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【兆恒機(jī)械】半導(dǎo)體工藝之氣相外延

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  • 添加日期:2021年07月13日

在半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中,氣相外延發(fā)揮了重要作用,該技術(shù)已廣泛用于Si半導(dǎo)體器件和集成電路的工業(yè)化生產(chǎn)。

硅的外延生長(zhǎng)

一個(gè)含有硅原子的氣體以適當(dāng)?shù)姆绞酵ㄟ^(guò)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?,并成為生長(zhǎng)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)。

它是在一定條件下,在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上,生長(zhǎng)一層合乎要求的單晶層的方法。

硅外延生長(zhǎng)其意義是在具有一定晶向的硅單晶襯底上生長(zhǎng)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(zhǎng)技術(shù),因半導(dǎo)體其中所含的雜質(zhì)有N型和P型,通過(guò)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(zhǎng)技術(shù)就能容易地實(shí)現(xiàn)。

硅外延生長(zhǎng)方法,又可分為氣相外延、液相外延、固相外延。目前國(guó)際上廣泛的采用化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)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(jiǎn)便,批量生產(chǎn)、純度的保證、均勻性要求。

外延生長(zhǎng)的特點(diǎn):

(1)低(高)阻襯底上外延生長(zhǎng)高(低)阻外延層;

(2)P(N)型襯底上外延生長(zhǎng)N(P)型外延層;

(3)與掩膜技術(shù)結(jié)合,在指定的區(qū)域進(jìn)行選擇外延生長(zhǎng);

(4)外延生長(zhǎng)過(guò)程中根據(jù)需要改變摻雜的種類及濃度;

(5)生長(zhǎng)異質(zhì),多層,多組分化合物且組分可變的超薄層;

(6)實(shí)現(xiàn)原子級(jí)尺寸厚度的控制;

(7)生長(zhǎng)不能拉制單晶的材料;

氣相外延生長(zhǎng)

氣相硅外延生長(zhǎng)是在高溫下使揮發(fā)性強(qiáng)的硅源與氫氣發(fā)生反應(yīng)或熱解,生成的硅原子淀積在硅襯底上長(zhǎng)成外延層。

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通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCL4。SiHCl3和SiCl4常溫下是液體,外延生長(zhǎng)溫度高,但生長(zhǎng)速度快,易提純,使用安全,所以它們是較通用的硅源。早期多使用SiCl4,近來(lái)使用SiHCl3和SiH2Cl2逐漸增多。

SiH2Cl2在常溫下是氣體,使用方便并且反應(yīng)溫度低,是近年來(lái)逐漸擴(kuò)大使用的硅源。SiH4也是氣體,硅烷外延的特點(diǎn)是反應(yīng)溫度低,無(wú)腐蝕性氣體,可得到雜質(zhì)分布陡峭的外延層,

缺點(diǎn):

1、要求生長(zhǎng)系統(tǒng)具有良好的氣密性,否則會(huì)因漏氣而產(chǎn)生大量的外延缺陷。

2、SiH4在高溫和高濃度下易發(fā)生氣相分解而生成粉末狀硅使外延無(wú)法進(jìn)行。

 

對(duì)襯底的要求

 

在硅外延中使用的硅襯底是經(jīng)過(guò)切、磨、拋等工藝仔細(xì)加工而成的,外延生長(zhǎng)前又經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的清洗、烘干,但表面上仍殘存有損傷、污染物及氧化物等。

為了提高外延層的完整性,在外延生長(zhǎng)前應(yīng)在反應(yīng)室中進(jìn)行原位化學(xué)腐蝕拋光,以獲得潔凈的硅表面。常用的化學(xué)腐蝕劑為干燥的HCl或HBr,在使SiH4外延生長(zhǎng)時(shí),由于SF6具有無(wú)毒和非選擇、低溫腐蝕特點(diǎn),所以可用它做腐蝕拋光劑。為了控制外延層的電特性,通常使用液相或氣相摻雜法。作為N型摻雜劑的有PCl3,PH3和AsCl3,而作為P型摻雜劑的有BCl3、BBr3和B2H6等。

氣相外延生長(zhǎng)過(guò)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(guò)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(zhǎng)階梯上。

 

外延設(shè)備及所用的氣體

 

化學(xué)氣相外延生長(zhǎng)使用的設(shè)備裝置通常稱謂外延生長(zhǎng)反應(yīng)爐。一般主要由氣相控制系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、反應(yīng)爐主體、排氣系統(tǒng)四部分組成。

