外延技術(shù)講座

1、外延技術(shù)講座外延技術(shù)講座 -簡(jiǎn)述簡(jiǎn)述Page Page 2 2外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS外延工藝概述外延工藝概述 外延工藝簡(jiǎn)述 外延的優(yōu)點(diǎn) 外延沉積原理 外延工藝過程 HCL腐蝕原理 高腐蝕Page Page 3 3外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS1、外延工藝簡(jiǎn)述、外延工藝簡(jiǎn)述外延的含意 Epitaxy是由希臘詞來的表示在上面排列 upon to arrange。 外延的含意是在襯底上長(zhǎng)上一層有一定厚度一定電阻率及一定型號(hào)的單晶。 外延是一種單晶生長(zhǎng)技術(shù)但又不同于拉晶、也不同于一般的CVD 。

2、Page Page 4 4外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS2.2.外延的優(yōu)點(diǎn)外延的優(yōu)點(diǎn) 減少串聯(lián)電阻 簡(jiǎn)化隔離技術(shù) 消除CMOS的可控硅效應(yīng) 可以根據(jù)器件的要求,隨心所欲地生長(zhǎng),各種不同型號(hào)，不同電阻率和厚度的外延層。Page Page 5 5外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESSCMOSCMOS電路的電路的latch-uplatch-up效應(yīng)效應(yīng)用重?fù)揭r底加外延可以減小這效應(yīng)RsRwPage Page 6 6外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS3.3.外延沉積

3、的原理外延沉積的原理1)反應(yīng)式 SiHX1CLY+X2H2 Si+YHCL2)主要外延生長(zhǎng)源硅源生長(zhǎng)速率m/m生長(zhǎng)溫度允許含氧量sicl40.4-1.51150-12005-10ppmsihcl30.4-31100-12005-10ppmsih2cl20.4-21050-11505ppmsih40.1-0.3950-10502ppm（Y=X1+2X2）Page Page 7 7外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS 3)各種源的用途比較 a：Sicl4：穩(wěn)定即使反應(yīng)溫度高也不易產(chǎn)生氣相反應(yīng)，反應(yīng)室干凈，適合于IC的外延片。 b.Sihcl3：生長(zhǎng)速度快

4、，有利于減少自摻雜，生長(zhǎng)溫度比Sicl4低，易氣相反應(yīng)使鐘罩不透明。 c.Sih2cl2：生長(zhǎng)溫度最低，但生長(zhǎng)速率也低適合于減壓外延。Page Page 8 8外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS4.4.外延工藝過程外延工藝過程(SIHCL3)(SIHCL3) 裝片 趕氣 升溫(850C) 烘烤6 升溫(1180 ) HCL腐蝕 趕氣 外延沉積 趕氣并降溫 N2趕氣(3) 取片Page Page 9 9外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS 5.HCL 5.HCL腐蝕的作用腐蝕的作用 清潔表面減少缺陷 減少前

5、工藝所引入的損傷，降低和消除晶體缺陷 HCL的腐蝕量約0.2-0.4，一般選用腐蝕速率為0.06/m 時(shí)間4約去除0.24。Page Page 1010外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS6.高腐蝕. 高腐蝕的目的： 腐蝕基座上的多晶硅，使以后外延時(shí)減少表面顆粒，提高表面質(zhì)量。清潔系統(tǒng)，減少沾污，減少自摻雜。 高腐蝕速率為8-10/m。 高腐蝕周期約60-100腐蝕一次Page Page 1111外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS外延工藝控制外延工藝控制 外延參數(shù)的測(cè)定 摻雜和自摻雜 圖形漂移和畸變 外延

6、表面缺陷 減壓外延Page Page 1212外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS1.1.外延參數(shù)測(cè)定外延參數(shù)測(cè)定 晶體缺陷： 層錯(cuò),位錯(cuò),滑移線,點(diǎn)缺陷,顆粒 ,霧,小丘 分析手段： 顯微鏡、干涉相襯顯微鏡、 uv燈 、掃描電鏡、表面沾污掃描儀 1) 外延表面缺陷的顯示和測(cè)試外延表面缺陷的顯示和測(cè)試Page Page 1313外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS缺陷的顯示缺陷的顯示 對(duì)于(111)取向： Sirtl： HF：5m CrO3=1:1 對(duì)于(100)取向： Wright：a. 45gCrO3+

7、90mlH2O b.6gCU(NO3)+180mlH2O c.90mlHNO3+180mlHAC+180mlH a:b:c=1:1:1 染色腐蝕液：HF:HNO3:HAC=1:3:7Page Page 1414外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS2)電阻率測(cè)試 三探針: n/n+ p/p+ 探針接觸電阻大 四探針: p/n n/p 當(dāng)在界面有低阻過渡區(qū)時(shí)測(cè)試不準(zhǔn) SRP: n/n+ p/p+ n/p p/n 要求知道襯底型號(hào)與取向，否則測(cè)試不準(zhǔn) C-V:n/n+ p/p+ n/p p/n 要求嚴(yán)格的表面清潔處理四探針srpPage Page 1515

