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1、外延技术讲座-简述,外延工艺概述,外延工艺简述外延的优点外延沉积原理外延工艺过程HCL腐蚀原理高腐蚀,1、外延工艺简述,外延的含意Epitaxy是由希腊词来的表示在上面排列 upon to arrange。外延的含意是在衬底上长上一层有一定厚度一定电阻率及一定型号的单晶。外延是一种单晶生长技术但又不同于拉晶、也不同于一般的CVD。,2.外延的优点,减少串联电阻简化隔离技术消除CMOS的可控硅效应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。,CMOS电路的latch-up效应用重掺衬底加外延可以减小这效应,Rs,Rw,3.外延沉积的原理,1)反应式 SiHX1CL
2、Y+X2H2 Si+YHCL2)主要外延生长源,（Y=X1+2X2）,3)各种源的用途比较 a：Sicl4：稳定即使反应温度高也不易产生气相反应，反应室干净，适合于IC的外延片。b.Sihcl3：生长速度快，有利于减少自掺杂，生长温度比Sicl4低，易气相反应使钟罩不透明。c.Sih2cl2：生长温度最低，但生长速率也低适合于减压外延。,4.外延工艺过程(SIHCL3),装片赶气升温(850C)烘烤6升温(1180)HCL腐蚀赶气外延沉积赶气并降温N2赶气(3)取片,5.HCL腐蚀的作用,清洁表面减少缺陷减少前工艺所引入的损伤，降低和消除晶体缺陷HCL的腐蚀量约0.2-0.4，一般选用腐蚀速率
3、为0.06/m 时间4约去除0.24。,6.高腐蚀.,高腐蚀的目的：腐蚀基座上的多晶硅，使以后外延时减少表面颗粒，提高表面质量。清洁系统，减少沾污，减少自掺杂。高腐蚀速率为8-10/m。高腐蚀周期约60-100腐蚀一次,外延工艺控制,外延参数的测定掺杂和自掺杂图形漂移和畸变外延表面缺陷减压外延,1.外延参数测定,晶体缺陷：层错,位错,滑移线,点缺陷,颗粒,雾,小丘分析手段：显微镜、干涉相衬显微镜、uv灯、扫描电镜、表面沾污扫描仪,1)外延表面缺陷的显示和测试,缺陷的显示,对于(111)取向：Sirtl：HF：5m CrO3=1:1对于(100)取向：Wright：a.45gCrO3+90mlH
4、2O b.6gCU(NO3)+180mlH2O c.90mlHNO3+180mlHAC+180mlH a:b:c=1:1:1染色腐蚀液：HF:HNO3:HAC=1:3:7,2)电阻率测试,三探针:n/n+p/p+探针接触电阻大 四探针:p/n n/p 当在界面有低阻过渡区时测试不准SRP:n/n+p/p+n/p p/n 要求知道衬底型号与取向，否则测试不准C-V:n/n+p/p+n/p p/n 要求严格的表面清洁处理,四探针,srp,Srp还可测浓度(或电阻率)与结深的关系，可看过渡区宽度，是一个很好的分析测试手段,基区太深使击穿下降,基区结深合理击穿提高,3)厚度测试,磨角染色再用干涉显微镜
5、测厚度 层错法：对于(111)T=0.816L 对于(100)T=0.707L 红外测厚仪：范围0.25-200微米 精度0.02微米 滚槽法：T=(X-Y)/D,Yx,D,L,L,2.掺杂和自掺杂,掺杂源：N型：PH3/H2 AS3/H2 P型：B2H6/H2掺杂方式：source%=inject%diluent%=100%-inject%,掺杂计算 Test/Target=DNTarget/DNTest实际由于有自掺杂，因此实际掺杂量还应减去自掺杂的量,D总掺杂=D掺杂+D自掺杂 当D自掺量D掺杂时影响不大 当D自掺杂与D掺杂接近时,影响就明显,甚至难控制。,外延过程自掺杂的停滞层解释,在
