外延工藝簡介

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1、外延工藝簡介By趙仲鏞杭州士蘭集成電路有限公司杭州經(jīng)濟(jì)技術(shù)開發(fā)東區(qū)10號(hào)路308號(hào)HangzhouSilanIntegratedCircuitCo.,Ltd。308,No.10Road,EastHETZ,Hangzhou,Zhejiang,China3100182005.08.05CompanyConfidential1什么叫外延生長？硅外延的基本原理外延設(shè)備及所用的氣體在外延中應(yīng)注意的問題外延層中的晶體缺陷外延的質(zhì)量表征因子外延層測試設(shè)備目前國內(nèi)外延的動(dòng)態(tài)從事外延工作人員應(yīng)具備的基本素質(zhì)：敬業(yè)精神、一絲不茍的工作態(tài)度、質(zhì)量意識(shí)和安全意識(shí)。C

2、ompanyConfidential2什么叫外延？外延Epitaxy這個(gè)詞來源于希臘字epi,意思是“…之上”。這樣選定的詞對(duì)外延提供了一個(gè)恰當(dāng)?shù)拿鑼憽Ｒ粋€(gè)含有硅原子的氣體以適當(dāng)?shù)姆绞酵ㄟ^襯底，自反應(yīng)劑分子釋放出的原子在襯底上運(yùn)動(dòng)直到它們到達(dá)適當(dāng)?shù)奈恢茫⒊蔀樯L源的一部分，在適當(dāng)?shù)臈l件下就得到單一的晶向。所得到的外延層精確地為單晶襯底的延續(xù)。硅外延生長其意義是在具有一定晶向的硅單晶襯底上生長一層具有和襯底相同晶向的電阻率與厚度不同的晶格結(jié)構(gòu)完整性好的晶體。半導(dǎo)體分立元器件和集成電路制造工藝需要外延生長技術(shù)，因半導(dǎo)體其中所含的雜質(zhì)有N型和P型

3、，通過不同類型的組合，使半導(dǎo)體器件和集成電路具有各種各樣的功能，應(yīng)用外延生長技術(shù)就能容易地實(shí)現(xiàn)。硅外延生長方法，目前國際上廣泛的采用化學(xué)氣相沉積生長方法滿足晶體的完整性、器件結(jié)構(gòu)的多樣化，裝置可控簡便，批量生產(chǎn)、純度的保證、均勻性要求。CompanyConfidential3硅外延的基本原理:硅的化學(xué)氣相沉積外延生長其原理是在高溫（＞1100℃）的襯底上輸送硅的化合物（SiHCl3或SiCl4或SiH2Cl2等）利用氫（H2）在襯底上通過還原反應(yīng)析出硅的方法。同時(shí)外延生長的重要特征之一是可以用任意濃度和導(dǎo)電類型的硅襯底上人為的故意地進(jìn)行摻雜，

4、以滿足器件花樣眾多的要求。氣相外延生長過程包括：（1）反應(yīng)劑（SiCl4或SiHCl3+H2）氣體混合物質(zhì)量轉(zhuǎn)移到襯底表面；（2）吸收反應(yīng)劑分子在表面上（反應(yīng)物分子穿過附面層向襯底表面遷移）；（3）在表面上進(jìn)行反應(yīng)或一系列反應(yīng)；（4）釋放出副產(chǎn)物分子；（5）副產(chǎn)物分子向主氣流質(zhì)量轉(zhuǎn)移；（排外）（6）原子加接到生長階梯上。CompanyConfidential4氯硅烷還原法的特點(diǎn)在于它是一個(gè)吸熱過程,該反應(yīng)需要在高溫下才能發(fā)生。這些反應(yīng)是可逆的，其可逆的程度隨氯硅烷中氯(Cl)的含量的增加而增加。同時(shí)，氯的含量決定了外延生長溫度范圍。外延生長溫

5、度隨硅源中氯（Cl)含量的增加而增加。同時(shí)我們應(yīng)知道，硅片表面是硅單晶體的一個(gè)斷面，有一層或多層原子的鍵被打開，這些不飽和鍵處于不穩(wěn)定狀態(tài)，極易吸附周圍環(huán)境中的原子和分子，此現(xiàn)象稱為“吸附”。吸附在硅片表面的雜質(zhì)粒子在其平衡位置附近不停地做熱運(yùn)動(dòng)，有的雜質(zhì)離子獲得了較大的動(dòng)能，脫離硅片表面，重新回到周圍環(huán)境中，此現(xiàn)象稱為“解吸”。而同時(shí)介質(zhì)中的另一些粒子又被重新吸附，即硅片表面層吸附的雜質(zhì)粒子處于動(dòng)平衡狀態(tài)。對(duì)硅片而言吸附放熱,解吸吸熱。按照被吸附的物質(zhì)的存在狀態(tài)，吸附在硅片表面的雜質(zhì)可分為：分子型，離子型和原子型三種。CompanyConf

6、idential5外延生長摻雜原理為了使半導(dǎo)體器件得到所需要求的電參數(shù)，用P型或N型雜質(zhì)對(duì)外延層進(jìn)行摻雜是必要的。器件的效果取決于摻雜濃度的準(zhǔn)確控制和摻雜劑濃度沿外延層的縱向分布。外延層中的雜質(zhì)原子是在生長過程中被結(jié)合到外延層的晶格中。雜質(zhì)的沉淀過程與外延生長過程相似，也存在質(zhì)量傳輸和表面化學(xué)反應(yīng)控制兩個(gè)區(qū)域.但雜質(zhì)源和硅源的化學(xué)動(dòng)力學(xué)不同,情況更為復(fù)雜。雜質(zhì)的摻入效率不但依賴于生長溫度,同時(shí)每種摻雜劑都有其自身的特征。一般情況下,硅的生長速率相對(duì)穩(wěn)定。硼的摻入量隨生長溫度上升而增加，而磷和砷卻隨生長溫度的生長溫度的上升而下降(見圖1)。Co

7、mpanyConfidential6101710181016110012001300B2H6PH3AsH3T(℃)摻雜濃度(原子/cm3)(圖1)硅外延中摻雜劑的摻入系數(shù)與生長溫度就之間的函數(shù)外延XatXjCf(x)Cat(x)氣相自摻雜系統(tǒng)自摻雜無自摻雜摻雜濃度距表面深度(圖3)摻雜濃度與距外延表面深度之間的關(guān)系曲線示意圖.這種階梯式的分布是自摻雜和外擴(kuò)散不發(fā)生的理想情況.該彎曲分布是由于不均勻摻雜雜質(zhì)所導(dǎo)致的實(shí)際情況CompanyConfidential7另外，襯底的取向能夠影響雜質(zhì)的摻入數(shù)量。摻雜劑的摻入行為還受生長速率的影響，以砷(A

8、s)為例，一般生長速率快，摻入行為降低。而磷(P)摻雜濃度變化在不同生長速率下是不同的，在1016/cm3濃度，生長速率0.1um/min,生長溫度1100~120