根據(jù)反應(yīng)室的結(jié)構(gòu),硅外延生長(zhǎng)系統(tǒng)有水平式和立式兩種,前者已很少使用,后者又分為平板式和桶式。立式外延爐,外延生長(zhǎng)時(shí)基座不斷轉(zhuǎn)動(dòng),故均勻性好、生產(chǎn)量大。  

由于SiCl4等硅源的氫還原及SiH4的熱分解反應(yīng)的△H為正值,即提高溫度有利于硅的淀積,因此反應(yīng)器需要加熱,加熱方式主要有高頻感應(yīng)加熱和紅外輻射加熱。通常在石英或不銹鋼反應(yīng)室內(nèi)放有高純石墨制的安放硅襯底的基座,為了保證硅外延層質(zhì)量,石墨基座表面包覆著SiC或沉積多晶硅膜。

反應(yīng)爐爐體它是在高純石英鐘罩中懸掛著一個(gè)多邊錐狀桶式經(jīng)過(guò)特殊處理的高純石墨基座。基座上放置硅片,利用紅外燈快速均勻加熱。九段溫控、中心軸可以旋轉(zhuǎn),進(jìn)行嚴(yán)格雙密封的耐熱防爆結(jié)構(gòu)。

電源系統(tǒng):獨(dú)立電源線、3相4線、50Hz、350A

氣體控制系統(tǒng):高精度的質(zhì)量流量計(jì)、傳動(dòng)器氣動(dòng)閥控制,無(wú)泄露、耐腐蝕的EP管、氫(H2)檢漏、報(bào)警系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng):足夠的水冷循環(huán)系統(tǒng)和風(fēng)冷循環(huán)系統(tǒng)

控制系統(tǒng):微機(jī)程序控制、聯(lián)鎖方法,安全可靠

爐體:石英鐘罩、石英環(huán)、石英吊桿、護(hù)套、雙密封泵、高純石墨基座

溫度控制系統(tǒng):獨(dú)特的紅外燈輻射加熱、9段溫控,均勻快速加熱,可調(diào)

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氣相外延爐

 

硅外延生長(zhǎng)基本工藝

 

工藝流程

  • ?單晶定向后,用內(nèi)(外)圓/線切割機(jī)切成厚度為400~550 mm的薄片;

  • ?磨片機(jī)上用金剛砂磨平(倒角)后,再用SiO2膠體溶液拋光成鏡面,制成襯底;?清洗甩(烘)干后,放在基座上;

  • ?封閉反應(yīng)室通高純H2排除反應(yīng)室中的空氣;

    ?

  • 啟動(dòng)加熱系統(tǒng),調(diào)整溫度到所需溫度。?

  • 反應(yīng)所需的氫氣經(jīng)凈化器提純, 一路通反應(yīng)室,另一路通硅源容器, 攜帶硅源入反應(yīng)室。

  • ?生長(zhǎng)前用干燥的HCl或Br(HBr)在高溫下對(duì)襯底進(jìn)行氣相拋光處理;

  • ?調(diào)整反應(yīng)室溫度至生長(zhǎng)溫度,按需要通入硅源和氫氣進(jìn)行硅外延生長(zhǎng);

  • ?按實(shí)驗(yàn)求得的生長(zhǎng)速率和所需要的外延層厚度來(lái)確定生長(zhǎng)時(shí)間;

  • ?生長(zhǎng)結(jié)束時(shí),停止通硅源,但繼續(xù)通氫氣并降溫至室溫,取出外延片進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。

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硅外延生長(zhǎng)的基本原理和影響因素

 

以SiCl4源介紹其生長(zhǎng)原理及影響因素。

SiCl4氫還原的基本反應(yīng)方程:  

SiCl4+2H2  =  Si+4HCl

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影響因素

1.SiCl4濃度對(duì)生長(zhǎng)率的影響

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2.溫度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響

溫度較低時(shí),生長(zhǎng)速率隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律上升

較高溫度區(qū),生長(zhǎng)速率隨溫度變化較平緩。

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3.氣流速度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響

反應(yīng)物濃度和生長(zhǎng)溫度一定時(shí),水平式反應(yīng)器中的生長(zhǎng)速率與總氫氣流速的平方根成正比。

立式反應(yīng)器,流速較低時(shí)生長(zhǎng)速度與總氫氣流速平方根成比例;