6、外延过程中衬底表面由于原子间的引力，有一个停滞层，衬底中重掺的杂质被吸附在停滞层,沉积时以自掺杂进入外延层中。,外延过程中气流和杂质的走向,重掺衬底使外延电阻率降低,.自掺杂量的估算：在重掺锑的N+衬底上外延 本征外延：陪片100cm N+=18cm 掺杂外延：DN=60cc 陪片=11cm N=4.4*1014 N+=7cm N=5.5*1014 自掺杂量：=1.1*1014,不同的加热方式可以产生不同的自掺杂结果,1.感应加热的特点是基座的温度高于硅片温度，外延过程使基座上的硅向硅片背面转移，使重掺衬底的杂质封住，减少自掺杂。2.红外加热的相反：硅片的温度高于基座，外延时硅片背面的硅和杂质
7、原子在向基座转移过程中跑出来形成自掺杂。所以红外加热要比感应加热自掺杂要严重，过渡区也差一些,T2 T3 T4,基座温度T1,T1T2T3T4,感应加热,外延的过渡区,1)过渡区的定义：在外延与衬底界面 外延电阻率差二个 数量级 2)过渡区宽度对器件的影 响：过渡区小-好 3)影响过渡区的因素：a衬底外扩散 b自掺杂 c外延主掺杂,c b a,以P/P+为例减少自掺杂的试验,外延条件 外延结果 1.衬底电阻率 0.01 CM 40 CM 0.023 95 2.予烘烤问题 1220C 95 1200 85 1180 65 3.沉积速率 1.5/M 90 1.0 75 0.5 36 4.沉积温度
8、1060C 95 1080 50 1100 6 5.背封 1 SIO2 150 小结：衬底越浓自掺杂越严重，予烘温度高、沉积速率快、沉积温度低、背封等措施可减少自掺杂。,减少自掺杂的方法,背封 掺sb的衬底比掺As的自掺杂小 不同外延炉自掺杂不同减压外延采用大量的H2赶气，可减少自掺杂采用二步法外延,3.图形漂移和畸变,1.外延的图形漂移pattern shift-对于(111)晶体在与110定位面垂直的方向发生图形漂移。-产生原因是外延的反应产物HCL，择优腐蚀埋层边缘，使埋层图形产生位移。-危害性：使光刻无法对准，从而影响电学特性。-关键：要知道漂移量，同时要控制各炉子相同。,1).什么是
9、pattern shift,对于(111)晶体在与110定位面垂直的方向发生图形漂移。,2).为什么要控制shift,-产生原因是外延的反应产物HCL，择优腐蚀埋层边缘，使埋层图形产生位移。-危害性：使光刻无法对准，从而影响电学特性。-关键：要知道漂移量，同时要控制各炉子相同。,3).Shift的测定,外延后按原耒的光刻套准，扩散后解理看图形的漂移并测试漂移的平均值。光刻时套刻版子加以修正值，然后看结果是否达到予定值。用滚槽方法直接测定。,外延图形漂移的测定,光刻版加修正后套刻正确,用滚槽法测shift,上下片因温度不均匀造成shift不同,引起电学参数不同。,上片漂移小纠偏过头,下片纠偏较正
10、确,4).图形畸变Distortion,外延后图形增大或缩小,变模糊,甚之消失。图形边缘不再锐利。畸变原因：主要是HCL腐蚀硅片表面，在台阶处，由于取向不同使各方向腐蚀速率不同结果产生畸变。,SHIFT,对称变大,非对称畸变,对称变小,图形消失,外延后图形严重畸变对于(111)晶片,取向对畸变影响很大,畸变小,畸变严重,轻微畸变使图形边缘模糊，使光刻困难,轻微畸变,水平方向变宽，光刻机不能识别,硅源中氯原子的含量上对shift的影响,温度对shift的影响,生长速率对shift的影响,5).减少畸变和漂移的方法,选用低氯的源。温度升高畸变减少降低外延压力(采用减压外延)降低生长速率(减少氯含量
11、)对于(111)取向偏离3-4(向最近的110方向)增加H2流量,6)控制图形漂移的重要性,一旦漂移量确定后如何控制漂移的一致性很重要，如有几台炉子，就要保持一致。最常见的偏离是温度偏移，要常监控。,4.外延表面缺陷,常见缺陷有：层错、位错、滑移线、雾、小丘、桔皮状、边缘凸起、表面颗粒等造成原因：表面有损伤层，易产生层错 与(111)取向偏离小于0.5，易产生乳凸状小丘 硅片受热不均匀，易产生滑移线 外延系统漏气易产生白雾 硅片表面不洁，或反应室脏易产生颗粒,1)层错,产生原因：衬底 表面有损伤，或 不干净减少层错的方法：用HCL腐蚀衬底 表面去除损伤层 及清洁硅片表面,表面颗粒:与外延系统及
