外延工艺简介ppt课件

HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm 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Hangzhou Silan Integrated Circuit Co.,Ltd。308,No.10 Road,East HETZ,Hangzhou,Zhejiang,China 310018 2005.08.05 Company Confidential1 1 外延工艺简介By2005.08.05 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm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。Company Confidential2 2什么叫外延生长？Company Confidential2 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm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。Company Confidential3 3什么叫外延？外延Epitaxy这个词 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm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。Company Confidential4 4硅外延的基本原理:硅的化学气相沉积外延 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm 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。Company Confidential5 5 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 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm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)。Company Confidential6 6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 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm101710181016110012001300B2H6PH3AsH3T()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Company Confidential7 7101710181016110012001300B2H6PH HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm 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2Company Confidential8 8 另外，衬底的取向能够影响杂质的掺入数量。掺杂剂的掺入 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm 在在P P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P P、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P P、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。Company Confidential9 9 在P型外延生长中,我们应该认识重掺硼(B)有 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm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Company Confidential10 10外延设备及所用的气体：化学气相外延生长 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm硅外延生长装置的方框图：硅外延生长装置的方框图：Company Confidential11 11硅外延生长装置的方框图：Company Confidenti HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration EnthusiasmCompany Confidential12 12Company Confidential12 12 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration EnthusiasmCompany Confidential13 13Company Confidential13 13 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration EnthusiasmCompany Confidential14 14Company Confidential14 14 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm各种硅外延炉比较各种硅外延炉比较Company Confidential15 15各种硅外延炉比较Company Confidential15 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm在外延中应注意的问题：在外延中应注意的问题：Company Confidential16 16在外延中应注意的问题：Company Confidentia HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration EnthusiasmCompany Confidential17 17Company Confidential17 17 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration EnthusiasmCompany Confidential18 18Company Confidential18 18 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm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/cm3 3)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V Vt t Dt.