外延工艺简介

单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,Company Confidential,*,Do Not Copy,HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO.,LTD,诚信 忍耐 探索 热情,Faith Endurance Exploration Enthusiasm,外延工艺,简,简介,By,赵仲镛,杭州士兰,集,集成电路,有,有限公司,杭州经济,技,技术开发,东,东区10,号,号路308号,HangzhouSilan Integrated Circuit Co.,Ltd。,308,No.10Road,East HETZ,Hangzhou,Zhejiang,China 310018,2005.08.05,CompanyConfidential,1,1,什么叫外,延,延生长？,硅外延的,基,基本原理,外延设备,及,及所用的,气,气体,在外延中,应,应注意的,问,问题,外延层中,的,的晶体缺,陷,陷,外延的质,量,量表征因,子,子,外延层测,试,试设备,目前国内,外,外延的动,态,态,从事外延,工,工作人员,应,应具备的,基,基本素质,：,：敬业精,神,神、一丝,不,不苟的工,作,作态度、,质,质量意识,和,和安全意,识,识。,CompanyConfidential,2,2,什么叫外,延,延？,外延Epitaxy这个词,来,来源于希,腊,腊字epi,意思,是,是“之,上,上”。这,样,样选定的,词,词对外延,提,提供了一,个,个恰当的,描,描写。一,个,个含有硅,原,原子的气,体,体以适当,的,的方式通,过,过衬底，,自,自反应剂,分,分子释放,出,出的原子,在,在衬底上,运,运动直到,它,它们到达,适,适当的位,置,置，并成,为,为生长源,的,的一部分,，,，在适当,的,的条件下,就,就得到单,一,一的晶向,。,。所得到,的,的外延层,精,精确地为,单,单晶衬底,的,的延续。,硅外延生,长,长其意义,是,是在具有,一,一定晶向,的,的硅单晶,衬,衬底上生,长,长一层具,有,有和衬底,相,相同晶向,的,的电阻率,与,与厚度不,同,同的晶格,结,结构完整,性,性好的晶,体,体。,半导体分,立,立元器件,和,和集成电,路,路制造工,艺,艺需要外,延,延生长技,术,术，因半,导,导体其中,所,所含的杂,质,质有N型,和,和P型，,通,通过不同,类,类型的组,合,合，使半,导,导体器件,和,和集成电,路,路具有各,种,种各样的,功,功能，应,用,用外延生,长,长技术就,能,能容易地,实,实现。,硅外延生,长,长方法，,目,目前国际,上,上广泛的,采,采用化学,气,气相沉积,生,生长方法,满,满足晶体,的,的完整性,、,、器件结,构,构的多样,化,化，装置,可,可控简便,，,，批量生,产,产、纯度,的,的保证、,均,均匀性要,求,求。,CompanyConfidential,3,3,硅外延的,基,基本原理:,硅的化学气,相,相沉积外延,生,生长其原理,是,是在高温（,1100,）的衬底,上,上输送硅的,化,化合物（SiHCl3,或,或SiCl4或SiH2Cl2等,）,）利用氢（H2）在衬,底,底上通过还,原,原反应析出,硅,硅的方法。,同时外延生,长,长的重要特,征,征之一是可,以,以用任意浓,度,度和导电类,型,型的硅衬底,上,上人为的故,意,意地进行掺,杂,杂，以满足,器,器件花样众,多,多的要求。,气相外延生,长,长过程包括,：,：,（1）反应,剂,剂（SiCl4或SiHCl3+H2）气体,混,混合物质量,转,转移到衬底,表,表面；,（2）吸收,反,反应剂分子,在,在表面上（,反,反应物分子,穿,穿过附面层,向,向衬底表面,迁,迁移）；,（3）在表,面,面上进行反,应,应或一系列,反,反应；,（4）释放,出,出副产物分,子,子；,（5）副产,物,物分子向主,气,气流质量转,移,移；（排外,）,）,（6）原子,加,加接到生长,阶,阶梯上。