8、外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESSSrp還可測(cè)濃度(或電阻率)與結(jié)深的關(guān)系，可看過渡區(qū)寬度，是一個(gè)很好的分析測(cè)試手段基區(qū)太深使擊穿下降基區(qū)太深使擊穿下降基區(qū)結(jié)深合理?yè)舸┨岣呋鶇^(qū)結(jié)深合理?yè)舸┨岣逷age Page 1616外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS3)3)厚度測(cè)試厚度測(cè)試 磨角染色再用干涉顯微鏡測(cè)厚度 層錯(cuò)法： 對(duì)于(111) T=0.816L 對(duì)于(100) T=0.707L 紅外測(cè)厚儀：范圍0.25-200微米 精度0.02微米 滾槽法： T=(X-Y)/D YxDLLPage Page 17

9、17外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS2.2.摻雜和自摻雜摻雜和自摻雜 摻雜源： N型：PH3/H2 AS3/H2 P型：B2H6/H2 摻雜方式： source%=inject% diluent%=100%-inject% Page Page 1818外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS 摻雜計(jì)算 Test/Target = DNTarget/ DNTest 實(shí)際由于有自摻雜，因此實(shí)際摻雜量還應(yīng)減去自摻雜的量Page Page 1919外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY P

10、ROCESS D總摻雜=D摻雜+D自摻雜 當(dāng)D自摻量100cm N+ =18cm 摻雜外延： DN=60cc 陪片=11cm N=4.4*1014 N+ =7cm N=5.5*1014 自摻雜量： =1.1*1014Page Page 2323外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS不同的加熱方式可以產(chǎn)生不同的自摻雜結(jié)果不同的加熱方式可以產(chǎn)生不同的自摻雜結(jié)果1.感應(yīng)加熱的特點(diǎn)是基座的溫度高于硅片溫度，外延過程使基座上的硅向硅片背面轉(zhuǎn)移，使重?fù)揭r底的雜質(zhì)封住，減少自摻雜。2.紅外加熱的相反：硅片的溫度高于基座，外延時(shí)硅片背面的硅和雜質(zhì)原子在向基座轉(zhuǎn)移過程中

11、跑出來形成自摻雜。 所以紅外加熱要比感應(yīng)加熱自摻雜要嚴(yán)重，過渡區(qū)也差一些 T2 T3 T4基座溫度T1T1T2T3T4感應(yīng)加熱Page Page 2424外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS外延的過渡區(qū)外延的過渡區(qū) 1) 過渡區(qū)的定義： 在外延與襯底界面 外延電阻率差二個(gè) 數(shù)量級(jí) 2) 過渡區(qū)寬度對(duì)器件的影 響：過渡區(qū)小-好 3) 影響過渡區(qū)的因素： a襯底外擴(kuò)散 b自摻雜 c外延主摻雜 c b aPage Page 2525外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS以以P/P+為例減少自摻雜的試驗(yàn)為例減少自摻雜

12、的試驗(yàn) 外延條件外延條件 外延結(jié)果外延結(jié)果 1.襯底電阻率 0.01 CM 40 CM 0.023 95 2.予烘烤問題 1220C 95 1200 85 1180 65 3.沉積速率 1.5/M 90 1.0 75 0.5 36 4.沉積溫度 1060C 95 1080 50 1100 6 5.背封 1 SIO2 150 小結(jié)：襯底越濃自摻雜越嚴(yán)重，予烘溫度高、沉積速率快、沉積溫度低、背封等措施可減少自摻雜。Page Page 2626外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS減少自摻雜的方法減少自摻雜的方法 背封 摻sb的襯底比摻As的自摻雜小 不同外

13、延爐自摻雜不同 減壓外延 采用大量的H2趕氣，可減少自摻雜 采用二步法外延 Page Page 2727外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS3.3.圖形漂移和畸變圖形漂移和畸變1.外延的圖形漂移pattern shift - 對(duì)于(111)晶體在與110定位面垂直的方向發(fā)生圖形漂移。 - 產(chǎn)生原因是外延的反應(yīng)產(chǎn)物HCL，擇優(yōu)腐蝕埋層邊緣，使埋層圖形產(chǎn)生位移。 - 危害性：使光刻無(wú)法對(duì)準(zhǔn)，從而影響電學(xué)特性。 - 關(guān)鍵：要知道漂移量，同時(shí)要控制各爐子相同。Page Page 2828外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PRO

