引言引言 由于采用高温外延 容易产生界面互扩散和气相自掺杂 通常难以获得陡峭的界 面杂质分布 交界面处杂质浓度过渡区分布缓变 不可能形成陡峭的杂质浓度分布 使得高温外延很难制得较窄的 PN 结和性能理想的半导体器件 采用低温外延技术可 以有效地解决这一难题 另外 温度还与外延层厚度存在一定的关系 如下图 3 5 所 示 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 图 3 5 温度与外延层厚度的关系 3 3 2 13 2 1 原理原理 当温度降低时 可以有效地降低高温产生的杂质扩散 从而减小了自掺杂对外延 层杂质浓度分布的影响 因而可以得到比较陡峭的杂质分布 3 2 33 2 3 实验实验 实验利用进口的美国 ASM E2ASM E2 单片红外加热外延炉来进行 硅源为 SiH2Cl2气体 掺杂源为氢气稀释至 100 ppm 的 PH3气体 选用硅片为 N 掺 As 111 硅衬底免洗片 其电阻率为 0 002 0 004 cm 硅片的掺杂分布通过四探针测方块电阻来反映 硅片 的厚度分布用红外测厚仪来测量 1 1 温度对厚度的影响温度对厚度的影响 在低温条件下 外延层厚度的均匀性主要受气流大小 气流方向 温度的大小等 多种因素决定 当气流与压力恒定后 随着温度的降低 其外延层厚度的均匀性会有 微小的变化 9 表 3 4 是不同温度下的膜厚数据 表 3 4 温度与外延层厚度的关系 外延层厚度 m 样品 编号 生 长 温度 生 长 时 间 s 压 力 Torr SiH2Cl2 浓度 ML m 12345 001950240602603 823 783 763 733 79 002900240602603 753 703 703 723 73 003850240 602603 623 613 623 603 61 由表 3 4 可知 当温度为 950 片内外延层厚度最大值与最小值差了 0 09 m 其最大偏差为 2 41 当温度为 900 片内外延层厚度最大值与最小值差 了 0 05 m 其最大偏差为 1 35 而当温度降为 850 片内外延层厚度最大值与最 小值差了 0 02 m 其最大偏差为 0 60 从样品厚度的最大偏差不难看出 随着温度 的降低 外延层厚度的均匀性也得到了一些改善 图 3 6 表示了压力与厚度的关系 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 图 3 6 温度与外延层厚度的关系图 由图 3 6 可知 随着反应温度的降低 杂质浓度相对减小 生长速率减慢 厚度变薄 杂质的扩散速率减小 自掺杂降低 2 2 温度对外延层方阻的影响温度对外延层方阻的影响 表 3 5 比较了在相同压力和相同的硅源浓度下 不同温度条件下由四探针测量仪 测量的样品片内 5 点 标准抽样点 方块电阻 表 3 5 温度与外延方阻的关系 外延层方阻 cm2 样品 编号 生 长 温度 生 长 时 间 s 压力 Torr SiH2Cl2 浓度 ML m 12345 0019502406026018601889179919221950 0029002406026018731892182419061918 0038502406026019801963199219861987 图 3 7 温度与方阻的关系图 由图 3 7 可以看出 温度为 850 的方块电阻相对 900 和 950 明显上升 这也 是在低温环境下自掺杂减小的缘故 综合考虑表 3 4 和表 3 5 可得出温度与电阻率的关系 如图 3 6 所示 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 表 3 6 温度与电阻率的关系 外延层电阻率 cm 样品 编号 生 长 温度 生 长 时 间 s 压力 Torr SiH2Cl2浓 度 ML m 12345 001950300601000 710 710 680 740 74 002900300601000 700 700 670 710 72 003850300601000 720 710 720 710 72 表 3 6 表明 在温度为 950 时 电阻率的均匀性很差 最大与最小相差了 0 06 偏差为 4 23 在温度为 900 时 电阻率的最大与最小值相差了 0 05 偏差 为 3 60 在温度为 850 时 电阻率的最大与最小值相差了 0 01 偏差为 0 70 图 3 8 温度与电阻率的关系 由图 3 8 可知 温度越高 电阻率越低 均匀性越差 存在的自掺杂现象就越严 重 随着温度的逐步降低 电阻率的值和均匀性得到了很好的改善 