工艺技术6外延课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,#,外延技术讲座提要,外延工艺简述,外延的某些关键工艺,几种常见外延炉性能比较,外延工艺及设备的展望,外延技术讲座提要外延工艺简述,1,一、外延工艺简述,1.,外延的含意,Epitaxy,是由希腊词来的表示在上面排列,upon to arrange,。,外延的含意是在衬底上长上一层有一定厚度一定电阻率及一定型号的单晶。,外延是一种单晶生长技术但又不同于拉晶、也不同于一般的,CVD,。,一、外延工艺简述1.外延的含意,2,2.,外延的优点,减少串联电阻,简化隔离技术,消除,CMOS,的可控硅效应,可以根据器件的要求,随心所欲地生长,各种不同型号，不同电阻率和厚度的外延层。,2.外延的优点减少串联电阻,3,CMOS,电路的,latch-up,效应,用重掺衬底加外延可以减小这效应,R,s,R,w,CMOS电路的latch-up效应用重掺衬底加外延可以减,4,3.,外延沉积的原理,1),反应式,SiH,X1,CL,Y,+,X2,H,2,Si+,Y,HCL,2),主要外延生长源,硅源,生长速率,m/m,生长温度,允许含氧量,sicl4,0.4-1.5,1150-1200,5-10ppm,sihcl3,0.4-3,1100-1200,5-10ppm,sih2cl2,0.4-2,1050-1150,5ppm,sih4,0.1-0.3,950-1050,2ppm,（,Y=X1+2X2,）,3.外延沉积的原理1)反应式硅源生长速率m/m生长温度允许,5,4.,外延工艺过程,装片,赶气,升温,恒温,(850,C),烘烤,6,升,温,(1200, ),HCL,腐蚀,赶气,外延沉积,赶气并降温,N2,赶气,(3),取片,4.外延工艺过程装片,6,5.HCL,腐蚀的作用,清洁表面减少缺陷,减少前工艺所引入的损伤，降低和消除晶体缺陷,HCL,的腐蚀量约,0.2-0.4,，我们选用腐蚀速率为,0.06/m,时间,4,约去除,0.24,。,5.HCL腐蚀的作用清洁表面减少缺陷,7,6.,外延掺杂,掺杂源：,N,型：,PH3/H2 AS3/H2 P,型：,B2H6/H2,掺杂方式：,source%=inject%,diluent%=100%-inject%,6.外延掺杂掺杂源：,8,掺杂计算,Test,/,Target,=,DN,Target,/,DN,Test,实际的修正,由于有自掺杂因此实际掺杂量还应减去自掺杂的量,掺杂计算,9,7,.,外延参数测定,晶体缺陷：,层错,位错,滑移线,点缺陷,颗粒,雾,小丘,分析手段：,显微镜、干涉相衬显微镜、,uv,灯 、扫描电镜、表面沾污扫描仪,1),外延表面缺陷的显示和测试,7.外延参数测定1) 外延表面缺陷的显示和测试,10,缺陷的显示,对于,(111),取向：,Sirtl,：,HF,：,5m CrO3=1:1,对于,(100),取向：,Wright,：,a. 45gCrO3+90mlH2O,b.6gCU(NO3)+180mlH2O,c.90mlHNO3+180mlHAC+180mlH,a:b:c=1:1:1,染色腐蚀液：,HF:HNO3:HAC=1:3:7,缺陷的显示对于(111)取向：,11,2),电阻率测试,三探针,: n/n+ p/p+,探针接触电阻大,四探针,: p/n n/p,当在界面有低阻过渡区时测试不准,SRP: n/n+ p/p+ n/p p/n,要求知道衬底型号与取向，否则测试不准,C-V:n/n+ p/p+ n/p p/n,要求严格的表面清洁处理,四探针,srp,2)电阻率测试三探针: n/n+ p/p+,12,Srp,还可测浓度,(,或电阻率,),与结深的关系，可看过渡区宽度，是一个很好的分析测试手段,基区太深使击穿下降,基区结深合理击穿提高,Srp还可测浓度(或电阻率)与结深的关系，可看过渡区宽度，是,13,3),厚度测试,磨角染色再用干涉显微镜测厚度,层错法：,对于,(111) T=0.816L,对于,(100) T=0.707L,红外测厚仪：范围,0.25-200,微米,精度,0.02,微米,滚槽法：,T=(X-Y)/D,Y,x,D,L,L,3)厚度测试 磨角染色再用干涉显微镜测厚度YDLL,14,二、外延的一些关键工艺,1.,外延的图形漂移,pattern shift,-,对于,(111),晶体在与,110,定位面垂直的方向发生图形漂移。,-,产生原因是外延的反应产物,HCL,，择优腐蚀埋层边缘，使埋层图形产生位移。,-,危害性：使光刻无法对准，从而影响电学特性。,-,关键：要知道漂移量，同时要控制各炉子相同。,二、外延的一些关键工艺1.外延的图形漂移pattern sh,15,工艺技术6外延课件,16,外延图形漂移的测定,外延图形漂移的测定,17,用滚槽法测,shift,用滚槽法测shift,18,由于漂移,.,使光刻套准差,.,造成电学性能变差,由于漂移.使光刻套准差.造成电学性能变差,19,案例分析,7800,上下片因温度不均匀造成,shift,不同,引起电学参数不同。,上片漂移小纠偏过头,下片纠偏较正确,案例分析7800上下片因温度不均匀造成shift不同,引,20,2.,图形畸变,Distortion,外延后图形增大或缩小,变模糊,甚之消失。,图形边缘不再锐利。,畸变原因：,主要是,HCL,腐蚀硅片表面，在台阶处，由于取向不同使各方向腐蚀速率不同结果产生畸变。,2.图形畸变Distortion外延后图形增大或缩小,变模糊,21,SHIFT,对称变大,非对称畸变,对称变小,图形消失,SHIFT对称变大非对称畸变对称变小图形消失,22,外延后图形严重畸变,对于,(111),晶片,取向对畸变影响很大,畸变小,畸变严重,外延后图形严重畸变对于(111)晶片,取向对畸变影响很大,23,轻微畸变使图形边缘模糊，使光刻困难,轻微畸变,水平方向变宽，光刻机不能识别,轻微畸变使图形边缘模糊，使光刻困难轻微畸变水平方向变宽，光刻,24,硅源中氯原子的含量上对,shift,的影响,硅源中氯原子的含量上对shift的影响,25,温度对,shift,的影响,温度对shift的影响,26,生长速率对,shift,的影响,生长速率对shift的影响,27,减少畸变和漂移的方法,选用低氯的源。,温度升高畸变减少,降低外延压力,(,采用减压外延,),降低生长速率,(,减少氯含量,),对于,(111),取向偏离,3-4,(,向最近的,110,方向,),增加,H2,流量,减少畸变和漂移的方法选用低氯的源。,28,2.,掺杂与自掺杂,D,总掺杂,=D,掺杂,+D,自掺杂,当,D,自掺量,100,cm,N+,=18-26,cm,掺杂外延：,DN=60cc,陪片,=11,cm N=4.4*10,14,N+,=7,cm N=5.5*10,14,自掺杂量： ,=1.1*10,14,具体案例： 重掺衬底使外延电阻率降低.自掺杂量的,32,不同的加热方式可以产生不同的自掺杂结果,1.,感应加热的特点是基座的温度高于硅片温度，外延过程使基座上的硅向硅片背面转移，使重掺衬底的杂质封住，减少自掺杂。,2.,红外加热的相反：硅片的温度高于基座，外延时硅片背面的硅和杂质原子在向基座转移过程中跑出来形成自掺杂。,所以红外加热要比感应加热自掺杂要严重，过渡区也差一些,T2 T3 T4,基座温度,T1,T1T2T3T4,感应加热,不同的加热方式可以产生不同的自掺杂结果1.