14、CESS 1).什么是pattern shift 對(duì)于(111)晶體在與110定位面垂直的方向發(fā)生圖形漂移。Page Page 2929外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESSPage Page 3030外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS2).為什么要控制shift - 產(chǎn)生原因是外延的反應(yīng)產(chǎn)物HCL，擇優(yōu)腐蝕埋層邊緣，使埋層圖形產(chǎn)生位移。 - 危害性：使光刻無(wú)法對(duì)準(zhǔn)，從而影響電學(xué)特性。 - 關(guān)鍵：要知道漂移量，同時(shí)要控制各爐子相同。Page Page 3131外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS

15、-EPITAXY PROCESS3).Shift的測(cè)定 外延后按原耒的光刻套準(zhǔn)，擴(kuò)散后解理看圖形的漂移并測(cè)試漂移的平均值。 光刻時(shí)套刻版子加以修正值，然后看結(jié)果是否達(dá)到予定值。 用滾槽方法直接測(cè)定。Page Page 3232外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS外延圖形漂移的測(cè)定Page Page 3333外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS光刻版加修正后套刻正確光刻版加修正后套刻正確Page Page 3434外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS用滾槽法測(cè)用滾槽

16、法測(cè)shiftshiftPage Page 3535外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS上下片因溫度不均勻造成shift不同,引起電學(xué)參數(shù)不同。上片漂移小糾偏過頭下片糾偏較正確Page Page 3636外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS4).4).圖形畸變圖形畸變DistortionDistortion 外延后圖形增大或縮小,變模糊,甚之消失。 圖形邊緣不再銳利。 畸變?cè)颍?主要是HCL腐蝕硅片表面，在臺(tái)階處，由于取向不同使各方向腐蝕速率不同結(jié)果產(chǎn)生畸變。Page Page 3737外延工藝外延工藝-

17、EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESSSHIFT對(duì)稱變大對(duì)稱變大非對(duì)稱畸變非對(duì)稱畸變對(duì)稱變小對(duì)稱變小圖形消失圖形消失Page Page 3838外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS外延后圖形嚴(yán)重畸變對(duì)于(111)晶片,取向?qū)冇绊懞艽蠡冃』冃』儑?yán)重畸變嚴(yán)重Page Page 3939外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS輕微畸變使圖形邊緣模糊，使光刻困難輕微畸變使圖形邊緣模糊，使光刻困難輕微畸變水平方向變寬，光刻機(jī)不能識(shí)別Page Page 4040外延工藝外延工藝-EPITA

18、XY PROCESS-EPITAXY PROCESS硅源中氯原子的含量上對(duì)硅源中氯原子的含量上對(duì)shift的影響的影響Page Page 4141外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS溫度對(duì)溫度對(duì)shift的影響的影響Page Page 4242外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS生長(zhǎng)速率對(duì)shift的影響shiftGroth rate(111)Page Page 4343外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY

19、PROCESS5).5).減少畸變和漂移的方法減少畸變和漂移的方法 選用低氯的源。 溫度升高畸變減少 降低外延壓力(采用減壓外延) 降低生長(zhǎng)速率(減少氯含量) 對(duì)于(111)取向偏離3-4(向最近的110方向) 增加H2流量Page Page 4444外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS6) 控制圖形漂移的重要性 一旦漂移量確定后如何控制漂移的一致性很重要，如有幾臺(tái)爐子，就要保持一致。 最常見的偏離是溫度偏移，要常監(jiān)控。Page Page 4545外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS4.外延表面缺陷外延表面

20、缺陷 常見缺陷有：層錯(cuò)、位錯(cuò)、滑移線、霧、小丘、桔皮狀、邊緣凸起、表面顆粒等 造成原因： 表面有損傷層，易產(chǎn)生層錯(cuò) 與(111)取向偏離小于0.5，易產(chǎn)生乳凸?fàn)钚∏?硅片受熱不均勻，易產(chǎn)生滑移線 外延系統(tǒng)漏氣易產(chǎn)生白霧 硅片表面不潔，或反應(yīng)室臟易產(chǎn)生顆粒Page Page 4646外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS1)層錯(cuò)層錯(cuò) 產(chǎn)生原因：襯底 表面有損傷，或 不干凈 減少層錯(cuò)的方法： 用HCL腐蝕襯底 表面去除損傷層 及清潔硅片表面Page Page 4747外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS表面顆粒表

21、面顆粒:與外延系統(tǒng)及襯底的清潔度有關(guān)，下圖是用表面沾污儀測(cè)試結(jié)果Page Page 4848外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS表面呈乳凸?fàn)钚∏穑寒a(chǎn)生原因與襯底取向有關(guān)，與(111)取向偏離小于1Page Page 4949外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS(111)硅片的滑移線硅片的滑移線Page Page 5050外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS滑移線滑移線產(chǎn)生原因產(chǎn)生原因：硅片在熱處理過程中，受熱不均勻，在1200C當(dāng)中心和邊緣的溫差，大于25C時(shí)，其

