集成电路工艺技术讲座第六讲外延工艺Epitaxy 外延技术讲座提要外延技术讲座提要•外延工艺简述•外延的某些关键工艺•几种常见外延炉性能比较•外延工艺及设备的展望 一、外延工艺简述一、外延工艺简述•Epi—taxy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 •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电路的电路的latch-up效应效应用重掺衬底加外延可以减小这效应RsRw 1)反应式 SiHX1CLY+X2H2 Si+YHCL2)主要外延生长源硅源生长速率µm/m生长温度允许含氧量sicl40.4-1.51150-12005-10ppmsihcl30.4-31100-12005-10ppmsih2cl20.4-21050-1150<5ppmsih40.1-0.3950-1050<2ppm（Y=X1+2X2） •装片•赶气•升温•恒温(850ºC)•烘烤6’•升温(1200º Ç)•HCL腐蚀•赶气•外延沉积•赶气并降温•N2赶气(3’)•取片 •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•µ，我们选用腐蚀速率为0.06µ/m 时间4’约去除0.24µ。
•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 ρTest/ρTarget = DNTarget/ DNTest•实际的修正 由于有自掺杂因此实际掺杂量还应减去自掺杂的量 7.外延参数测定外延参数测定•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外延表面缺陷的显示和测试 缺陷的显示缺陷的显示•对于(111)取向： Sirtl： HF：5m CrO3=1:1•对于(100)取向： Wright：a. 45gCrO3+90mlH2O 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太深使击穿下降基区结深合理击穿提高基区结深合理击穿提高 3)厚度测试厚度测试 磨角染色再用干涉显微镜测厚度 层错法： 滚槽法： T=(X-Y)/D YxDLL 二、外延的一些关键工艺二、外延的一些关键工艺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 外延图形漂移的测定 用滚槽法测用滚槽法测shift 案例分析案例分析7800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确 •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对称变大对称变大非对称畸变非对称畸变对称变小对称变小图形消失图形消失 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小畸变严重畸变严重 轻微畸变使图形边缘模糊，使光刻困难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硅源中氯原子的含量上对shift的影响的影响 温度对温度对shift的影响的影响 生长速率对shift的影响 减少畸变和漂移的方法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)•对于(111)取向偏离3-4º(向最近的110方向)•增加H2流量 2. 掺杂与自掺杂掺杂与自掺杂•D总掺杂=D掺杂+D自掺杂 当D自掺量<
外延过程自掺杂的停滞层解释外延过程自掺杂的停滞层解释•在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停滞层衬底 外延过程中气流和杂质的走向 具体案例：具体案例： 重掺衬底使外延电阻率降低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ρ>100Ωcm N+ ρ=18-26Ωcm 掺杂外延： DN=60cc 陪片ρ=11Ωcm N=4.4*1014 N+ ρ=7Ωcm 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T1T1>T2>T3>T4感应加热 外延的过渡区外延的过渡区 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 以以P/P+为例减少自掺杂的试验为例减少自掺杂的试验 外延条件外延条件 外延结果外延结果 1.衬底电阻率 0.01 ΩCM 40 ΩCM 0.023 95 2.予烘烤问题 1220ºC 95 1200 85 1180 65 1.0 75 0.5 36 4.沉积温度 1060ºC 95 1080 50 1100 6 5.背封 1µ SIO2 150 减少自掺杂的方法减少自掺杂的方法•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 •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º，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 表面颗粒表面颗粒:与外延系统及衬底的清洁度有关，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1º (111)硅片的滑移线硅片的滑移线 滑移线滑移线•产生原因产生原因：硅片在热处理过程中，受热不均匀，在1200ºC当中心和边缘的温差，大于25ºC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 类似三角形缺陷类似三角形缺陷•原因：表面氧化层没去净 衬底滞留层对流层减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与过渡区的关系 压力对图形漂移的影响压力对图形漂移的影响 压力与过渡区宽度压力与过渡区宽度 卧式炉 立式炉 筒式炉 大直径硅片外延炉 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>45ºC, 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>25ºC 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 高频 感应加热： gemini2(180khz) 低频感应加热：LPE2061S (4khz) EPI PRO5000(25khz) 大直径硅片外延炉： ASM epsilon AMC centrura LPE3061 AMC7810 1)平板型立式炉平板型立式炉: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：比金属喷头沾污少。
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，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。
各炉子性能比较各炉子性能比较 大直径硅片外延炉典型代表典型代表：ASMEpsilon AMC Centrura LPE 3061 MTC308工艺特点：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，<6”片产能小,为了提高产能采用高的生长速率5µ/m，片子先予热，尽可能缩短时间，而6”以上可比多片炉成本降低,越大越低 AMC CENTRORA ASM EPSION-2 各大直径硅片外延炉的生产能力各大直径硅片外延炉的生产能力6”8”>10”ASM epsilon-2111AMC centrura三反应室1*31*31*3MTC Ω308631LPE 306185 -g-278107700E-2 单片外延炉的一些优点单片外延炉的一些优点 外延工艺及设备的展望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ρ<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 补充•铁离子沾污的控制：• 1)金属离子沾污对器件的影响：• b.使功率器件漏电增加，可靠性变差• 2)测试金属离子沾污的方法：• SPV(sufece photovoltage)• 测试要求：铁离子浓度<6e11、life-time>350μs • 3)产生金属离子沾污的可能原因• 衬底及清洗引入沾污、H2中含水量高使HCL变成盐酸，腐蚀管路造或沾污所以H2含水量应小于50ppb、反应室有沾污例如感应线圈锈蚀等 例如感应线圈下面有锈可能造成铁离子沾污铁 。