外延工艺简介.pptx
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外延工艺简介.pptx
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HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm外延工艺简介外延工艺简介By赵仲镛赵仲镛杭州士兰集成电路有限公司杭州士兰集成电路有限公司杭州经济技术开发东区杭州经济技术开发东区10号路号路308号号HangzhouSilanIntegratedCircuitCo.,Ltd。
308,No.10Road,EastHETZ,Hangzhou,Zhejiang,China3100182005.08.05CompanyConfidential11HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm什么叫外延生长?
什么叫外延生长?
硅外延的基本原理硅外延的基本原理外延设备及所用的气体外延设备及所用的气体在外延中应注意的问题在外延中应注意的问题外延层中的晶体缺陷外延层中的晶体缺陷外延的质量表征因子外延的质量表征因子外延层测试设备外延层测试设备目前国内外延的动态目前国内外延的动态从事外延工作人员应具备的基本素质:
敬业精神、从事外延工作人员应具备的基本素质:
敬业精神、一丝不苟的工作态度、质量意识和安全意识。
一丝不苟的工作态度、质量意识和安全意识。
CompanyConfidential22HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm什么叫外延?
什么叫外延?
外延外延Epitaxy这个词来源于希腊字这个词来源于希腊字epi,意思是意思是“之上之上”。
这样选定的。
这样选定的词对外延提供了一个恰当的描写。
一个含有硅原子的气体以适当的方式通过词对外延提供了一个恰当的描写。
一个含有硅原子的气体以适当的方式通过衬底,自反应剂分子释放出的原子在衬底上运动直到它们到达适当的位置,衬底,自反应剂分子释放出的原子在衬底上运动直到它们到达适当的位置,并成为生长源的一部分,在适当的条件下就得到单一的晶向。
所得到的外延并成为生长源的一部分,在适当的条件下就得到单一的晶向。
所得到的外延层精确地为单晶衬底的延续。
层精确地为单晶衬底的延续。
硅外延生长其意义是在具有一定晶向的硅单晶衬底上生长一层具有和衬硅外延生长其意义是在具有一定晶向的硅单晶衬底上生长一层具有和衬底相同晶向的电阻率与厚度不同的晶格结构完整性好的晶体。
底相同晶向的电阻率与厚度不同的晶格结构完整性好的晶体。
半导体分立元器件和集成电路制造工艺需要外延生长技术,因半导体半导体分立元器件和集成电路制造工艺需要外延生长技术,因半导体其中所含的杂质有其中所含的杂质有N型和型和P型,通过不同类型的组合,使半导体器件和集成型,通过不同类型的组合,使半导体器件和集成电路具有各种各样的功能,应用外延生长技术就能容易地实现。
电路具有各种各样的功能,应用外延生长技术就能容易地实现。
硅外延生长方法,目前国际上广泛的采用化学气相沉积生长方法满足硅外延生长方法,目前国际上广泛的采用化学气相沉积生长方法满足晶体的完整性、器件结构的多样化,装置可控简便,批量生产、纯度的保证、晶体的完整性、器件结构的多样化,装置可控简便,批量生产、纯度的保证、均匀性要求。
均匀性要求。
CompanyConfidential33HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm硅外延的基本原理硅外延的基本原理:
硅的化学气相沉积外延生长其原理是在高温(硅的化学气相沉积外延生长其原理是在高温(1100)的衬底上输送硅)的衬底上输送硅的化合物(的化合物(SiHCl3或或SiCl4或或SiH2Cl2等)利用氢(等)利用氢(H2)在衬底上通过还原反)在衬底上通过还原反应析出硅的方法。
应析出硅的方法。
同时外延生长的重要特征之一是可以用任意浓度和导电类型的硅衬底上人同时外延生长的重要特征之一是可以用任意浓度和导电类型的硅衬底上人为的故意地进行掺杂,以满足器件花样众多的要求。
为的故意地进行掺杂,以满足器件花样众多的要求。
