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1、分类号；z f 碰密级：拙蜜孑，rU D C：学号：Q 鲤1 5 2东南大学工程硕士学位论文硅外延片生产工艺技术研究研究生姓名：高溘导师姓名：啦垄送熬攫申请学位级别亟学科专业名称徽皇王堂刍固佳电壬堂论文提交日期2 Q Q 皇生目】a 目论文答辩日期窒Q Q 3 生】2 目2 Q 目学位授予单位峦直太堂学位授予日期答辩委员会主席茳亟熟评阗人丛垒赵，熟缝2 0 0 3 年1 2 月2 0 日y9 ；2 8 8 1学位论文独创性声明本人声明；所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成巢。尽我辑知，除了文中特鞠翔以标注鞠致落静建方拜。论交中不包禽其氇A 基经发表或撰写过的研究成果
2、，也不包含为获得东南大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的榜料。与我一嗣工作盼同志对本研究赝做的 壬侮贡献均已在论文中嚣了明确兹说明并表示了谢意。繇盎壹嘿盟关予学位论文使用授权的说明东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交的学位论文的复印释窝魄予文穗，可戳采角彩印、缩印成其氆复籍手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允诲论文被套询秽岱阕，可以公布(包括列登)谂文的全郝或部分内容。论文的公布(包捂刊登)授权东南大学研究生院办理。签名：链导爨签名：盈嬲：堕：?摘要随着国内电子信息产业的飞速发展，对电子元器件的需求量越来越大，对电子
3、元器件材料及其制备工艺的研究也越来越重要。外延层工艺材料最初用于双极集成电路、高压器件，在M0S 集成电路中主要用于电路性能的改善。随着半导体工业的发展，对硅外延片的需求量大大增加，国内分立器件厂商纷纷上马4 6 英寸工艺生产线。P 型硅外延片是制备V D M O S F E T、I G B T 等多种新型电力电子器件的主要原材料，现在已越来越多地受到人们的重视。本论文针对电子元器件生产厂商的需求，研制开发硅外延片生产工艺技术，解决批生产工艺问题。批量生产中的核心问题是产品参数控制的稳定性、均匀性和可重复性，从而提高外延片的成品率。本文讨论了影响硅外延片外延层电阻率稳定控制的主要因素，对硅外延
4、片的生长原理、测试技术、生长参数的影响和生长工艺进行了深入研究。通过采用常压外延、背面封闭等技术，充分抑制高温状态下低阻重掺硼衬底的杂质自掺杂效应，使得外延层电阻率得到精确的控制。本文的研究结果已成功地应用到4 英寸P P+高阻厚层硅外延片的生产中，降低了生产成本，提高了经济效益。关键词：外延，掺杂，背封，电阻率3lr一，、，A B S T R A C TW i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h ee l e c t r o n i ci n f o r m a t i o ni n d u s t r yo fo u rc o u n
5、t r yt h e r ea r eg r e a t e rd e m a n d sf o rt h ee l e c t r o n i cc o m p o n e n t s，t h e r e f o r e，i tb e c o m e sv e r yi m p o a a n tt od os o m er e s e a r c h e so nt h ee l e c t r o n i cm a t e r i a l sa n di t sf a b r i c a t e dp r o c e s s T h ee p i t a x i a lm a t e r
6、 i a li so r i g i n a l l yu s e di nt h eb i p o l a rI C sa n dh i g hv o l t a g ed e v i c e s，s p e c i a l l yi ti sm a i n l yu s e dt oi m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo fM O SI C s A l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fs e m i c o n d u c t o ri n d u s t r yg r e a t e rd e m