(D:Dt.(D:衬底杂质衬底杂质扩散系数。扩散系数。t t：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）Company Confidential19 19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 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm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Company Confidential20 20自掺杂的起因：Company Confidential20 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration EnthusiasmCompany Confidential21 21Company Confidential21 21 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration EnthusiasmCompany Confidential22 22Company Confidential22 22 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration EnthusiasmCompany Confidential23 23Company Confidential23 23 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration EnthusiasmCompany Confidential24 24Company Confidential24 24 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm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Company Confidential25 25图形漂移、畸变 集成电路要在硅片正面局部区域内用 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm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。Company Confidential26 26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，HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm、在高温生长可以减少图形漂移和小平面，对于、在高温生长可以减少图形漂移和小平面，对于0.1Mpa压强下压强下生长，降低生长温度会造成众多小平面和外形尺寸不对称大生长，降低生长温度会造成众多小平面和外形尺寸不对称大幅度降低淀积温度幅度降低淀积温度(降到降到1150仅用仅用SiCl4)可以使图形消失；可以使图形消失；、用低压生长工艺，小平面可以减少，然而、用低压生长工艺，小平面可以减少，然而这是这是利用增加图形利用增加图形尺寸而达到的一个折衷的方法。尺寸而达到的一个折衷的方法。、在、在0.1Mpa压强下，用低生长速率，减少图形漂移和小平面压强下，用低生长速率，减少图形漂移和小平面、用含有少量氯硅烷分子的硅源气体，图形漂移可以减少。、用含有少量氯硅烷分子的硅源气体，图形漂移可以减少。即：图形畸变随温度的降低而减少即：图形畸变随温度的降低而减少图形漂移随温度的升高而减少图形漂移随温度的升高而减少因此，生长参数的最佳优化是外延特性需要综合考虑的问题。因此，生长参数的最佳优化是外延特性需要综合考虑的问题。Company Confidential27 27、在高温生长可以减少图形漂移和小平面，对于0.1Mpa压强 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm外延层中的晶体缺陷：外延层中的晶体缺陷：在外延生长过程中，外延层上会出现许多缺陷，有位错、堆在外延生长过程中，外延层上会出现许多缺陷，有位错、堆垛层错、沉积物、异物和氧化引起的缺陷等。从广义上讲，缺垛层错、沉积物、异物和氧化引起的缺陷等。从广义上讲，缺陷也包括氧、碳、重金属等杂质以及原子空位和填隙原子等点陷也包括氧、碳、重金属等杂质以及原子空位和填隙原子等点缺陷。这些缺陷的存在有的会直接影响半导体的性能。缺陷。这些缺陷的存在有的会直接影响半导体的性能。外延层中各种缺陷不但与衬底质量、衬底表面情况有关，外延层中各种缺陷不但与衬底质量、衬底表面情况有关，而且也与外延生长过程本身有着密切的关系。而且也与外延生长过程本身有着密切的关系。外延层中常见的缺陷有角锥体、圆锥体（乳突）、月牙和外延层中常见的缺陷有角锥体、圆锥体（乳突）、月牙和鱼尾、划痕、云雾状表面位错、层错。鱼尾、划痕、云雾状表面位错、层错。Company Confidential28 28外延层中的晶体缺陷：在外延生长过程中，外延 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm外延层缺陷分类：外延层缺陷分类：1、表面缺陷：显露在外延层表面的缺陷。、表面缺陷：显露在外延层表面的缺陷。（1）角锥体）角锥体（2）圆锥体）圆锥体（3）阶丘）阶丘（4）月牙和鱼尾）月牙和鱼尾（5）球）球（6）雾状表面）雾状表面（7）桔皮）桔皮Company Confidential29 29外延层缺陷分类：Company Confidential29 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm2、晶格结构缺陷：存在于外延层内部的缺陷。、晶格结构缺陷：存在于外延层内部的缺陷。（1）层错）层错（2）滑移位错）滑移位错（3）失配位错）失配位错实际上，有些缺陷起源于外延层内部，甚至于衬底内部，但随着实际上，有些缺陷起源于外延层内部，甚至于衬底内部，但随着外延生长延伸到表面，因此很难说有些缺陷是哪一种类型。外延生长延伸到表面，因此很难说有些缺陷是哪一种类型。