,Company Confidential,4,4,氯硅烷还原,法,法的特点在,于,于它是一个,吸,吸热过程,该,该反应需要,在,在高温,下才能发生,。,。这些反应,是,是可逆的，,其,其可逆的程,度,度随氯硅烷,中,中氯(Cl),的含量的增,加,加而增加。,同,同时，氯的,含,含量决定了,外,外延生长温,度,度范围。,外延生长温,度,度随硅源中,氯,氯（Cl),含,含量的增加,而,而增加。,同时我们应,知,知道，硅片,表,表面是硅单,晶,晶体的一个,断,断面，有一,层,层或,多层原子的,键,键被打开，,这,这些不饱和,键,键处于不稳,定,定状态，极,易,易吸附,周围,环,环境,中,中的,原,原子,和,和分,子,子，,此,此现,象,象称,为,为“,吸,吸附,”,”。,吸,吸附,在,在硅,片,片表,面的,杂,杂质,粒,粒子,在,在其,平,平衡,位,位置,附,附近,不,不停,地,地做,热,热运,动,动，,有,有的,杂,杂质,离,离子,获得,了,了较,大,大的,动,动能,，,，脱,离,离硅,片,片表,面,面，,重,重新,回,回到,周,周围,环,环境,中,中，,此,此现,象称,为,为“,解,解吸,”,”。,而,而同,时,时介,质,质中,的,的另,一,一些,粒,粒子,又,又被,重,重新,吸,吸附,，,，即,硅,硅,片表,面,面层,吸,吸附,的,的杂,质,质粒,子,子处,于,于动,平,平衡,状,状态,。,。,对硅,片,片而,言,言,吸,吸附,放,放热,解,解吸,吸,吸热,。,。,按照,被,被吸,附,附的,物,物质,的,的存,在,在状,态,态，,吸,吸附,在,在硅,片,片表,面,面的,杂,杂质,可,可分,为,为：,分子,型,型，,离,离子,型,型和,原,原子,型,型三,种,种。,CompanyConfidential,5,5,外延,生,生长,掺,掺杂,原,原理,为了,使,使半,导,导体,器,器件,得,得到,所,所需,要,要求,的,的电,参,参数,，,，用P型,或,或N,型,型杂,质,质对,外延,层,层进,行,行掺,杂,杂是,必,必要,的,的。,器,器件,的,的效,果,果取,决,决于,掺,掺杂,浓,浓度,的,的准,确,确控,制和,掺,掺杂,剂,剂浓,度,度沿,外,外延,层,层的,纵,纵向,分,分布,。,。,外延,层,层中,的,的杂,质,质原,子,子是,在,在生,长,长过,程,程中,被,被结,合,合到,外,外延,层,层的,晶,晶格,中。,杂,杂质,的,的沉,淀,淀过,程,程与,外,外延,生,生长,过,过程,相,相似,，,，也,存,存在,质,质量,传,传输,和,和表,面化,学,学反,应,应控,制,制两,个,个区,域,域.,但,但杂,质,质源,和,和硅,源,源的,化,化学,动,动力,学,学不,同,同,情,情况,更为,复,复杂,。,。杂,质,质的,掺,掺入,效,效率,不,不但,依,依赖,于,于生,长,长温,度,度,同,同时,每,每种,掺,掺杂,剂,剂,都有,其,其自,身,身的,特,特征,。,。一,般,般情,况,况下,硅,的,的生,长,长速,率,率相,对,对稳,定,定。,硼,硼的,掺,掺,入量,随,随生,长,长温,度,度上,升,升而,增,增加,，,，而,磷,磷和,砷,砷却,随,随生,长,长温,度,度的,生,生长,温,温度,的上,升,升而,下,下降(见,图,图1)。,CompanyConfidential,6,6,10,17,10,18,10,16,1100,1200,1300,B2H,6,PH,3,AsH,3,T(),掺杂浓度(原子/cm,3),(图1)硅外延中掺杂剂的掺入系数,与生长温度就之间的函数,外延,Xat,X,j,C,f,(x),C,at,(x),气相自掺杂,系统自掺杂,无自掺杂,掺杂浓度,距表,面,面深,度,度,(图3),掺,掺,杂,杂浓,度,度与,距,距外,延,延表,面,面深,度,度之,间,间,的关,系,系曲,线,线示,意,意图.