感应加热的特点是基,33,外延的过渡区,1),过渡区的定义：,在外延与衬底界面,外延电阻率差二个,数量级,2),过渡区宽度对器件的影,响：过渡区小,-,好,3),影响过渡区的因素：,a,衬底外扩散,b,自掺杂,c,外延主掺杂,c b a,外延的过渡区 1) 过渡区的定义： c b a,34,以,P/P+,为例减少自掺杂的试验,外延条件 外延结果,1.,衬底电阻率,0.01,CM,40,CM,0.023 95,2.,予烘烤问题,1220,C 95,1200 85,1180 65,3.,沉积速率,1.5/M 90,1.0 75,0.5 36,4.,沉积温度,1060C 95,1080 50,1100 6,5.,背封,1 SIO2 150,以P/P+为例减少自掺杂的试验,35,减少自掺杂的方法,背封,掺,sb,的衬底比掺,As,的自掺杂小,不同外延炉自掺杂不同,减压外延,采用大量的,H2,赶气，可减少自掺杂,采用二步法外延,减少自掺杂的方法背封,36,3.,外延表面缺陷,常见缺陷有：层错、位错、滑移线、雾、小丘、桔皮状、边缘凸起、表面颗粒等,造成原因：,表面有损伤层，易产生层错,与,(111),取向偏离小于,0.5,，易产生乳凸状小丘,硅片受热不均匀，易产生滑移线,外延系统漏气易产生白雾,硅片表面不洁，或反应室脏易产生颗粒,3.外延表面缺陷常见缺陷有：层错、位错、滑移线、雾、小丘、桔,37,1),层错,产生原因：衬底,表面有损伤，或,不干净,减少层错的方法：,用,HCL,腐蚀衬底,表面去除损伤层,及清洁硅片表面,1)层错产生原因：衬底,38,表面颗粒,:,与外延系统及衬底的清洁度有关，下图是用表面沾污仪测试结果,表面颗粒:与外延系统及衬底的清洁度有关，下图是用表面沾污,39,表面呈乳凸状小丘：产生原因与衬底取向有关，与,(111),取向偏离小于,1,表面呈乳凸状小丘：产生原因与衬底取向有关，与(111)取向偏,40,(,111),硅片的滑移线,(111)硅片的滑移线,41,滑移线,产生原因,：,硅片在热处理过程中，,受热不均匀，,在,1200C,当中心和边缘的温差，,大于,25,C,时，其屈应,力大于,1000PSI,，易,产生滑移线，它会严,重地影响成品率。感应,加热及大直径硅片温差,大，易产生滑移线。,滑移线产生原因：,42,外延后埋层图形变粗糙,与外延的气氛及埋尽的表面状变有关,外延后埋层图形变粗糙与外延的气氛及埋尽的表面状变有关,43,外延系统有轻微漏气外延后有轻微白雾,下图是经铬酸腐蚀后看到的层错和雾,外延系统有轻微漏气外延后有轻微白雾下图是经铬酸腐蚀后看到的,44,类似三角形缺陷,原因：表面氧化层没去净,类似三角形缺陷原因：表面氧化层没去净,45,4.,减压外延,1.,减少外延自掺杂减少过渡区宽区,2.,减少图形漂移和畸变,衬底,滞留层,对流层,减压外延使滞留层减薄,大部分杂质进入对流层带走,减压,4.减压外延1.减少外延自掺杂减少过渡区宽区衬底滞留层对流层,46,压力与过渡区的关系,压力与过渡区的关系,47,压力对图形漂移的影响,压力对图形漂移的影响,48,压力与过渡区宽度,压力与过渡区宽度,49,三,.,外延设备简介,1.,按结构分类,卧式炉 立式炉,筒式炉 大直径硅片外延炉,2.,按加热方式分类,红外加热 ： 硅片温度高于基座不易产生滑移线,高频加热 ： 基座温度高于硅片,硅片和基座 温差大,45,C,易产生滑移线， 但自掺杂少。硅片背面易长多晶。,中低频加热 ：基座温度高于硅片硅片和基座 温差大,25,C,易产生滑移线， 但自掺杂少。片子背面易长多晶。,三.外延设备简介1.按结构分类,50,不同外延炉的结构,不同外延炉的结构,51,当前常见几种外延炉优缺点比较,1.,四类常见外延炉：,红外加热：,AMC7700 7810 MTC7700K,高频 感应加热：,gemini2(180khz),低频感应加热：,LPE2061S (4khz),EPI PRO5000(25khz),大直径硅片外延炉：,ASM epsilon AMC centrura LPE3061,当前常见几种外延炉优缺点比较1.