气相外延生长过程包括:
气相外延生长过程包括:
(1)反应剂()反应剂(SiCl4或或SiHCl3+H2)气体混合物质量转移到衬底表面;)气体混合物质量转移到衬底表面;
(2)吸收反应剂分子在表面上(反应物分子穿过附面层向衬底表面迁移);)吸收反应剂分子在表面上(反应物分子穿过附面层向衬底表面迁移);(3)在表面上进行反应或一系列反应;)在表面上进行反应或一系列反应;(4)释放出副产物分子;)释放出副产物分子;(5)副产物分子向主气流质量转移;(排外)副产物分子向主气流质量转移;(排外)(6)原子加接到生长阶梯上。
)原子加接到生长阶梯上。
CompanyConfidential44HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm氯硅烷还原法的特点在于它是一个吸热过程氯硅烷还原法的特点在于它是一个吸热过程,该反应需要在高温该反应需要在高温下才能发生。
这些反应是可逆的,其可逆的程度随氯硅烷中氯下才能发生。
这些反应是可逆的,其可逆的程度随氯硅烷中氯(Cl)的含量的增加而增加。
同时,氯的含量决定了外延生长温度范围。
的含量的增加而增加。
同时,氯的含量决定了外延生长温度范围。
外延生长温度随硅源中氯(外延生长温度随硅源中氯(Cl)含量的增加而增加。
含量的增加而增加。
同时我们应知道,硅片表面是硅单晶体的一个断面,有一层或同时我们应知道,硅片表面是硅单晶体的一个断面,有一层或多层原子的键被打开,这些不饱和键处于不稳定状态,极易吸附多层原子的键被打开,这些不饱和键处于不稳定状态,极易吸附周围环境中的原子和分子,此现象称为周围环境中的原子和分子,此现象称为“吸附吸附”。
吸附在硅片表。
吸附在硅片表面的杂质粒子在其平衡位置附近不停地做热运动,有的杂质离子面的杂质粒子在其平衡位置附近不停地做热运动,有的杂质离子获得了较大的动能,脱离硅片表面,重新回到周围环境中,此现获得了较大的动能,脱离硅片表面,重新回到周围环境中,此现象称为象称为“解吸解吸”。
而同时介质中的另一些粒子又被重新吸附,即硅。
而同时介质中的另一些粒子又被重新吸附,即硅片表面层吸附的杂质粒子处于动平衡状态。
片表面层吸附的杂质粒子处于动平衡状态。
对硅片而言对硅片而言吸附放热吸附放热,解吸吸热。
解吸吸热。
按照被吸附的物质的存在状态,吸附在硅片表面的杂质可分为:
按照被吸附的物质的存在状态,吸附在硅片表面的杂质可分为:
分子型,离子型和原子型三种。
分子型,离子型和原子型三种。
CompanyConfidential55HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm外延生长掺杂原理外延生长掺杂原理为了使半导体器件得到所需要求的电参数,用为了使半导体器件得到所需要求的电参数,用P型或型或N型杂质对型杂质对外延层进行掺杂是必要的。
器件的效果取决于掺杂浓度的准确控外延层进行掺杂是必要的。
器件的效果取决于掺杂浓度的准确控制和掺杂剂浓度沿外延层的纵向分布。
制和掺杂剂浓度沿外延层的纵向分布。
外延层中的杂质原子是在生长过程中被结合到外延层的晶格外延层中的杂质原子是在生长过程中被结合到外延层的晶格中。
杂质的沉淀过程与外延生长过程相似,也存在质量传输和表中。
杂质的沉淀过程与外延生长过程相似,也存在质量传输和表面化学反应控制两个区域面化学反应控制两个区域.但杂质源和硅源的化学动力学不同但杂质源和硅源的化学动力学不同,情情况况更为复杂。
杂质的掺入效率不但依赖于生长温度更为复杂。
杂质的掺入效率不但依赖于生长温度,同时每种掺杂剂同时每种掺杂剂都有其自身的特征。
一般情况下都有其自身的特征。
一般情况下,硅的生长速率相对稳定。
硼的掺硅的生长速率相对稳定。
硼的掺入量随生长温度上升而增加,而磷和砷却随生长温度的生长温度入量随生长温度上升而增加,而磷和砷却随生长温度的生长温度的上升而下降的上升而下降(见图见图1)。