自掺杂现象明显 减小 3 3 结论结论 随着反应温度的降低 气相环境中的气流减小 杂质浓度降低 外延层的方阻逐 渐上升 自掺杂减小 因此 低温外延是一种抑制自掺杂的有效方法 3 3 HCl 腐蚀抛光技术腐蚀抛光技术 3 3 13 3 1 引言引言 HCl 气相腐蚀抛光技术是去除外延沾污和缺陷的重要手段之一 在高温下通过 HCl 与硅发生化学反应 把硅片表面剥去一层 既可去除沾污和损伤层 又能去除去 尺寸较小的合金点 给外延生长提供一个洁净 无损的表面 实验发现 HCl 气相抛 光因降低表面杂质浓度对抑制某些杂质的自掺杂有明显的效果 对于 Sb 埋衬底 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 HCl 的抛光作用比 H2烘烤的作用更为明显 而对于 B 埋衬底 H2烘烤的作用就大于 HCl 的抛光作用 10 在低压条件下 HCl 携带的金属杂质会加速排除 对抑制外延层 的自掺杂是非常有效的 压力与 HCl 腐蚀速率的关系如图 3 9 所示 图 3 9 压力与 HCl 腐蚀速率的关系 3 3 3 23 3 2 原理原理 HCl 的腐蚀抛光过程实际上就是外延生长过程的逆反应 反应过程是多相反应 它随着反应物的浓度 温度 压力以及反应室的几何形状不同 会产生不同的副反应 HCl Si SiCl4 H2 HCl Si SiHCl3 H2 HCl Si SiCl2 H2 在外延生长过程中 当实际供给反应室的硅源浓度过大时 硅衬底的某些区域就 会从生长状态变成被腐蚀状态 致使外延生长速率下降 所以 合理控制反应剂的浓 度是必须的 一般情况下 HCl 浓度越大 其硅片表面的腐蚀量也就越大 它可以在 短时间内除去表面 0 1 m 0 5 m 对消除外延层错和乳突非常有效 而且还可以减少 硅片的高温处理时间 对抑制某些杂质如 Sb As 等的外延层自掺杂能够起到明显的 作用 但 HCl 浓度越大 其携带金属杂质的能力也就越强 这些金属杂质源就会沾污 外延层 或者存留在外延反应系统的管道内 对外延层杂质浓度的精确控制带来一定 的困难 研究结果表明 外延层中 Fe 和 Cr 的浓度 随 HCl 浓度的增加而增加 11 同 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 时 HCl 浓度过大 会使双极电路埋层方块电阻上升量过大 图形畸变严重 电路成 品率迅速下降 HCl 腐蚀速率 如图 3 10 所示 图 3 10 HCl 腐蚀速率 3 3 3 3 实验实验 实验利用进口的美国 ASM E2 单片红外加热外延炉来进行 硅源为 SiH2Cl2气体 掺杂源为氢气稀释至 50 ppm 的 PH3气体 选用硅片为 N 掺 Sb 100 硅衬底片 其电 阻率为 0 008 0 02 cm 硅片的掺杂分布通过四探针测方块电阻来反映 硅片的厚度 分布用红外测厚仪来测量 注 注 红外测厚仪不识别掺 Sb 硅衬底片 在实验之前必须对硅片进行 As 离子注入 实验分两组进行 A 组按常规菜单步骤运行 菜单中不设置 HCl 抛光程序 B 组在淀 积单晶硅之前首先对 Sb 埋衬底进行 HCl 抛光处理 实验选用浓度为 2 0L min 的 HCl 溶液 在温度为 1150 压力为 60 torr 的条件进行 表 3 7 表示了 HCl 抛光与外延层 各参数的的关系 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 表 3 7 HCl 抛光与外延层各参数的关系 实验 组别 外延层厚度 m 方块电阻 cm2 电阻率 cm 厚度 5 625 105 265 185 30 方阻 32053575315831083075 A 电阻率 1 701 821 661 611 63 厚度 5 565 525 485 545 53 方阻 33463354338033693359 B 电阻率 1 861 851 851 871 86 由表 3 7 得知电阻率的最大值与最小值只差了 0 02 偏差为 5 4 自掺杂得到 了很好的控制 图 3 11 抛光对外延层厚度的影响 经 HCl 处理后的硅片 更易于外延层的生长 厚度变厚 均匀性也很好 图 3 12 抛光对外延层方块电阻的影响 经 HCl 处理后的硅片 外延层的方块电阻升高 均匀性变好 自掺杂降低 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 图 3 13 HCl 抛光对外延层电阻率的影响 经 HCl 处理后的硅片 电阻率上升 均匀性也很好 自掺杂明显降低 总之 经 HCl 