7、 a n d sf o rs i l i c o ne p i t a x i a lw a f e r sa p p e a r T h ed o m e s t i cd i s c r e t ed e v i c e sm a n u f a c t u r e r si n i t i a t et h ec o n s t r u c t i o no f4-6i n c h e sw a f e rl i n e s Pt y p es i l i c o ne p i t a x i a lw a f e r s，w h i c ha r et h ei m p o r t a
8、 n tm a t e r i a l sf o rt h ep r o d u c t i o no fm a n yn e wk i n d so fe l e c t r o n i cd e v i c e ss u c ha sV D M O S F E T I G B Ta n dS Oo n，a r em o r ea n dm o r ea t t r a c t i n gt h ea t t e n t i o n T h i sp a p e re m p h a s i z e st h eR&Do ft h ef a b r i c a t i n gp r o c
9、e s st e c h n o l o g ya n db a t c hp r o d u c t i o nt e c h n o l o g yo fs i l i c o ne p i t a x i a lw a f e r so nd e m a n do ft h em a n u f a c t u r e ro fe l e c t r o n i cc o m p o n e n t sa n dd e v i c e s T h ek e yt oi n c r e a s et h ey i e l do fs i l i c o ne p i t a x i a l
10、w a f e r si nt h eb a t c hp r o d u c t i o ni st h es t a b i l i t y,u n i f o r m i t ya n dr e p e a t a b i l i t yi np a r a m e t e rc o n t r 0 1 T h em a i nf a c t o r sw h i c ha f f e c tt h es t a b i l i t yc o n t r o lo ft h er e s i s t i v i t yo ft h es i l i c o ne p i t a x i
11、a lw a f e r sa r ed i s c u s s e d A n dt h ew a f e rg r o w i n gp r i n c i p l e，t e s t i n gt e c h n o l o g y,t h ee f f e c to fg r o w i n gp a r a m e t e ra n dg r o w i n gp r o c e s sa r ea l s os t u d i e d T h es e l f-d o p i n ge f f e c to ft h el o w r e s i s t a n c eh e a
12、v yb o r o nd o p e ds u b s t r a t ei nh i g ht e m p e r a t u r ei sr e s t r a i n e db yc o n s t a n tp r e s s u r ee p i t a x i a l，b a c kb l o c k i n ga n do t h e rt e c h n o l o g i e s，w h i c hr e s u l ti nt h ep r e c i s i o nc o n t r o lo ft h er e s i s t i v i t yo ft h ee p