四类常见外延炉：,52,AMC7810,AMC7810,53,工艺技术6外延课件,54,工艺技术6外延课件,55,工艺技术6外延课件,56,工艺技术6外延课件,57,2.,各类外延炉的优缺点,1),平板型立式炉,:Epi pro5000(gemini-4),低频加热：自掺杂少，硅片热应力较大易产生滑移线,石英喷头：比金属喷头沾污少。,双反应室：提高炉子利用率，可以紧靠排放占地面积小，生产能力强,6” 500,片,/,日,最大优点：自掺杂少、占地小、产能大,缺点：滑移线难避免、耗气量大、背面粗糙,2.各类外延炉的优缺点1)平板型立式炉:Epi pro500,58,2),筒式中低频加热,LPE2061S,中低频感应加热、感应线圈采用专利的双向加热方式，使片子与基座的温差更小,双反应室，加上使用,IGBT,作为加热发生器使二个反应室利用率更高，同时它比红外灯管的寿命长，成本低,O-,型圈在钟罩的下面可减少颗粒，提高表面质量,基座和钟罩经特殊设计利用率高，产能大、气流模型好，基座钟罩间的间距小，赶气时间短,自掺杂小过渡区窄、可做高阻厚外延,缺点：易产生滑移浅，影响成品率，背面粗草,2)筒式中低频加热LPE2061S中低频感应加热、感应线圈采,59,工艺技术6外延课件,60,红外加热的筒式外延炉,AMC MTC,红外灯加热：,T,片,T,基座,滑移线少,但自掺杂严重,片子立放表面好,生产量大，设备小,只有单反应室所以利用率低,MTC,公司在,AMC78XX,的基础上把炉体加大基座加大，温度由,3,段控制改成,8,段控制使产能提高了的,50%,均匀性由,5%,提高到,3%,该炉子特别适合于电路片的生产，由于不易产生滑移线所以成品率也相对较高，背面较好。,缺点是自掺杂严重不利于做重掺衬底的高阻外延，另外过渡区宽度较大，对器件不利。,红外加热的筒式外延炉AMC MTC红外灯加热：T片T基座,61,各炉子性能比较,各炉子性能比较,62,大直径硅片外延炉,典型代表,：,ASMEpsilon AMC Centrura,LPE 3061 MTC308,工艺特点：,1.,均匀性好、自掺杂小、过渡区小、明显地优于多片式炉子。,2.,装卸硅片从片盒到片盒，表面颗粒少。,3.,产能，,10”,ASM epsilon-2,1,1,1,AMC centrura,三反应室,1*3,1*3,1*3,MTC,308,6,3,1,LPE 3061,8,5,各大直径硅片外延炉的生产能力6”8”10”ASM e,66,-,g-2,7810,7700,E-2,-g-278107700E-2,67,单片外延炉的一些优点,单片外延炉的一些优点,68,外延工艺及设备的展望,向超薄外延层发展：浅结薄外延，低温低压外延。,向,CMOS,发展，大直径硅外延,向电力电子大功率高反压发展：高阻厚外延、多层外延等,为减少串联电阻,采用重掺砷磷衬底,10,-3,所以减少自掺杂，减少过渡区宽度将是工艺和设备的重要内容,SOI,外延,GeSi,外延提高器件性能,外延工艺及设备的展望向超薄外延层发展：浅结薄外延，低温低压外,69,补充,铁离子沾污的控制：,1),金属离子沾污对器件的影响：,a.,使横向管放大系数减小,b.,使功率器件漏电增加，可靠性变差,2),测试金属离子沾污的方法：,SPV(sufece photovoltage),测试要求：铁离子浓度,350,s,3),产生金属离子沾污的可能原因,衬底及清洗引入沾污、,H2,中含水量高使,HCL,变成盐酸，腐蚀管路造或沾污所以,H2,含水量应小于,50ppb,、反应室有沾污例如感应线圈锈蚀等,补充铁离子沾污的控制：,70,例如感应线圈下面有锈可能造成铁离子沾污铁,例如感应线圈下面有锈可能造成铁离子沾污铁,71,