12、衬底的清洁度有关，下图是用表面沾污仪测试结果,表面呈乳凸状小丘：产生原因与衬底取向有关，与(111)取向偏离小于1,(111)硅片的滑移线,滑移线,产生原因：硅片在热处理过程中，受热不均匀，在1200C当中心和边缘的温差，大于25C时，其屈应力大于1000PSI，易产生滑移线，它会严重地影响成品率。感应加热及大直径硅片温差大，易产生滑移线。,外延后埋层图形变粗糙与外延的气氛及埋尽的表面状变有关,外延系统有轻微漏气外延后有轻微白雾下图是经铬酸腐蚀后看到的层错和雾,类似三角形缺陷,原因：表面氧化层没去净,4.减压外延,1.减少外延自掺杂减少过渡区宽区2.减少图形漂移和畸变,衬底,滞留层,对流层,减
13、压外延使滞留层减薄,大部分杂质进入对流层带走,减压,压力与过渡区的关系,压力对图形漂移的影响,压力与过渡区宽度,三.外延设备简介,1.按结构分类 卧式炉 立式炉 筒式炉 大直径硅片外延炉 2.按加热方式分类 红外加热：硅片温度高于基座不易产生滑移线 高频加热：基座温度高于硅片,硅片和基座 温差大45C,易产生滑移线，但自掺杂少。硅片背面易长多晶。中低频加热：基座温度高于硅片硅片和基座 温差大25C 易产生滑移线，但自掺杂少。片子背面易长多晶。,不同外延炉的结构,当前常见几种外延炉优缺点比较,1.四类常见外延炉：红外加热：AMC7700 7810 MTC7700K 感应加热：gemini2(18
14、0khz)低频感应加热：LPE2061S(4khz)Epipro5000(25khz)大直径硅片外延炉：ASM epsilon MTC308 AMC centrura LPE3061,AMC7810,2.各类外延炉的优缺点,1)平板型立式炉：Epi pro5000(gemini-4)低频加热：自掺杂少，硅片热应力较大易产生滑移线 石英喷头：比金属沾污少 双反应室：提高炉子利用率，可以紧靠排放占地面积小，生产能力强 6”500片/日 最大优点：自掺杂少、占地小、产能大 缺点：滑移线难避免、耗气量大、背面粗糙,2)筒式中低频加热LPE2061S,中低频感应加热、感应线圈采用专利的双向加热方式，使片
15、子与基座的温差更小双反应室，加上使用IGBT作为加热发生器使二个反应室利用率更高，同时它比红外灯管的寿命长，成本低O-型圈在钟罩的下面可减少颗粒，提高表面质量基座和钟罩经特殊设计利用率高，产能大、气流模型好，基座钟罩间的间距小，赶气时间短自掺杂小过渡区窄、可做高阻厚外延缺点：易产生滑移浅，影响成品率，背面粗草,红外加热的筒式外延炉AMC MTC,红外灯加热：T片T基座 滑移线少,但自掺杂严重片子立放表面好生产量大，设备小只有单反应室所以利用率低MTC公司在AMC78XX的基础上把炉体加大基座加大，温度由3段控制改成8段控制使产能提高了的50%均匀性由5%提高到3%该炉子特别适合于电路片的生产，
16、由于不易产生滑移线所以成品率也相对较高，背面较好。缺点是自掺杂严重不利于做重掺衬底的高阻外延，另外过渡区宽度较大，对器件不利。,各炉子性能比较,大直径硅片外延炉,典型代表：ASMEpsilon AMC Centrura LPE 3061 MTC308工艺特点：1.均匀性好、自掺杂小、过渡区小、明显地优于多片式炉子。2.装卸硅片从片盒到片盒，表面颗粒少。3.产能小，为了提高产能采用高的生长速率5/m，片子先予热，尽可能缩短时间，因此6”以上可比多片炉成本降低,越大越低。,各大直径硅片外延炉的生产能力,单片外延炉的一些优点,外延工艺及设备的展望,向超薄外延层发展：浅结薄外延，低温低压外延。向CMOS发展，大直径硅外延向电力电子大功率高反压发展：高阻厚外延、多层外延等为减少串联电阻,采用重掺砷磷衬底10-3所以减少自掺杂，减少过渡区宽度将是工艺和设备的重要内容SOI外延 GeSi外延提高器件性能,