13、 i t a x i a ll a y e r-T h er e s e a r c hr e s u l t sh a v eb e e ns u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ep r o d u c t i o no f4i n c h e sP P+h i g h-r e s i s t a n c et h i c kl a y e rs i l i c o ne p i t a x i a lw a f e r sw i t hl o w e rp r o d u c t i o nc o s ta n dh i g h e re c
14、 o n o m i cb e n e f i t K e yw o r d s：e p i t a x i a l，d o p i n g，b a c kb l o c k i n g，r e s i s t a n c e4第一章绪论外延工艺是一种薄膜单晶生长技术，特指在通入反应气体的高温炉子中，沿着原有硅基片的晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新硅单晶层的过程。外延技术的实施设备与热氧化的炉子类似，只是反应的气体类型、温度、气压等工艺条件不一样。通常的化学反应式为：S i C l。(气)+H。(气)一S i(固)+H C l(气)以原始硅片作为籽晶，温度
15、在1 1 5 0 1 2 0 0。C 之间，气压小于一个大气压。外延的同时可通入掺杂气源进行热扩散掺杂，以调整外延的电阻率。外延的生长动力学与热氧化类似，受流体力学和表面层过程控制。外延层的质量评价包括厚度、电阻率、平整度和晶格缺陷等。外延不同于其他薄膜生长的区别在于生长的薄膜为单晶体，并且晶轴方向必须和原始硅片的一样。它也不同于单晶拉制，包含化学反应过程。外延层最初用于双极集成电路、高压器件，在M0S 集成电路中主要用于电路性能的改善。随着半导体工业的发展，国内分立器件厂商纷纷上马4 6 英寸工艺生产线，对硅外延片的需求量大大增加。本研究的目的即是针对器件厂商的需求，研制开发硅外延片生产工艺
16、技术，解决批生产工艺问题。随着国内电子工业的飞速发展，对元器件的需求量越来越大，进而对材料的要求就越来越高。P 型高阻厚层硅外延片是制备V D M O S F E T、I G B T、等多种新型电力电子器件的主要原材料，P 型(1 0 0)用于制作N 沟M O S 器件，P 型(1 1 1)用于制作双极型器件。M O S 器件采用低阻衬底上生长高阻外延层，其优点是：外延层的电荷保持性能较高，载流子寿命可提高7 9 倍；外延层电阻率能很好地控制，因而能很好地控制阂值电压，有效地解决了C M O S 电路闭锁问题。P 型高阻厚层硅外延技术成为限制国内新型电力电子器件发展的关键技术之一，现在已越来越
17、多地受到人们的重视。硅的气相外延生长可分为两类：(1)气化生长；(2)化学气相淀积(C V D)。前一项技术包括利用电子枪在“喷射”室里将硅气化。硅蒸气通过开启的阀门进入超高真空生长室。当硅蒸气遇到炽热的硅衬底时就会进行外延生长。该技术也叫做分子束外延，后一项技术包括由热能引起的化学反应，此外等离子体和光能对反应有增强作用。工业上利用热致C V D5法生产硅外延片已有2 0 多年的历史。该技术之所以能很快推广，其主要原因是容易：I 二业化。从可获得的掺杂类型和外延厚度来看，它也是一项通用技术。通过工艺和反应器的不断改进和自动化，在今后1 0 年到2 0 年内，它仍将是工业上最有生命力的外延生长
18、技术。与其他技术相比较，用于生长外延的C Y D 法是最复杂的。该方法的复杂性来自于以下事实：(1)在化学反应中通常包括多成分物质；(2)化学反应可以产生某些中间产物；(3)生长过程中有许多独立的变量；(4)淀积工艺包括许多连贯的步骤。本研究的目的即是针对器件厂商的需求，研制开发硅外延片生产工艺技术，解决批生产工艺问题。批量生产中的核心问题就是产品参数的稳定控制，均匀性好，具有可重复性，这样才能降低成本，提高经济效益，因而工作重点也是围绕着如何提高外延片的成品率来进行的。本文讨论了影响硅外延片外延层电阻率稳定控制的主要因素，对硅外延片的生长原理、测试技术、生长参数的影响和生长工艺进行了深入研究