腐蚀抛光处理 外延自掺杂得到了很好的控制 HCl 腐蚀抛光技术 已广泛应用于生产实践中 3 4 背封技术背封技术 3 4 13 4 1 引言引言 在重掺砷衬底上生长 N 高阻外延层 一直是硅外延的技术难题 半导体器件要求 外延层的电阻率分布尽可能一致 以满足器件对击穿电压和串联电阻的要求 但因重掺 砷衬底片在外延过程中存在着自掺杂效应 往往使生长出的外延层电阻率分布不能同时 满足器件对击穿电压和串联电阻的要求 我们在功率肖特基二极管外延试制中一开始 既遇到这样的问题 12 因没有采取有效的自掺杂控制技术 致使外延层电阻率分布达 不到功率肖特基二极管对 VR 和 VF 的要求 器件合格率得不到保证 背封技术的目的就是在衬底背面形成一个保护层 从而降低杂质的扩散速率 它 通过在外延生长前延长高温时间 改变气流速度来改变生长环境 从而降低环境中的 杂质分压 并形成一个背面 表面的杂质耗尽层 然后通过大气流赶气 尽可能将环 境中多余的杂质赶出 是边界层中的杂质大大减小 通过采用背封技术 可以最大限 度地减小杂质从背面扩散 6 此种方法对重掺杂型衬底特别有用 3 4 23 4 2 原理原理 四氯化硅外延是在高温下与氢气反应 生成单晶硅和氯化氢 其化学反应为 SiCl4 2 H2 Si 4HCl 自掺杂是外延生长过程中不希望的掺杂过程 自掺杂一般来自于反应室 系统气 流管道 石墨基坐 衬底单晶片等 在重掺砷单晶片外延中 来自衬底片的自掺杂是自 掺杂的主要来源 硅单晶片在 EPI 生长温度下 一方面反应生成的硅原子不断淀积在 衬底片表面 同时 As 原子会从衬底单晶片中扩散进入反应室气流系统 并随 EPI 层的 生长掺入外延层中 成为外延层中不希望存在的自掺杂质源 衬底片的电阻率也是有一 定能够范围的 随着衬底片电阻率的不同 通过自掺杂进入外延层的砷原子数量也不同 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 采用石墨基坐的包硅自封闭工艺可以有效的防止衬底 As 原子的自掺杂效应 13 外延 生长过程中 衬底与基坐的温差比较大 高低温区将发生不同的化学反应 造成硅的迁移 其反应为 Si 2HCl SiCl2 H2 从而导致基坐上所包的硅迁移到衬底背面 封闭了衬底背面的自掺杂扩散 3 4 33 4 3 实验实验 实验利用进口的美国 ASM E2 E2000 单片红外加热外延炉来进行 硅片的掺杂分布 通过四探针测方块电阻来反映 硅片的厚度分布用红外测厚仪来测量 a 硅源为 SiH2Cl2气体 掺杂源为氢气稀释至 50 ppm 的 PH3气体 b 选用硅片为 N 掺 As 111 硅衬底片 厚度为 500 550 m 其电阻率为 0 008 0 02 cm c 基坐包硅条件 H2 150L min T 1180 t 10min d 12 m EPI 生长条件 H2 150L min T 1160 t 7min 按相同工艺条件 分别生长 5 片的结果见表 3 8 表 3 8 采用背封技术后厚度和电阻率的均值 第一片第二片第三片第四片第五片 厚度 um 5 755 735 765 745 72 电阻率 4 584 624 594 564 55 从表 3 8 可以看出 厚度均值最大值与最小值之间只差了 0 04 偏差为仅 0 35 电阻率均值的最大值与最小值之间差了 0 07 偏差为 0 77 由此可以看出 背封技术很好的抑制了自掺杂效应 使厚度和电阻率的均匀性得到很好的改善 实践 证明 自封闭技术在功率肖特基整流二极管外延中已得到广泛的应用 经以上实验及生产实践证实 包硅自封闭工艺是一种简便的防止重掺杂衬底片高温 自掺杂扩散的有效方法 掩蔽效果好 适合于批量生产 特别是 N N 外延层的制造 宜于在生产中推广使用 总结总结 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 功率肖特基整流二极管是依据金属和半导体接触的整流理论发展起来半导体整流 器件 因其工作频率高 电能损耗小的优越性能而得到越来越广泛的应用 现已广泛应 用在手机充电器 电视机 空调 电冰箱等大多数家用电器 及工业用仪器仪表等 14 外延是功率肖特基整流二极管制造的关键工艺 外延层质量直接关系到功率肖特基整流 二极管的参数能否达到要求 而外延层掺杂浓度是影响其电学性能的重要参数 与之 相关的器件相关参数主要有击穿电压 结电容 晶体管增益和开关速度等 所以精确 控制掺杂量 尽量减少自掺杂效应就显得尤为重要 特别是近年来 为提高电路的集 成度 传统的平面结构已向三维立体结构发展 与之相适应的多层结构的外延层也在 不断的变化 