IC工藝技術6-外延

1、集成電路工藝技術講座第六講外延工藝Epitaxy外延技術講座提要外延技術講座提要 外延工藝簡述 外延的某些關鍵工藝 幾種常見外延爐性能比較 外延工藝及設備的展望一、外延工藝簡述一、外延工藝簡述1.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上一層有一定厚度一定電阻率及一定型號的單晶。 外延是一種單晶生長技術但又不同于拉晶、也不同于一般的CVD 。2.外延的優(yōu)點外延的優(yōu)點 減少串聯(lián)電阻 簡化隔離技術 消除CMOS的可控硅效應 可以根據器件的要求,隨心所欲地生長,各種不同型號，不同電阻率和厚度的外延層。CMOS電路的電路的latc

2、h-up效應效應用重摻襯底加外延可以減小這效應RsRw3.外延沉積的原理外延沉積的原理1)反應式 SiHX1CLY+X2H2 Si+YHCL2)主要外延生長源硅源生長速率m/m生長溫度允許含氧量sicl40.4-1.51150-12005-10ppmsihcl30.4-31100-12005-10ppmsih2cl20.4-21050-11505ppmsih40.1-0.3950-10502ppm（Y=X1+2X2）4.外延工藝過程外延工藝過程 裝片 趕氣 升溫 恒溫(850C) 烘烤6 升溫(1200 ) HCL腐蝕 趕氣 外延沉積 趕氣并降溫 N2趕氣(3) 取片1020304050607

3、080020040060080010001200溫度時 間 ( 分 )腐蝕外延趕 氣5.HCL腐蝕的作用腐蝕的作用 清潔表面減少缺陷 減少前工藝所引入的損傷，降低和消除晶體缺陷 HCL的腐蝕量約0.2-0.4，我們選用腐蝕速率為0.06/m 時間4約去除0.24。6.外延摻雜外延摻雜 摻雜源： N型：PH3/H2 AS3/H2 P型：B2H6/H2 摻雜方式： source%=inject% diluent%=100%-inject% 摻雜計算 Test/Target = DNTarget/ DNTest 實際的修正 由于有自摻雜因此實際摻雜量還應減去自摻雜的量7.外延參數測定外延參數測定 晶

4、體缺陷： 層錯,位錯,滑移線,點缺陷,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試外延表面缺陷的顯示和測試缺陷的顯示缺陷的顯示 對于(111)取向： Sirtl： HF：5m CrO3=1:1 對于(100)取向： Wright：a. 45gCrO3+90mlH2O b.6gCU(NO3)+180mlH2O c.90mlHNO3+180mlHAC+180mlH a:b:c=1:1:1 染色腐蝕液：HF:HNO3:HAC=1:3:72)電阻率測試 三探針: n/n+ p/p+ 探針接觸電阻大 四探針: p/n n/p

5、當在界面有低阻過渡區(qū)時測試不準 SRP: n/n+ p/p+ n/p p/n 要求知道襯底型號與取向，否則測試不準 C-V:n/n+ p/p+ n/p p/n 要求嚴格的表面清潔處理四探針srpSrp還可測濃度(或電阻率)與結深的關系，可看過渡區(qū)寬度，是一個很好的分析測試手段基區(qū)太深使擊穿下降基區(qū)太深使擊穿下降基區(qū)結深合理擊穿提高基區(qū)結深合理擊穿提高3)厚度測試厚度測試 磨角染色再用干涉顯微鏡測厚度 層錯法： 對于(111) T=0.816L 對于(100) T=0.707L 紅外測厚儀：范圍0.25-200微米 精度0.02微米 滾槽法： T=(X-Y)/D YxDLL二、外延的一些關鍵工藝

6、二、外延的一些關鍵工藝1.外延的圖形漂移pattern shift - 對于(111)晶體在與110定位面垂直的方向發(fā)生圖形漂移。 - 產生原因是外延的反應產物HCL，擇優(yōu)腐蝕埋層邊緣，使埋層圖形產生位移。 - 危害性：使光刻無法對準，從而影響電學特性。 - 關鍵：要知道漂移量，同時要控制各爐子相同。外延圖形漂移的測定用滾槽法測用滾槽法測shift由于漂移由于漂移.使光刻套準差使光刻套準差.造成電學性能變差造成電學性能變差案例分析案例分析7800上下片因溫度不均勻造成shift不同,引起電學參數不同。上片漂移小糾偏過頭下片糾偏較正確2.圖形畸變圖形畸變Distortion 外延后圖形增大或縮小

