硅外延層電阻率的控制

1、53 硅外延層電阻率的控制不同器件對外延層的電參數(shù)要求是不同的， 通常VLSI要求：在重?fù)诫s的襯底（1019-1021cm-3）上生長一層輕摻雜（1014-1017cm-3）的外延層 CMOS器件要求：襯底均勻摻雜 雙極型IC要求：襯底中有埋層（輕摻雜的襯底中擴(kuò)散有重?fù)诫s的隔離區(qū)域）這就需要在外延生長過程中，精確控制外延層中的雜質(zhì)濃度和分布來解決15-3-2 外延中雜質(zhì)的再分布外延層中含有和襯底中的雜質(zhì)不同類型的雜質(zhì)，或者是同一種類型的雜質(zhì)，但是其濃度不同。通常希望外延層和襯底之間界面處的摻雜濃度梯度很陡，但是由于外延生長是在高溫下進(jìn)行，襯底中及其他部分的雜質(zhì)會進(jìn)入外延層，使得外延層和襯底之間

2、界面處的雜質(zhì)濃度梯度變平2只考慮襯底中雜質(zhì)擴(kuò)散進(jìn)入外延層時：N（x,t）=N1（x,t） N2（x,t） N1為襯底中雜質(zhì)在外延層中的分布 常規(guī)外延生長時，相當(dāng)于一個恒定界面濃度雜質(zhì)源的余誤差分布 N2為摻入雜質(zhì)Nf在外延層中的分布 35-3-1 外延層中的雜質(zhì)及摻雜1.外延層中的雜質(zhì) 外延層中雜質(zhì)來源很多，總的載流子濃度N總可以表示為：N總N襯底N氣N鄰片N擴(kuò)散N基座N系統(tǒng)N襯底：襯底中揮發(fā)出來的雜質(zhì)摻入外延層中的雜質(zhì)濃度 分量N氣：外延層中來自混合氣體的雜質(zhì)濃度分量N鄰片：外延層中來自相鄰襯底的雜質(zhì)濃度分量N擴(kuò)散：襯底中雜質(zhì)經(jīng)固相擴(kuò)散進(jìn)入外延層的雜質(zhì)濃度分量N基座：來自基座的雜質(zhì)濃度分量N

3、系統(tǒng)：除上述因素外整個生長系統(tǒng)引入的雜質(zhì)濃度分量4N氣，N基座，N系統(tǒng)，雜質(zhì)不是來源襯底片，因此稱為外摻雜N擴(kuò)散，N襯底，N鄰片的雜質(zhì)來源于襯底片，通稱為自摻雜廣義上：外延生長時由襯底、基座和系統(tǒng)等帶來的雜質(zhì)進(jìn)入到外延層中的非人為控制的摻雜稱為自摻雜外摻雜：主要指人為控制的摻雜55-3-3外延層生長中的自摻雜造成自摻雜的主要原因 外延生長時襯底受熱，雜質(zhì)由襯底內(nèi)部擴(kuò)散到表面，再由表面蒸發(fā)到氣相中，它們的一部分在停滯層內(nèi)貯存，并沿氣流方向擴(kuò)散，然后在外延生長時又重新?lián)饺胪庋訉又?。外延生長開始后，襯底正面的蒸發(fā)受到抑制，自摻雜主要來自襯底背面雜質(zhì)的蒸發(fā)。外延最初階段，表面蒸發(fā)控制，V=NsubK