立体结构中有多种衬底杂质以及不同的杂质类型 就要求外延层有不同 的掺杂浓度 不同的掺杂类型 并且层与层之间的界面要求更加陡峭 这就对外延层 提出了新的更高的要求 也就需要更有效地抑制自掺杂效应发生 为了适应这些新的 要求 就必须对外延淀积过程的热力学 动力学等方面进行研究 并且在淀积温度 淀积速率 淀积压力等方面进行更深入和细致的探索 使工艺不断地更新优化 才能 取得更好的效果 参考文献参考文献 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 1 Michle Quirk Julian Serda 半导体制造技术 M 韩郑生等译 北京 电子工业出 版社 33 82 2 阙端麟主编 陈修治副主编 硅材料科学与技术 M 浙江 浙江大学出版社 280 282 289 291 3 Epsilon One System Version 4 0 Software User Manual M 1 16 4 电子工业生产技术手册 编委会编 电子工业生产手册 7 1991 69 126 5 第十四届半导体集成电路 硅材料学术年会 下 论文集 C 6 李智囊 侯宇 外延淀积过程中的自掺杂抑制 J 微电子学 2003 2 68 70 7 王向武 陆春一 减小硅外延自掺杂影响的改进的二步外延法 J 固体电子学 研究与进展 1995 3 299 301 8 李智囊 李文等 多层硅外延技术研究 J 微电子学 2011 59 61 9 王永珍 金长春 等 生长温度 过冷度对 InAsPSb 外延层表面形貌影响的研究 J 发光学报 1996 1 22 25 10 张国仁 孙伯祥 有埋层图形外延片表面 HCL 腐蚀量的控制 J 微电子技术 1995 23 4 31 32 11 王向武 陆春一 田光炎 减少硅外延自掺杂的一种新方法 J 半导体技术 1992 4 57 58 12 DietlT OhnoH MatsukuraF etal Zener Model Description of Ferromagnetism in ZincBlende Magnetic Semiconductors J Science 2000 287 2 1019 1022 13 苗文生 掺 As 硅单晶片外延技术 甘肃科技 J 2004 6 49 14 刘康 功率肖特基整流二极管及其工艺制做原理的探讨 甘肃科技 J 1998 5 29 31 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 致致 谢谢 本论文是在王青教授和杜金生师父的悉心指导下完成的 王青教授和杜金生师父 对学术的严谨和精益求精的工作作风给我留下了深刻的印象 受益匪浅 在实习期间 公司领导为我们实习大学生创造了优越的学习和实践环境 使我们在实践中不断提高 自己 由衷感谢我的同学 他们对本论文的各种有益建议和帮助 使我的论文在讨论中 不断获得进展 最后 感谢曾经帮助过我的所有老师 衷心地感谢为评阅本论文而付出宝贵时间 和辛勤劳动的教授和工程师们 此文档收集于网络 如有侵权 请联系网站删除 精品文档 附录一附录一 外文资料翻译译文外文资料翻译译文 1111 编辑程序窗口编辑程序窗口 编辑程序主要包括两个部分 菜单编辑和菜单文件管理 菜单编辑允许创作或修 改程序菜单 菜单建立在一个表格里面 它的行是可控的因素并且有相应的步骤 编号 菜单文件允许菜单存储在记忆系统中 存储在左边或右边的磁盘驱动器中 或者 存储在四个菜单缓冲器的电池备份中 可以随机存取记忆 RAM BBU 第六章 进入编辑程序窗口 可以从程序菜单里面选择编辑 编辑菜单显示在屏幕顶端的 第一个位置 11 111 1 编辑菜单编辑菜单 编辑菜单常常用于改变或修改程序菜单 它所展示的行列信息如图11 1 信息都 显示在垂直栏中 信息与一个特定系统的可控因素相关 如设定一种特殊的气体 就会显示在横向一排的信息 可控和因素包括温度 石墨机座转速 阀门的位 置和其他的一些参数 为满足一个特殊的菜单 用户可以选择可控因素和可以以 任何顺序显示那些元素 编辑程序被设计使得菜单的实际输入数据可以通过键盘有效地输入 注 菜单处理器不能处理的可控因素包括 注 菜单处理器不能处理的可控因素包括 1 1 菜单中没有被选中的 或 菜单中没有被选中的 或 2 2 EpiEpi系统正在运行的菜单 系统正在运行的菜单 菜单名称菜单名称 左上角的第一行 表11 1中的DCS 800 标注的是反应的步骤名称 每 一 步都有一个名称 字母A Z 数字 0 9 和美元符 下划线 句点来标注菜单的 名 称 触摸名称区域 删除原有的名称 输入新的名称 然后点击屏幕离