7、,變模糊,甚之消失。 圖形邊緣不再銳利。 畸變原因： 主要是HCL腐蝕硅片表面，在臺階處，由于取向不同使各方向腐蝕速率不同結果產生畸變。SHIFT對稱變大對稱變大非對稱畸變非對稱畸變對稱變小對稱變小圖形消失圖形消失外延后圖形嚴重畸變對于(111)晶片,取向對畸變影響很大畸變小畸變小畸變嚴重畸變嚴重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，光刻機不能識別硅源中氯原子的含量上對硅源中氯原子的含量上對shift的影響的影響012340.00.10.20.30.4shift含氯 原子(111)(100)溫度對溫度對shift的影響的影響114011601

8、1801200122012400.00.10.20.30.40.50.60.70.80.91.01.1SHIFT(111)(100)溫度生長速率對shift的影響0.30.40.50.60.70.80.30.40.50.60.70.8shiftGroth rate(111)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) 降低生長速率(減少氯含量) 對于(111)取向偏離3-4(向最近的110方向) 增加H2流量2. 摻雜與自摻雜摻雜與自摻雜 D總摻雜=D摻雜+D自摻雜 當D自摻量100cm N+ =18-26cm 摻雜外延： DN=60

9、cc 陪片=11cm N=4.4*1014 N+ =7cm N=5.5*1014 自摻雜量： =1.1*1014不同的加熱方式可以產生不同的自摻雜結果不同的加熱方式可以產生不同的自摻雜結果1.感應加熱的特點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移，使重摻襯底的雜質封住，減少自摻雜。2.紅外加熱的相反：硅片的溫度高于基座，外延時硅片背面的硅和雜質原子在向基座轉移過程中跑出來形成自摻雜。 所以紅外加熱要比感應加熱自摻雜要嚴重，過渡區(qū)也差一些 T2 T3 T4基座溫度T1T1T2T3T4感應加熱外延的過渡區(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 數

10、量級 2) 過渡區(qū)寬度對器件的影 響：過渡區(qū)小-好 3) 影響過渡區(qū)的因素： a襯底外擴散 b自摻雜 c外延主摻雜 c b a以以P/P+為例減少自摻雜的試驗為例減少自摻雜的試驗 外延條件外延條件 外延結果外延結果 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 不同外延爐自摻雜不同 減壓外延

11、采用大量的H2趕氣，可減少自摻雜 采用二步法外延 3.外延表面缺陷外延表面缺陷 常見缺陷有：層錯、位錯、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，易產生層錯 與(111)取向偏離小于0.5，易產生乳凸狀小丘 硅片受熱不均勻，易產生滑移線 外延系統(tǒng)漏氣易產生白霧 硅片表面不潔，或反應室臟易產生顆粒1)層錯層錯 產生原因：襯底 表面有損傷，或 不干凈 減少層錯的方法： 用HCL腐蝕襯底 表面去除損傷層 及清潔硅片表面表面顆粒表面顆粒:與外延系統(tǒng)及襯底的清潔度有關，下圖是用表面沾污儀測試結果表面呈乳凸狀小丘：產生原因與襯底取向有關，與(111)取向偏離小于1(111)

12、硅片的滑移線硅片的滑移線滑移線滑移線產生原因產生原因：硅片在熱處理過程中，受熱不均勻，在1200C當中心和邊緣的溫差，大于25C時，其屈應力大于1000PSI，易產生滑移線，它會嚴重地影響成品率。感應加熱及大直徑硅片溫差大，易產生滑移線。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鉻酸腐蝕后看到的層錯和霧類似三角形缺陷類似三角形缺陷 原因：表面氧化層沒去凈 4.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流層減壓外延使滯留層減薄,大部分雜質進入對流層帶走