19、。通过采取立式常压外延，利用背面封闭技术，充分抑制了高温状态下低阻重掺硼衬底的杂质自掺杂效应，使得外延层电阻率得到精确的控制。该技术已成功地应用到4 英寸P P+高阻厚层硅外延片的生产中。6第二章硅外延生长原理分析2 1 硅外延的概念集成电路生产中使用的外延生长是一种高温化学工艺，采用此工艺可在一块单晶片衬底上沿着其原来的结晶轴方向外延生长一层厚度和电阻率都符合要求的新的单晶层。为了使衬底和外延层具有相同的晶体结构，必须满足下列条件：1 衬底与淀积原子之间的间距必须大致相等。2 淀积层的晶向必须与衬底的晶向一致。3 必须做到既能将衬底温度提高到热分解源材料，所需的温度又不至于分解或蒸发衬底材料
20、。4 必须有尺寸足够大的单晶衬底，以保证良好的淀积。最通常使用的外延工艺是在单晶硅衬底上淀积单晶硅层。这种技术的价值在于能够在衬底上淀积一层均匀掺杂的、具有与衬底不同导电类型或不同掺杂浓度的单晶硅。例如，在P 型衬底上淀积N 型层或在N+型衬底上淀积N 型层。虽然扩散亦能产生相反导电类型或不同掺杂浓度的薄层，但扩散层并非是均匀掺杂的。在硅片表面掺杂原子的浓度最大，随着深度的增加，浓度或多或少按指数规律衰减。外延生长将按单晶方式进行。唯一需要考虑的是实现生长的条件，并提供这些条件。外延工艺从将定量氢气引入混合室内开始。与此同时，较少量的氢通入含硅卤化物常温下是液体的四氯化硅中。然后这一气体和蒸气
21、的混合物再与大流量的氢气混合。为了使淀积层达到所需的电阻率，将掺杂气体，一般为含有少量砷化氯、磷化氢或乙硼烷的氢气，引入混合室。这些气体流入一个反应室后，含有掺杂剂的反应气体就在室内热分解。这通常是通过用射频加热碳化硅基座的办法来实现的，而抛光硅片就平放在基座上。反应后的分解物为氮化氢气体、游离磷与游离硅。化学反应式表示如下：Si C l。+2 H 2 一Si4+4 H C I2 P H。一2 PI+3 H 2分解反应产生的硅原予具有很大的热能，能在硅片表面“游动”直至它们能找到一个合适的晶格位置成为硅晶格的一部分。如果硅片定位时偏离轴几度，比如说偏离 晶向3。至5。的话生长速率就会大增。当硅
22、片偏离晶向的一个小小的角度时，其表面呈一系列7小台阶(在原子等级上)。这些台阶为抵达位置之前消耗热能所需的时问。2 2 工艺控制实现工艺控制可通过调整以下参数实现：1 衬底温度；2 含硅卤化物的数量；3 淀积长度；4 掺杂剂的数量。如果衬底是高度掺杂，尽管其它条件完全相同，在淀积层中也较容易形成象堆垛层错这样的缺陷。降低生长速率通常可将这种影响降至最小。掺杂的计算可根据掺杂气体与四氯化硅之比近似地进行。但由于衬底中的杂质将扩散入淀积层内，故有必要修正掺杂计算。人们早己知道硅片处于外延淀积所需的高温时，杂质将离开表面。至于它对淀积层电阻率的影响究竟有多大，事实上这是无法预测的。因为这取决于气体流
23、速、反应室结构、基座形状和基座使用时间等情况。有一种更快速、更清确的方法，即只要观察该衬底上淀积层的电阻率并适当修正掺杂剂的流率就行了。第三个考虑因素是应增加腐蚀清洗基座的次数，否则掺杂剂的积累会影响以后淀积层的电阻率。衬底温度越高，生长速率就越快。但由于淀积层温度每提高l O C，掺杂剂扩散速率就提高1 倍，因此最好应在能生长满意薄膜的低温下进行淀积。立式与卧式系统的主要和唯一重要的区别是反应室的位置。在立式系统中，反应室内的底座保持在固定的位置上。底座上有一个承放台，硅片就依次放在承放台上。然后放低反应室并紧固牢，此时反应准备工作就绪。工作线圈既可放在反应室内也可放在反应室外。腐蚀衬底最好
24、在外延生长之前进行，衬底腐蚀是指淀积之前用象氯化氢那样无水酸性气体对衬底进行腐蚀。氯化氢与硅的反应过程如下：4 H C I+S i-S i C l4+2 H 2反应生成物均为气体。对任何衬底来说，若按每分钟0 5 微米的速率进行腐蚀都可改善它们的表面状况，从而也将提高淀积质量。这种改善归因于下述因素：1 清除了在淀积层中会产生缺陷的尘埃与颗粒。2 清除了会集结堆垛层错的微量氧化物。83 通过清除衬底表面，从而改善了表面的平整度。4 通过有选择地腐蚀应变厉害的区域，消除了表面的应变，使随后的淀积层质量进一步提高。经验表明卧式系统比立式系统有更多的优点，但某些大型筒式系统很适用于加工批量大的硅片。