这,种,种阶,梯,梯式,的,的,分布,是,是自,掺,掺杂,和,和外,扩,扩散,不,不发,生,生的,理想,情,情况.该,弯,弯曲,分,分布,是,是由,于,于不,均,均,匀掺,杂,杂杂,质,质所,导,导致,的,的实,际,际情,况,况,CompanyConfidential,7,7,另外，衬,底,底的取向,能,能够影响,杂,杂质的掺,入,入数量。,掺,掺杂剂的,掺,掺入行为,还,还受生长,速,速率的影,响,响，以砷(As),为,为例，一,般,般生长速,率,率快，掺,入,入行为降,低,低。而磷(P)掺,杂,杂浓度变,化,化在不同,生,生长速率,下,下是不同,的,的，在10,16,/cm,3,浓度，生,长,长速率0.1um/min,生长温,度,度11001200有,上,上升趋势,（见图,）,生长速率,也,也影响杂,质,质的再分,布,布，图形,漂移和图,形,形畸变。,生,生长速率0.1um/min,增加0.5um/min时,，,，杂质自,掺,掺杂减少,。,。杂,质外扩散,也,也随生长,速,速率的增,加,加而减少,。,。反,之，图,形,形漂移,则,则随生,长,长速率,的,的增加,而,而增加,。,。,混合气,流,流的流,速,速也影,响,响外延,层,层的均,匀,匀性，,低流速,可,可以产,生,生较差,的,的均匀,性,性。,1000,1100,1200,10,16,/cm,3,1.2um/min,0.6um/min,0.1um/min,图2,Company Confidential,8,8,在P型外延,生,生长中,我,们,们应该认识,重,重掺硼(B)有其特点,。,。硼(B),原,原子质量很,小,小，值为10.81，,而,而磷(P),为,为30.9,、,、砷(As)为74，,锑,锑(Sb),为,为121。,因为硼(B)很轻，半,径,径小，因自,由,由程大在流,动,动气体中相,对,对扩散距离,大,大(相对于P、As、Sb)。而,它,它更容易到,达,达反应器壁,、,、石墨基座,、,、石英件等,表,表面，而被,大,大量吸附，,成,成为外延生,长,长的掺杂源,。,。而P、As、Sb运,动,动距离小，,易,易被气流带,出,出反应室外,，,，所以重掺,硼,硼(B)P,型,型衬底自掺,杂,杂效应严重,难,难控制。,CompanyConfidential,9,9,外延设备,及,及所用的,气,气体：,化学气相,外,外延生长,使,使用的设,备,备装置通,常,常称谓外,延,延生长反,应,应炉。一,般,般主要由,气,气相控制,系,系统、电,子,子控制系,统,统、反应,炉,炉主体、,排,排气系统,四,四部分组,成,成。,反应炉炉,体,体它是在,高,高纯石英,钟,钟罩中悬,挂,挂着一个,多,多边锥状,桶,桶式经过,特,特殊处理,的,的高纯石,墨,墨基座。,基,基座上放,置,置硅片，,利,利用红外,灯,灯快速均,匀,匀加热。,九,九段温控,、,、中心轴,可,可以旋转,，,，进行严,格,格双密封,的,的耐热防,爆,爆结构。,电源系统,：,：独立电,源,源线、3,相,相4线、50Hz,、,、350A,气体控制,系,系统：高,精,精度的质,量,量流量计,、,、传动器,气,气动阀控,制,制，无泄,露,露、耐腐,蚀,蚀的EP,管,管、氢（H2）检,漏,漏、报警,系,系统,冷却系统,：,：足够的,水,水冷循环,系,系统和风,冷,冷循环系,统,统,控制系统,：,：微机程,序,序控制、,联,联锁方法,，,，安全可,靠,靠,炉体：石,英,英钟罩、,石,石英环、,石,石英吊杆,、,、护套、,双,双密封泵,、,、高纯石,墨,墨基座,温度控制,系,系统：独,特,特的红外,灯,灯辐射加,热,热、9段,温,温控，均,匀,匀快速加,热,热，可调,CompanyConfidential,10,10,硅外延生,长,长装置的,方,方框图：,CompanyConfidential,11,11,CompanyConfidential,12,12,CompanyConfidential,13,13,CompanyCon