13、減壓壓力與過渡區(qū)的關系壓力與過渡區(qū)的關系壓力對圖形漂移的影響壓力對圖形漂移的影響100120140160180200-1.0-0.8-0.6-0.4-0.20.00.20.40.60.8圖形漂 移壓 力 t o rr 0.15u/m(1) 0.40u/m2) 0.5u/m3) 0.85u/m(4)sih2cl2壓力與過渡區(qū)寬度壓力與過渡區(qū)寬度1001201401601802002202400.200.250.300.350.400.450.500.550.600.65過渡 區(qū) 寬壓 力 t o rr0.32壓力與 過渡 區(qū) 寬sih2cl21100p=2p=0.3襯 底 =0. 00 5As三

14、三.外延設備簡介外延設備簡介1.按結構分類 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, 易產生滑移線， 但自摻雜少。硅片背面易長多晶。 中低頻加熱 ：基座溫度高于硅片硅片和基座 溫差大25C 易產生滑移線， 但自摻雜少。片子背面易長多晶。 不同外延爐的結構當前常見幾種外延爐優(yōu)缺點比較當前常見幾種外延爐優(yōu)缺點比較1.四類常見外延爐： 紅外加熱：AMC7700 7810 MTC7700K 高頻 感應加熱： gemini2(180khz) 低頻感應加熱：LPE2061S (4k

15、hz) EPI PRO5000(25khz) 大直徑硅片外延爐： ASM epsilon AMC centrura LPE3061AMC78102.各類外延爐的優(yōu)缺點各類外延爐的優(yōu)缺點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，硅片熱應力較大易產生滑移線 石英噴頭：比金屬噴頭沾污少。 雙反應室：提高爐子利用率，可以緊靠排放占地面積小，生產能力強 6” 500片/日 最大優(yōu)點：自摻雜少、占地小、產能大 缺點：滑移線難避免、耗氣量大、背面粗糙2)筒式中低頻加熱筒式中低頻加熱LPE2061S 中低頻感應加熱、感應線圈采用專利的雙向加熱方式，使片子與基

16、座的溫差更小 雙反應室，加上使用IGBT作為加熱發(fā)生器使二個反應室利用率更高，同時它比紅外燈管的壽命長，成本低 O-型圈在鐘罩的下面可減少顆粒，提高表面質量 基座和鐘罩經特殊設計利用率高，產能大、氣流模型好，基座鐘罩間的間距小，趕氣時間短 自摻雜小過渡區(qū)窄、可做高阻厚外延 缺點：易產生滑移淺，影響成品率，背面粗草紅外加熱的筒式外延爐紅外加熱的筒式外延爐AMC MTC 紅外燈加熱：T片T基座 滑移線少,但自摻雜嚴重 片子立放表面好 生產量大，設備小 只有單反應室所以利用率低 MTC公司在AMC78XX的基礎上把爐體加大基座加大，溫度由3段控制改成8段控制使產能提高了的50%均勻性由5%提高到3%

17、 該爐子特別適合于電路片的生產，由于不易產生滑移線所以成品率也相對較高，背面較好。 缺點是自摻雜嚴重不利于做重摻襯底的高阻外延，另外過渡區(qū)寬度較大，對器件不利。各爐子性能比較各爐子性能比較大直徑硅片外延爐典型代表典型代表：ASMEpsilon AMC Centrura LPE 3061 MTC308工藝特點：工藝特點：1.均勻性好、自摻雜小、過渡區(qū)小、明顯地優(yōu)于多片式爐子。2.裝卸硅片從片盒到片盒，表面顆粒少。3.產能，10”ASM epsilon-2111AMC centrura三反應室1*31*31*3MTC 308631LPE 306185-g-278107700E-2單片外延爐的一些優(yōu)點單片外延爐的一些優(yōu)點外延工藝及設備的展望外延工藝及設備的展望 向超薄外延層發(fā)展：淺結薄外延，低溫低壓外延。 向CMOS發(fā)展，大直徑硅外延 向電力電子大功率高反壓發(fā)展：高阻厚外延、多層外延等 為減少串聯(lián)電阻,采