4、經(jīng)過一段時間后，固態(tài)擴(kuò)散控制，VD k很小時， V=NsubK 與時間無關(guān)6造成自摻雜的其他原因鹵化物硅源外延生長時，對襯底的腐蝕作用造成襯底中的雜質(zhì)生成相應(yīng)的鹵化物進(jìn)入停滯層中，一部分被還原摻入外延層中基座，生長系統(tǒng)的污染 襯底雜質(zhì)基座外延層 反應(yīng)室的記憶效應(yīng)7對于埋層襯底：由于高濃度的埋層很快被輕摻雜的材料覆蓋，自摻雜效應(yīng)中止對于重?fù)诫s襯底：正面被封住，邊緣及背面的蒸發(fā)仍可繼續(xù)，但隨時間減少由于自摻雜和外擴(kuò)散的存在，設(shè)置了一個外延層的最小厚度和摻雜水平的極限，同時使界面處雜質(zhì)分布變緩，造成器件特性偏離，可靠性降低，因而必須減少它8抑制自摻雜采用低溫外延技術(shù)和不含鹵素的硅源，應(yīng)用較穩(wěn)定的摻雜

5、劑：使用蒸發(fā)速度和擴(kuò)散系數(shù)較小的襯底和埋層摻雜劑外延前高溫加熱襯底，使襯底表面附近形成一雜質(zhì)耗盡層；采用背面封閉技術(shù)，在背面預(yù)先生長高純的SiO2或多晶硅封閉后再外延；采用二段外延生長技術(shù)：覆蓋吹氣生長減壓生長技術(shù)：使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)被抽走在HCl刻蝕后采用低溫吹氣的工藝以保證XCl3被帶出系統(tǒng)95-3-4 外延層的夾層外延層的夾層指的是外延層和襯底界面附近出現(xiàn)的高阻層或反型層。10外延夾層產(chǎn)生的原因有兩種：一種認(rèn)為P型雜質(zhì)沾污，造成N型外延層被高度補(bǔ)償 解決辦法：P型雜質(zhì)主要來源于SiCL4，只要提高SiCL4的純度及做好外延前的清潔處理就可以解決。 第二種情況是由于襯底引起的 當(dāng)襯底中

6、硼的含量大于31016cm3時，外延層中就容易出現(xiàn)夾層。這是由于高溫時硼擴(kuò)散的比銻快，結(jié)果使得硼擴(kuò)散到外延層中補(bǔ)償了N型雜質(zhì)，形成了一個高阻層或反型層。 解決辦法：一是提高重?fù)诫s單晶質(zhì)量；二是在工藝中防止引入P型雜質(zhì)，降低單晶中B的量；三是在外延生長時可以先長一層N型低阻層作為過渡層，控制夾層,但這不是根本辦法。11外延生長的主動（人為）摻雜外延用N型摻雜劑：PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3 P型摻雜劑BCL3,BBr3，B2H6方式：在反應(yīng)氣體中（硅源、氫氣）中加入摻雜劑注意摻雜濃度計算，固相中 摻雜劑/硅氣相中 摻雜劑/硅影響摻雜的因素：襯底溫度、沉積的速度、摻雜劑摩爾分?jǐn)?shù)、反應(yīng)

7、室?guī)缀纬叽纭⒁r底及系統(tǒng)等等沒有一個簡單的準(zhǔn)則，要針對每個過程經(jīng)驗地確定1254 硅外延層的缺陷分類： 一：表面缺陷，也叫宏觀缺陷 如云霧，劃道，亮點(diǎn)，塌邊，角錐，滑移線等 二：內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，也叫微觀缺陷 如層錯，位錯13541外延片的表面缺陷云霧狀表面 外延片表面呈乳白色條紋，在光亮處肉眼可以看到。 一般由于氫氣純度低，含水過多，或氣相拋光濃度過大，生長溫度太低等引起的。角錐體：又稱三角錐或乳突。形狀像沙丘，用肉眼可以看到。14霧狀表面缺陷霧圈 白霧 殘跡 花霧霧圈 白霧 殘跡 花霧15角錐體16亮點(diǎn)：外形為烏黑發(fā)亮的小圓點(diǎn)塌邊：又叫取向平面，它是外延生長后在片子邊緣部分比中間部分低形成一圈或