CompanyConfidential66HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm101710181016110012001300B2H6PH3AsH3T()掺杂浓度掺杂浓度(原子原子/cm3)(图图1)硅外延中掺杂剂的掺入系数硅外延中掺杂剂的掺入系数与生长温度就之间的函数与生长温度就之间的函数外延外延XatXjCf(x)Cat(x)气相自掺杂气相自掺杂系统自掺杂系统自掺杂无自掺杂无自掺杂掺杂浓度掺杂浓度距表面深度距表面深度(图图3)掺杂浓度与距外延表面深度之间掺杂浓度与距外延表面深度之间的关系曲线示意图的关系曲线示意图.这种阶梯式的这种阶梯式的分布是自掺杂和外扩散不发生的分布是自掺杂和外扩散不发生的理想情况理想情况.该弯曲分布是由于不均该弯曲分布是由于不均匀掺杂杂质所导致的实际情况匀掺杂杂质所导致的实际情况CompanyConfidential77HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm另外,衬底的取向能够影响杂质的掺入数量。
掺杂剂的另外,衬底的取向能够影响杂质的掺入数量。
掺杂剂的掺入行为还受生长速率的影响,以砷掺入行为还受生长速率的影响,以砷(As)为例,一般生长速率为例,一般生长速率快,掺入行为降低。
而磷快,掺入行为降低。
而磷(P)掺杂浓度变化在不同生长速率下是掺杂浓度变化在不同生长速率下是不同的,在不同的,在1016/cm3浓度,生长速率浓度,生长速率0.1um/min,生长温度生长温度11001200有上升趋势(见图)有上升趋势(见图)生长速率也影响杂质的再分布,图形生长速率也影响杂质的再分布,图形漂移和图形畸变。
生长速率漂移和图形畸变。
生长速率0.1um/min增加增加0.5um/min时,杂质自掺杂减少。
杂时,杂质自掺杂减少。
杂质外扩散也随生长速率的增加而减少。
反质外扩散也随生长速率的增加而减少。
反之,图形漂移则随生长速率的增加而增加。
之,图形漂移则随生长速率的增加而增加。
混合气流的流速也影响外延层的均匀性,混合气流的流速也影响外延层的均匀性,低流速可以产生较差的均匀性。
低流速可以产生较差的均匀性。
1000110012001016/cm31.2um/min0.6um/min0.1um/min图图2CompanyConfidential88HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm在在PP型外延生长中型外延生长中,我们应该认识重掺硼我们应该认识重掺硼(B)(B)有其特有其特点。
硼点。
硼(B)(B)原子质量很小,值为原子质量很小,值为10.8110.81,而磷,而磷(P)(P)为为30.930.9、砷砷(As)(As)为为7474,锑,锑(Sb)(Sb)为为121121。
因为硼因为硼(B)(B)很轻,半径小,因自由程大在流动气体中很轻,半径小,因自由程大在流动气体中相对扩散距离大相对扩散距离大(相对于相对于PP、AsAs、Sb)Sb)。
而它更容易到达。
而它更容易到达反应器壁、石墨基座、石英件等表面,而被大量吸附,反应器壁、石墨基座、石英件等表面,而被大量吸附,成为外延生长的掺杂源。
而成为外延生长的掺杂源。
而PP、AsAs、SbSb运动距离小,易运动距离小,易被气流带出反应室外,所以重掺硼被气流带出反应室外,所以重掺硼(B)P(B)P型衬底自掺杂型衬底自掺杂效应严重难控制。
效应严重难控制。
CompanyConfidential99HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm外延设备及所用的气体:
外延设备及所用的气体:
化学气相外延生长使用的设备装置通常称谓外延生长反应炉。
一般主化学气相外延生长使用的设备装置通常称谓外延生长反应炉。
一般主要由气相控制系统、电子控制系统、反应炉主体、排气系统四部分组成。
要由气相控制系统、电子控制系统、反应炉主体、排气系统四部分组成。
反应炉炉体它是在高纯石英钟罩中悬挂着一个多边锥状桶式经过特殊反应炉炉体它是在高纯石英钟罩中悬挂着一个多边锥状桶式经过特殊处理的高纯石墨基座。
基座上放置硅片,利用红外灯快速均匀加热。
九段温处理的高纯石墨基座。
基座上放置硅片,利用红外灯快速均匀加热。
九段温控、中心轴可以旋转,进行严格双密封的耐热防爆结构。
控、中心轴可以旋转,进行严格双密封的耐热防爆结构。
电源系统:
独立电源线、电源系统:
独立电源线、3相相4线、线、50Hz、350A气体控制系统:
高精度的质量流量计、传动器气动阀控制,无泄露、耐腐蚀气体控制系统:
高精度的质量流量计、传动器气动阀控制,无泄露、耐腐蚀的的EP管、氢(管、氢(H2)检漏、报警系统)检漏、报警系统冷却系统:
足够的水冷循环系统和风冷循环系统冷却系统:
足够的水冷循环系统和风冷循环系统控制系统:
微机程序控制、联锁方法,安全可靠控制系统:
微机程序控制、联锁方法,安全可靠炉体:
石英钟罩、石英环、石英吊杆、护套、双密封泵、高纯石墨基座炉体:
石英钟罩、石英环、石英吊杆、护套、双密封泵、高纯石墨基座温度控制系统:
独特的红外灯辐射加热、温度控制系统:
独特的红外灯辐射加热、9段温控,均匀快速加热,可调段温控,均匀快速加热,可调CompanyConfidential1010HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm硅外延生长装置的方框图:
硅外延生长装置的方框图:
CompanyConfidential1111HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential1212HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential1313HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential1414HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm各种硅外延炉比较各种硅外延炉比较CompanyConfidential1515HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm在外延中应注意的问题:
在外延中应注意的问题:
CompanyConfidential1616HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential1717HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential1818HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm外延生长中的自掺杂外延生长中的自掺杂在通常外延净化的条件下,人为地引入自掺杂很少,固相自在通常外延净化的条件下,人为地引入自掺杂很少,固相自掺杂在生长速率为掺杂在生长速率为1um/min1um/min条件下,重掺杂衬底外延温度为条件下,重掺杂衬底外延温度为1200,1200,外延时间外延时间t=5mint=5min时,固相扩散仅为时,固相扩散仅为0.08um,0.08um,对重掺砷对重掺砷(6*10(6*101919/cm/cm33)衬底在外延温度为衬底在外延温度为1050,1050,外延时间外延时间t=5min,t=5min,固相扩固相扩散总计为散总计为0.04um,0.04um,占外延层占外延层0.8%,0.8%,这是因为这是因为VVttDt.(D:
Dt.(D:
衬底杂质衬底杂质扩散系数。
扩散系数。
tt:
在一定温度下所经过的时间)可见气相自掺杂是:
在一定温度下所经过的时间)可见气相自掺杂是自掺杂中的主要因素。
自掺杂中的主要因素。
在常规的硅外延工艺过程中,为了保证外延层晶格的完整性在常规的硅外延工艺过程中,为了保证外延层晶格的完整性得到良好的均匀性,通常在层流状态质量转移控制范围内生长。
得到良好的均匀性,通常在层流状态质量转移控制范围内生长。
在这种情况下,一般滞留层有几个微米厚。
在外延生长前预热,在这种情况下,一般滞留层有几个微米厚。
在外延生长前预热,尤其气相抛光。
将大量的衬底杂质存在相对静止的滞留层中,尤其气相抛光。
将大量的衬底杂质存在相对静止的滞留层中,在外延生长时,重新进入外延层,这是造成自掺杂的主要原因。
在外延生长时,重新进入外延层,这是造成自掺杂的主要原因。
(见(见图)图)CompanyConfidential1919HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm自掺杂的起因:
自掺杂的起因:
1、外扩散:
杂质原子从高杂质浓度衬底向低杂质浓度的外延层进行固相扩散外扩散:
杂质原子从高杂质浓度衬底向低杂质浓度的外延层进行固相扩散(所谓固(所谓固-固扩散);固扩散);2、杂质的再淀积:
由衬底的表面边沿、背面或内部(埋层)热蒸发出来的杂、杂质的再淀积:
由衬底的表面边沿、背面或内部(埋层)热蒸发出来的杂质在外延生长时再度进入外延层;质在外延生长时再度进入外延层;3、来自反应室、基座的污染;(要求反应室的洁净和基座的硅包缚)、来自反应室、基座的污染;(要求反应室的洁净和基座的硅包缚)4、卤素的腐蚀作用:
用卤化物作源时以及、卤素的腐蚀作用:
用卤化物作源时以及HCl腐蚀剂,由于卤元素的腐蚀作用,腐蚀剂,由于卤元素的腐蚀作用,使衬底中气化的杂质原子在外延时进入生长层。
使衬底中气化的杂质原子在外延时进入生长层。
自掺杂的抑制方法:
自掺杂的抑制方法:
1、背封法、背封法2、低温生长、低温生长3、两步生长法等、两步生长法等CompanyConfidential2020HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential2121HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential2222HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential2323HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasmCompanyConfidential2424HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm图形漂移、畸变图形漂移、畸变集成电路要在硅片正面局部区域内用扩散或离子注入掺杂剂,集成电路要在硅片正面局部区域内用扩散或离子注入掺杂剂,这个局部扩散区叫做埋层。
埋层表面通常降低大约这个局部扩散区叫做埋层。
埋层表面通常降低大约10003000的深度的深度.在埋在埋层上生上生长的外延的外延层,将重,将重现下面称底下面称底较完美的表面特征完美的表面特征衬底和外延底和外延层之之间图形的任何横向位移叫形的任何横向位移叫图形漂移形漂移图形漂移的主要原因是形漂移的主要原因是结晶学平面生晶学平面生长速率的各向速率的各向异性异性这个个结晶学平面受低陷区的底和晶学平面受低陷区的底和边的的约束。
外延束。
外延层低陷低陷部分的两条平行台部分的两条平行台阶边缘向右移向右移动一个距离一个距离(d)图形漂移不改变外延尺寸图形漂移不改变外延尺寸d外延外延衬底衬底CompanyConfidential2525HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情FaithEnduranceExplorationEnthusiasm如果当两条平行台阶沿相反的方向位移时,则外形尺寸将改如果当两条平行台阶沿相反的方向位移时,则外形尺寸将改变,这叫做图形畸变变,这叫做图形畸变外延生长过程中有时还会发生一个或全部边缘台阶消失的问外延生长过程中有时还会发生一个或全部边缘台阶消失的问题,这种现象叫图形消失题,这种现象叫图形消失图形漂移、图形畸变和图形消失强烈地取决于衬底的晶向和图形漂移、图形畸变和图形消失强烈地取决于衬底的晶向和生长参数。
这些生长参数包括生长压力、温度、硅源气体和生生长参数。
这些生长参数包括生长压力、温度、硅源气体和生长速率。
长速率。
衬底和生长参数的影响:
衬底和生长参数的影响:
、图形漂移和畸变在、图形漂移和畸变在(111)硅片中比硅片中比(100)硅片严重。
硅片严重。
(111)硅片中图形漂移通常发生在相对硅片中图形漂移通常发生在相对(111)轴向偏离小于轴向偏离小于3-5。
的情况下;的情况下;在在(100)硅片中图形漂移很小,但如果衬底稍微偏移硅片中图形漂移很小,但如果衬底稍微偏移(100)面,则可以导致显著的漂移,特别是在低温和低生长速率面,则可以导致显著的漂移,特别是在低温和低生长速率情况下更是如此。
情况下更是如此。
CompanyConfidential2626HANGZHOUSILANINTEGRATEDCIRCUITCO.,LTD诚信忍耐探索热情
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