流速超過(guò)一定值后,生長(zhǎng)速率達(dá)到穩(wěn)定的極限值而不再增加。

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4.襯底晶向的影響

常壓外延生長(zhǎng)條件下(SiCl4+H2源,生長(zhǎng)溫度T=1280℃,SiCl4濃度0.1%)

晶向

〈100〉

〈110〉

〈111〉

生長(zhǎng)速度μm/min

1.65

1.52

1.39

注意:偏離〈111〉晶向不同角度的襯底相應(yīng)有一個(gè)最大允許生長(zhǎng)速率(臨界生長(zhǎng)速度),超過(guò)此速率生長(zhǎng)外延層時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺陷。

 

硅外延層電阻率的控制

 

不同器件對(duì)外延層的電參數(shù)要求不同。

1  外延層中的雜質(zhì)及摻雜

1.1外延層中雜質(zhì)來(lái)源

外延層中總的載流子濃度N總可表示為

N總=N襯底±N氣±N鄰片±N擴(kuò)散±N基座±N系統(tǒng)

正負(fù)號(hào)由雜質(zhì)類型決定,與襯底中雜質(zhì)同類型取正號(hào),與襯底中雜質(zhì)反型取負(fù)號(hào)。

雜質(zhì)不是來(lái)源于襯底片稱為外摻雜。

如:N氣、N基座、N系統(tǒng)

雜質(zhì)來(lái)源于襯底片,稱為自摻雜。

如:N擴(kuò)散、N襯底、N鄰片

結(jié)論:盡管外延層中的雜質(zhì)來(lái)源于各方面,但決定外延層電阻率的主要原因還是人為控制的摻雜劑的多少;即N氣起主導(dǎo)作用。

1.2外延生長(zhǎng)的摻雜

N型摻雜劑:PCl3、AsCl3、SbCl3和AsH3;

P型摻雜劑:BCl3、BBr3、B2H6。

SiCl4為源,鹵化物作摻雜劑,使用兩個(gè)SiCl4揮發(fā)器。

調(diào)節(jié)揮發(fā)器的氫氣流量和溫度,控制外延片的電阻率。

AsH3、B2H6等氫化物摻雜劑,純H2將它們稀釋后裝鋼瓶,控制它和通過(guò)SiCl4揮發(fā)器的H2流量調(diào)整外延層的電阻率。

SiH4為源, 摻雜劑使用AsH3、B2H6。

高阻P型外延層,常用低阻P型襯底自摻雜效應(yīng)實(shí)現(xiàn)摻雜。

2  外延中雜質(zhì)的再分布

希望外延層和襯底界面處的摻雜濃度很陡;

襯底中的雜質(zhì)會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入外延層,致使外延層和襯底之間界面處的雜質(zhì)濃度梯度變平。

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N1(x,t):重?fù)诫s襯底擴(kuò)散造成的雜質(zhì)濃度分布;

N2(x,t):外部摻入的雜質(zhì)濃度分布曲線。

總的雜質(zhì)濃度

      N(x,t)=N1(x,t)±N2(x,t)

3   外延層生長(zhǎng)中的自摻雜

自摻雜效應(yīng):襯底中的雜質(zhì)進(jìn)入氣相中再摻入外延層。

自摻雜造成的影響:

外延層電阻率的控制受到干擾;

襯底外延層界面處雜質(zhì)分布變緩;

器件特性偏離,可靠性降低;

妨礙雙極型集成電路提高速度和微波器件提高頻率。

抑制自摻雜的方法:

1.盡量減少雜質(zhì)由襯底逸出。

(1)使用蒸發(fā)速度較小的雜質(zhì)做襯底和埋層中的雜質(zhì)。

(2)外延生長(zhǎng)前高溫加熱襯底。

(3)背面封閉技術(shù)。

(4)采用低溫外延技術(shù)和不含有鹵原子的硅源。

(5)二段外延生長(zhǎng)技術(shù)。

2. 減壓生長(zhǎng)技術(shù), 使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)盡量不再進(jìn)入外延層。

4  外延層的夾層

外延層的夾層:外延層和襯底界面附近出現(xiàn)高阻層或反型層。

兩種類型:

(1)導(dǎo)電類型混亂,擊穿圖形異常,用磨角染色法觀察,界面不清晰;

(2)導(dǎo)電類型異常,染色觀察會(huì)看到一條清晰的帶。

夾層產(chǎn)生的原因:

(1)P型雜質(zhì)沾污,造成N型外延層被高度補(bǔ)償;

(2)襯底中基硼的含量大于3×1016cm-3時(shí),外延層容易出現(xiàn)夾層。

防止夾層出現(xiàn)的方法:

(1)提高重?fù)絾尉з|(zhì)量,絕不能用復(fù)拉料或反型料拉重?fù)絾尉В?/span>

(2)工藝中防止引入P型雜質(zhì),降低單晶中B的含量,

(3)外延生長(zhǎng)時(shí)先長(zhǎng)一層N型低阻層(如0.1W×cm)作為過(guò)渡層,可控制夾層。

由于硅單晶質(zhì)量和外延生長(zhǎng)技術(shù)水平的提高,夾層已很少出現(xiàn)。

 

硅外延層的缺陷

 

外延片中的缺陷分兩類:

(1)表面缺陷(宏觀缺陷)。如云霧、劃道、亮點(diǎn)、塌邊、角錐、滑移線等。

(2)內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷(微觀缺陷)。如:層錯(cuò)、位錯(cuò)等。

1  外延片的表面缺陷

1.1云霧狀表面

表面呈乳白色條紋,肉眼即可看到。

起因:氫氣純度低,H2O過(guò)多或氣相拋光濃度過(guò)大,生長(zhǎng)溫度太低。

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霧狀表面缺陷①霧圈 ②白霧 ③殘跡 ④花霧

1.2角錐體(三角錐或乳突)

形狀象沙丘,用肉眼可看見(jiàn)。

防止角錐體產(chǎn)生采取的措施:

①選擇與(111)面朝〈110〉偏離3~4°的晶向切片,提高臨界生長(zhǎng)速度;

②降低生長(zhǎng)速度;

③防止塵埃及碳化物沾污,注意清潔等。

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角錐體

1.3亮點(diǎn)

外形為烏黑發(fā)亮的小圓點(diǎn)。 40~60倍顯微鏡下呈發(fā)亮的小突起。

大者為多晶點(diǎn),可因系統(tǒng)沾污,反應(yīng)室硅粉,SiO2粒脫落,氣相拋光不當(dāng)或襯底裝入反應(yīng)室前表面有飄落的灰塵等引起。

細(xì)小的亮點(diǎn)多半由襯底拋光不充分或清洗不干凈造成。

1.4塌邊(取向平面)

外延生長(zhǎng)后片子邊緣部分比中間部分低,形成一圈或一部分寬1~2mm左右的斜平面,是無(wú)缺陷的完整的(111)面。

形成塌邊的原因:襯底加工時(shí)造成片邊磨損而偏離襯底片晶向。

如傾斜面為(111)面,在外延時(shí)它會(huì)擴(kuò)展而長(zhǎng)成(111)取向小平面。

1.5劃痕

一般由機(jī)械損傷引起,用鉻酸腐蝕液腐蝕時(shí)會(huì)在其兩旁出現(xiàn)成行排列的層錯(cuò)。

1.6星形線(滑移線)

外延層表面出現(xiàn)平行的或順〈110〉方向伸展的線條,高低不平肉眼可見(jiàn)。

鉻酸腐蝕液腐蝕后在線的一側(cè)出現(xiàn)位錯(cuò)排。

起因:與硅片在加熱過(guò)程中受到的熱應(yīng)力有關(guān),采用襯底邊緣倒角的辦法來(lái)消除。

2   外延層的內(nèi)部缺陷

2.1層錯(cuò)

硅外延生長(zhǎng)時(shí),外延層常常含有大量的層錯(cuò)。

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外延層層錯(cuò)形貌分為單線、開(kāi)口、正三角形、套疊三角形和其他組態(tài)。

2.2位錯(cuò)

處理好的襯底上用正常方法生長(zhǎng)的外延層中,位錯(cuò)密度大致與襯底的位錯(cuò)密度相近或稍少一些。

基座上溫度分布不好,片子直徑又大,片子內(nèi)將形成一個(gè)溫度梯度,摻雜或異質(zhì)外延時(shí)引入位錯(cuò)。

3  微缺陷

微缺陷:硅外延層經(jīng)鉻酸腐蝕液腐蝕后呈現(xiàn)淺三角坑或丘狀物的缺陷,宏觀看是一種“霧狀”或“漬狀”。

起因:多種雜質(zhì)沾污引起,F(xiàn)e、Ni等影響最大。

Fe的濃度達(dá)到1015cm-3時(shí),明顯地產(chǎn)生這種云霧狀缺陷。

消除方法:工藝中注意基座及工具的清潔處理,應(yīng)用“吸雜技術(shù)”。