Company Confidential30 302、晶格结构缺陷：存在于外延层内部的缺陷。Company C HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm角锥体：角锥体：角锥体是一种存在于外延层表面的锥体型小尖峰，多起于外延层和衬底交界面，但角锥体是一种存在于外延层表面的锥体型小尖峰，多起于外延层和衬底交界面，但也可能在外延层内部产生，一般不会起源于衬底的内部。也可能在外延层内部产生，一般不会起源于衬底的内部。产生的原因：产生的原因：1、衬底表面质量差和反应系统的沾污，石墨基座的碳等发生气相转变后都会在衬底表、衬底表面质量差和反应系统的沾污，石墨基座的碳等发生气相转变后都会在衬底表面上形成面上形成-SiC粒子，就可能成为角锥体的形成核，由核开始延伸，最后在外延层表粒子，就可能成为角锥体的形成核，由核开始延伸，最后在外延层表面形成角锥体。面形成角锥体。2、角锥体的形成和衬底的晶向有关。、角锥体的形成和衬底的晶向有关。Si的的111晶向同其它的晶面相比，最容易发生晶向同其它的晶面相比，最容易发生角锥体。因为沿角锥体。因为沿111晶向生长速度最慢，最容易出现释放原子的速度高于这些原晶向生长速度最慢，最容易出现释放原子的速度高于这些原子在表面按一定规律排列的速度，因而就可能造成表面原子排列不均匀，引起局部子在表面按一定规律排列的速度，因而就可能造成表面原子排列不均匀，引起局部地区晶面突起，成为角锥体的形成核，发展成为角锥体。偏离地区晶面突起，成为角锥体的形成核，发展成为角锥体。偏离111晶面几度，角晶面几度，角锥体的数量就明显下降，对一定的晶面有一个最大允许生长速率，超过此速率就会锥体的数量就明显下降，对一定的晶面有一个最大允许生长速率，超过此速率就会出现角锥体。出现角锥体。3、外延温度较低，表面化学反应速度减慢，输运到表面上的、外延温度较低，表面化学反应速度减慢，输运到表面上的SiHCl3分子因不能很快分分子因不能很快分解反应而堆积，也会产生角锥体。解反应而堆积，也会产生角锥体。4、SiHCl3浓度太高也会产生角锥体，如果表面出现的角锥体非常多，就会发展成鱼鳞浓度太高也会产生角锥体，如果表面出现的角锥体非常多，就会发展成鱼鳞状的表面。状的表面。Company Confidential31 31角锥体：Company Confidential31 3 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm圆锥体：圆锥体：这种缺陷往往在这种缺陷往往在10E21/cm3重掺杂层上产生。如果发生形变，重掺杂层上产生。如果发生形变，则可成棱角锥体，因此也可以把这种缺陷看成是角锥体的一种。则可成棱角锥体，因此也可以把这种缺陷看成是角锥体的一种。Company Confidential32 32圆锥体：Company Confidential32 3 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm阶丘：阶丘：阶丘是尖端有一个角锥体而斜面坡度小的台阶状突起，高度可阶丘是尖端有一个角锥体而斜面坡度小的台阶状突起，高度可以达以达2-3m。这种缺陷的成因与角锥体相似，可采取相同措施。这种缺陷的成因与角锥体相似，可采取相同措施消除。消除。Company Confidential33 33阶丘：Company Confidential33 33 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm月牙和鱼尾：月牙和鱼尾：月牙和鱼尾是外延沉积后高于或低于表平面的结构，起因于堆月牙和鱼尾是外延沉积后高于或低于表平面的结构，起因于堆剁层错等衬底缺陷。从这些缺陷的一端引出一尾巴并沿一定方剁层错等衬底缺陷。从这些缺陷的一端引出一尾巴并沿一定方向伸长的凹坑，其宽度为几微米，长度为向伸长的凹坑，其宽度为几微米，长度为10m数量级。数量级。Company Confidential34 34月牙和鱼尾：Company Confidential34 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm 球是在外延生长中落到衬底表面的碳粒子所形成，经电子衍射球是在外延生长中落到衬底表面的碳粒子所形成，经电子衍射分析可知，它具有分析可知，它具有-SiC的组成与构造。球体所带的尾巴是反的组成与构造。球体所带的尾巴是反应体被粒子遮挡而生成的影子凹陷。应体被粒子遮挡而生成的影子凹陷。Company Confidential35 35 球是在外延生长中落到衬底表面的碳粒子所形成，经电子衍射 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm 雾状表面是一种存在于外延层表面的缺陷，经表面化学腐蚀后一般可用肉眼直接观雾状表面是一种存在于外延层表面的缺陷，经表面化学腐蚀后一般可用肉眼直接观察到。在（察到。在（111）面上，这些缺陷呈浅三角形平底坑，或呈）面上，这些缺陷呈浅三角形平底坑，或呈V形及棒状，尺寸为形及棒状，尺寸为0.1-0.8m，这些缺陷因为反应气体的污染（，这些缺陷因为反应气体的污染（H2纯度低、系统漏气、硅片清洗不干净），纯度低、系统漏气、硅片清洗不干净），气相腐蚀不足所引起。气相腐蚀不足所引起。Company Confidential36 36 雾状表面是一种存在于外延层表面的缺陷，经表面化学腐蚀 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm桔皮：桔皮：用肉眼可观察到的小波纹缺陷，这是由于归片抛光时去层不够，用肉眼可观察到的小波纹缺陷，这是由于归片抛光时去层不够，机械损伤的残留以及气相抛光腐蚀不适当造成。机械损伤的残留以及气相抛光腐蚀不适当造成。Company Confidential37 37桔皮：Company Confidential37 37 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm以上是常见的几种表面缺陷，实际上还有许多种类，例如：镊子、吸笔、外来以上是常见的几种表面缺陷，实际上还有许多种类，例如：镊子、吸笔、外来粒子的擦伤。这些缺陷的产生大多与杂质的沾污（有机物、金属杂质、碳粒粒子的擦伤。这些缺陷的产生大多与杂质的沾污（有机物、金属杂质、碳粒子、灰尘粒子）抛光时的机械损伤，反应气体纯度，操作不当等有关。子、灰尘粒子）抛光时的机械损伤，反应气体纯度，操作不当等有关。