22、屈應(yīng)力大于1000PSI，易產(chǎn)生滑移線，它會(huì)嚴(yán)重地影響成品率。感應(yīng)加熱及大直徑硅片溫差大，易產(chǎn)生滑移線。Page Page 5151外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS外延后埋層圖形變粗糙外延后埋層圖形變粗糙與外延的氣氛及埋盡的表面狀變有關(guān)Page Page 5252外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS外延系統(tǒng)有輕微漏氣外延后有輕微白霧外延系統(tǒng)有輕微漏氣外延后有輕微白霧下圖是經(jīng)鉻酸腐蝕后看到的層錯(cuò)和霧Page Page 5353外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS

23、類似三角形缺陷類似三角形缺陷 原因：表面氧化層沒去凈 Page Page 5454外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS4.減壓外延減壓外延1.減少外延自摻雜減少過渡區(qū)寬區(qū)2.減少圖形漂移和畸變襯底滯留層對(duì)流層減壓外延使滯留層減薄,大部分雜質(zhì)進(jìn)入對(duì)流層帶走減壓Page Page 5555外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS壓力與過渡區(qū)的關(guān)系壓力與過渡區(qū)的關(guān)系Page Page 5656外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS壓力對(duì)圖形漂移的影響壓力對(duì)圖形漂移的影響Pag

24、e Page 5757外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS壓力與過渡區(qū)寬度壓力與過渡區(qū)寬度Page Page 5858外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS三三.外延設(shè)備簡(jiǎn)介外延設(shè)備簡(jiǎn)介1.按結(jié)構(gòu)分類 臥式爐 立式爐 筒式爐 大直徑硅片外延爐 2.按加熱方式分類 紅外加熱 ： 硅片溫度高于基座不易產(chǎn)生滑移線 高頻加熱 ： 基座溫度高于硅片,硅片和基座 溫差大45C, 易產(chǎn)生滑移線， 但自摻雜少。硅片背面易長(zhǎng)多晶。 中低頻加熱 ：基座溫度高于硅片硅片和基座 溫差大25C 易產(chǎn)生滑移線， 但自摻雜少。片子背面易長(zhǎng)

25、多晶。 Page Page 5959外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS不同外延爐的結(jié)構(gòu)Page Page 6060外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS當(dāng)前常見幾種外延爐優(yōu)缺點(diǎn)比較當(dāng)前常見幾種外延爐優(yōu)缺點(diǎn)比較1.四類常見外延爐： 紅外加熱：AMC7700 7810 MTC7700K 感應(yīng)加熱： gemini2(180khz) 低頻感應(yīng)加熱：LPE2061S(4khz) Epipro5000(25khz) 大直徑硅片外延爐：ASM epsilon MTC308 AMC centrura LPE3061Page

26、 Page 6161外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESSAMC7810Page Page 6262外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESSPage Page 6363外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESSPage Page 6464外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESSPage Page 6565外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESSPage Page 6666外延工藝外延工藝-EPIT

27、AXY PROCESS-EPITAXY PROCESS2.各類外延爐的優(yōu)缺點(diǎn)各類外延爐的優(yōu)缺點(diǎn)1)平板型立式爐：平板型立式爐：Epi pro5000(gemini-4) 低頻加熱：自摻雜少，硅片熱應(yīng)力較大易產(chǎn)生滑移線 石英噴頭：比金屬沾污少 雙反應(yīng)室：提高爐子利用率，可以緊靠排放占地面積小，生產(chǎn)能力強(qiáng) 6” 500片/日 最大優(yōu)點(diǎn)：自摻雜少、占地小、產(chǎn)能大 缺點(diǎn)：滑移線難避免、耗氣量大、背面粗糙Page Page 6767外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS2)筒式中低頻加熱筒式中低頻加熱LPE2061S 中低頻感應(yīng)加熱、感應(yīng)線圈采用專利的雙向加熱方式，使片子與基座的溫差更小 雙反應(yīng)室，加上使用IGBT作為加熱發(fā)生器使二個(gè)反應(yīng)室利用率更高，同時(shí)它比紅外燈管的壽命長(zhǎng)，成本低 O-型圈在鐘罩的下面可減少顆粒，提高表面質(zhì)量 基座和鐘罩經(jīng)特殊設(shè)計(jì)利用率高，產(chǎn)能大、氣流模型好，基座鐘罩間的間距小，趕氣時(shí)間短 自摻雜小過渡區(qū)窄、可做高阻厚外延 缺點(diǎn)：易產(chǎn)生滑移淺，影響成品率，背面粗草Page Page 6868外延工藝外延工藝-EPITAXY PROCESS-EPITAXY PROCESS紅外加熱的筒式外延爐紅外加熱的筒式外延爐