8、一部分寬12mm左右的斜平面。 形成原因：襯底加工時造成片邊磨損偏離襯底片晶向。17劃痕：由機(jī)械損傷引起星形線（滑移線）：18各種表面缺陷的來源主要來源于沾污和硅片的預(yù)處理過程角錐體：沙丘狀突起，外來雜質(zhì)上的非均勻成核；襯底上微小的局部的晶向偏離，造成生長速度的差異云霧狀表面：氫氣的純度低，含水過多，氣相拋光濃度過大，生長溫度低等劃痕：機(jī)械損傷、表面不潔亮點(diǎn)：發(fā)亮的小圓點(diǎn)，拋光不充分，表面污染，顆粒脫落等塌邊：邊緣部分低，襯底加工時造成晶體向偏離滑移線：平行的高低不平的線條，熱應(yīng)力造成19內(nèi)部缺陷的產(chǎn)生及消除辦法1、外延層中層錯的產(chǎn)生機(jī)制及消除辦法 襯底上微小的劃痕、淺平坑、沾污都可能成為層錯

9、的成核源 層錯多發(fā)生在襯底-外延層的交界處 消除：a)選擇好的襯底，清潔 b)外延前氣相拋光 c)外延前熱處理202、外延層中位錯的產(chǎn)生機(jī)制及消除辦法產(chǎn)生機(jī)制：1 原襯底位錯延伸引入的2 摻雜和異質(zhì)外延時，外延層和襯底間晶格參數(shù)差異引入內(nèi)應(yīng)力導(dǎo)致失配位錯。3 超過了屈服強(qiáng)度的熱應(yīng)力引起滑移消除辦法：1 選擇無位錯襯底 2 雙摻雜技術(shù)：同時引入原子半徑不同的兩種雜質(zhì)原子3采用紅外輻射加熱或在硅片上方安置熱反射器213微缺陷：雜質(zhì)沾污，特別是Fe和Ni產(chǎn)生：雜質(zhì)沾污，F(xiàn)e、Ni的影響最大消除：1 工藝中注意基座及系統(tǒng)的清潔處理 2 采用吸雜技術(shù)：利用背面的位錯吸收有害雜質(zhì)，是外延層中的有害雜質(zhì)和微

10、缺陷減少225-4 外延生長的工藝問題23一、外延生長設(shè)備立式：旋轉(zhuǎn)，摻雜均勻性好圓桶式：不易顆粒沾污、輻射加熱：均勻性好，減少應(yīng)力24二、選擇硅源SiCl4 :沉積溫度高（11501250），導(dǎo)致嚴(yán)重的自摻雜和外 擴(kuò)散 優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)室壁上很少沉積，減少了壁上Si顆粒剝落的沾污 適用：沉積厚的可忍受自摻雜和外擴(kuò)散的外延層SiHCl3：沉積溫度稍低（11001150 ）并不優(yōu)于SiCl4，很 少用SiH2Cl2：較低溫度（10501100 ）減少了自摻雜和外擴(kuò) 散，可以得到高質(zhì)量外延層，比SiCl4和SiH4更小的缺 陷密度，增加器件的產(chǎn)出SiH4： 低溫（10001100 ），非常少的自摻雜和外

11、擴(kuò)散， 較陡濃度梯度的外延層，沒有逆向腐蝕， 缺點(diǎn)：在較低溫度下發(fā)生熱分解，引起反應(yīng)壁上的嚴(yán)重淀積 適合：長薄的外延層25三、外延層的表征表面質(zhì)量、厚度、晶體缺陷、電學(xué)性質(zhì)表面質(zhì)量：光學(xué)顯微鏡、表面掃描激光缺陷計數(shù)器厚度：現(xiàn)代分析天平稱重（平均厚度） 紅外反射測量技術(shù) 層錯法（測量特征腐蝕坑邊長）晶體缺陷：電學(xué)性質(zhì)：四探針法 擴(kuò)展電阻探針26E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A-x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z)w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A-x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z)v&s!pXmUiRf

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