Company Confidential38 38Company Confidential38 38 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm层错：层错：层错也称堆剁层错，是外延层上常见的缺陷，是因为原子排列次序发生层错也称堆剁层错，是外延层上常见的缺陷，是因为原子排列次序发生错乱所引起的。利用化学腐蚀法（用干涉相衬显微镜观察时不必进行腐蚀）错乱所引起的。利用化学腐蚀法（用干涉相衬显微镜观察时不必进行腐蚀）便可以显示出层错。便可以显示出层错。产生层错的原因很多，衬底表面的损伤和沾污、外延温度过低、衬底产生层错的原因很多，衬底表面的损伤和沾污、外延温度过低、衬底表面上的残留氧化物、掺杂剂不纯。生长速率太快，空位或间隙原子的凝聚表面上的残留氧化物、掺杂剂不纯。生长速率太快，空位或间隙原子的凝聚外延生长时点阵失配等都可能引起层错。外延生长时点阵失配等都可能引起层错。层错是外延层的一种特征性缺陷。它本身并不改变外延层的电学性质，层错是外延层的一种特征性缺陷。它本身并不改变外延层的电学性质，但可以产生其它影响，可引起扩散杂质分布不均匀，成为重金属杂质的淀积但可以产生其它影响，可引起扩散杂质分布不均匀，成为重金属杂质的淀积中心等。中心等。层错大多数是从衬底与外延层的交界面开始的，减少硅片表面的损伤，层错大多数是从衬底与外延层的交界面开始的，减少硅片表面的损伤，洁净的表面，防止系统的气体泄露，外延生长前在洁净的表面，防止系统的气体泄露，外延生长前在1200高温下处理，高温下处理，HCl腐蚀等对减少、消除层错是十分有利的。腐蚀等对减少、消除层错是十分有利的。Company Confidential39 39层错：Company Confidential39 39 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm层错也称堆剁层错，是外延层上常见的缺陷，是因为原子排列次序发生错乱所引起的。层错也称堆剁层错，是外延层上常见的缺陷，是因为原子排列次序发生错乱所引起的。Company Confidential40 40层错也称堆剁层错，是外延层上常见的缺陷，是因为原子排列次序发 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm滑移位错：滑移位错：SiHCl3（SiCl4）氢（）氢（H2）还原法外延一般在）还原法外延一般在1100-1250的高温下进行，快速加温和冷却都可能会产生很大的热应力。的高温下进行，快速加温和冷却都可能会产生很大的热应力。热场分布不均匀，基座和硅片接触不良等都会不同程度地产生热场分布不均匀，基座和硅片接触不良等都会不同程度地产生热应力。热应力可以使材料发生范性形变。如果晶体中处于某热应力。热应力可以使材料发生范性形变。如果晶体中处于某一晶面两侧的部分发生相对滑移时，滑移晶面中，滑移部分与一晶面两侧的部分发生相对滑移时，滑移晶面中，滑移部分与未滑移部分的交界处就形成位错，可能在表面生成未滑移部分的交界处就形成位错，可能在表面生成1-10nm数量数量级的台阶。实际上滑移是依靠位错的运动来完成的。外延时产级的台阶。实际上滑移是依靠位错的运动来完成的。外延时产生的位错大多属于滑移位错类型生的位错大多属于滑移位错类型。Company Confidential41 41滑移位错：Company Confidential41 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm 外延时产生的位错大多属于滑移位错类型。外延时产生的位错大多属于滑移位错类型。Company Confidential42 42 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm失配位错：失配位错：当外延层和衬底掺入的杂质的种类和浓度不同时，会引起当外延层和衬底掺入的杂质的种类和浓度不同时，会引起界面两端晶格常数的差异，对于硅材料来说，外延层和衬底之界面两端晶格常数的差异，对于硅材料来说，外延层和衬底之间的晶格收缩率大约为间的晶格收缩率大约为0.2%，如果界面两端的晶格常数相差很，如果界面两端的晶格常数相差很大，就会产生失配位错，而且可能传布到外延层和衬底中去，大，就会产生失配位错，而且可能传布到外延层和衬底中去，一般一般N/N+结构不会出现失配位错，而结构不会出现失配位错，而P/N+、N/P、P/P+结构容结构容易引起失配而产生失配位错易引起失配而产生失配位错。Company Confidential43 43失配位错：Company Confidential43 HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm3、外延层缺陷检验方法、外延层缺陷检验方法 外延层的表面缺陷或堆垛层错一般均可用外延层的表面缺陷或堆垛层错一般均可用Sirtl腐蚀液腐蚀液（33%CrO3水溶液：水溶液：HF=1：1）经）经15-30S显示出来。在日光显示出来。在日光灯照射下肉眼可观察到表面缺陷，微小的缺陷要在强光下（灯照射下肉眼可观察到表面缺陷，微小的缺陷要在强光下（30万万Lux）观察。内部缺陷则要在放大）观察。内部缺陷则要在放大300倍的金相显微镜下才能倍的金相显微镜下才能观察到，位错的腐蚀时间需观察到，位错的腐蚀时间需3-5min。Company Confidential44 443、外延层缺陷检验方法Company Confidentia HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm外延的质量表征因子：外延的质量表征因子：1、外延层厚度、外延层厚度2、外延层电阻率、外延层电阻率3、外延层电阻率纵向杂质分布、外延层电阻率纵向杂质分布4、外延层晶格结构完整性、外延层晶格结构完整性Uniformity=（MAX-MIN）/（MAX+MIN）*100%Company Confidential45 45外延的质量表征因子：1、外延层厚度Company Confi HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration Enthusiasm外延层测试设备：外延层测试设备：1、C-V Hg探针测试仪探针测试仪2、4PP3、SRP4、FTIR5、SPV6、UV灯灯Company Confidential46 46外延层测试设备：1、C-V Hg探针测试仪Company C HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD 诚信 忍耐 探索 热情 Faith Endurance Exploration EnthusiasmTHE END！Company Confidential47 47THE END！Company Confidential47