25、2 3 理论分析关于C V D 外延生长，本论文从选择含硅气体和化学反应开始。通过系统的热力学分析，可以预测发生硅淀积的条件。C V D 工艺过程，包括化学物质由气相到衬底表面的质量输运。在开管反应器中，混合气体由反应器的一端进入，另一端排出，在气流和衬底表面之间存在一个边界层。边界层的厚度是确定质量输运速率的重要因素。在质量输运过程中，化学反应不在气相中发生，就会在衬底表面发生。如果有成核现象，则根据反应发生的部位是异质成核。异质成核包括表面反应。在该反应中，引入的气体物质和化学反应生成的中间产物被吸咐在衬底表面上，相继扩散到能量适应的位置，从而使硅原子结合到硅晶格中。因此，淀积过程可以分为
26、两个主要的步骤：(1)气体通过边界层扩散；(2)随后进行表面反应。外延层的表面形态、晶格缺陷、外延层掺杂剂分布的控制和外延厚度均是影响器件性能和成品率的重要参数。外延片的主要优点是纵向掺杂分布的调节能力超过非外延材料。离子注入也具有以上的掺杂能力。在高能离子注入技术方面的最新进展。已能与外延技术直接竞争。然而高剂量离子注入所产生的表面缺陷与沾污限制了优质n n+p p+硅层的生产。氯硅烷还原法的特点，在于它是一个吸热反应。该反应需要在高温下才能发生。这些反应是可逆的。其可逆程度随氯硅烷中氯含量的增加而增强。氢般被用做还原剂和载气。高纯三氯氢硅是比较容易得到的，每年生产成千上万吨用半导体工业上。
27、它的主要用途是作为生产多晶硅棒的原料。多晶硅用做熔炼生长单晶硅的原料。三氯氢硅还用于硅外延生产。不管是用于多晶硅生产还是外延生长，其化学应是相同的。简化的反应式常常表示为：S i H C L。(气)+H。(气)一S i(固)+3 H C L(气)实际上反应的最后产物是硅和大量的四氯化硅以及氯化氢气体看来，如下的方程是一个比较准确的反应表达式：2 S i H C L。(气)一S i(固)+S i C L。(气)+2 H C L(气)所产生的四氯化硅作为多晶硅生产的副产品可以提纯并廉价大量生产因此，它作为硅源，9已广泛应用在硅外延生长中四氯化硅的还原反应可以表示为：S i C L 一(气)+2 H
28、：(气)一S i(固)+4 H C L(气)这个反应的敝端是想得到高质量的外延层，需要1 1 5 0 1 3 0 0。C 的高温。S i C L。和S i H C L：，在室温下都是液体。因此，正常情况下需用载气将硅的化合物输运到反应器中。利用气泡法将某一种气体例如H z 通过S i C L。和S i H C L。容器来完成。容器的温度和压力决定于S i H C L。与载体H z 的体积比。要想维持稳定的生长速率，体积比必须保持恒定。C V D 工艺的机制包含两个主要的步骤：(1)气体由空间到衬底表面的质量输运：(2)包含吸附和脱附作用的表面反应、表面扩散并结合到晶格中。对于描述气体由空间到衬
29、底表面的质量输运，边界层模型已被广泛地接收。气流速度由零增加到容器气流值时的距离叫做边界层的厚度。边界层的厚度影响通过该层的质量输运速率。而边界层的厚度由反应器中混合体的流体动力所确定。在开管反应器中，气体靠强迫对流流动。该流动可以用雷诺数来表征，雷诺数定义为：R=pV L r l这里p 是混合气体的密度，V 是混合气体的流速，L 是水平反应器的长度，1 是流体粘滞度。边界层的厚度6 与雷诺数有关，并由下式表示：6=5 Lfl R)1 2方程式表明了高的气流速度导致了高的R 值，从而减小6。实际上大的雷诺数就意味着较小的粘滞效应。当R 小于5 4 0 0 时，反应器里的气流结构是层流，当R 大
30、于5 4 0 0 时，变成湍流。表面反应的第一步是衬底表面对各种气体的吸附作用。气体被吸附的量取决于它的平衡分压和温度。含硅气体产生硅的固态成核可在气相或固体表面发生。前者称均匀成核可在气相或固体表面发生。前者称均匀成核，后者称非均匀成核。对外延生长不希望气相中望中就有硅团形成，因为它妨碍衬底上硅单晶的生长。有幸的是均匀成核与非均匀成核相比，需要较高的过饱和度。因此，正常情况下，非均匀成核首先发生。非均匀成核不但在衬底上可以发生，在别的材料上也可以发生。如果衬底的温度足够高、硅很可能只在它自己的衬底上生长外延。这个过程被称做同质外延。尽管别的材料具有一定的取向，若在其他衬底上成核，一般导致多晶
31、生长，诸如蓝宝石等。如果晶格参数与硅匹配，也可能导致单晶生长。该情况称做异质结外延。如果硅粒子的核心已经达到了临界尺寸，这个核叫做临界核，那么硅粒子的均匀成核1 0生长就可能产生。当胚团小于临界尺寸时，它的表面能将大于成核所需的形成能，因此是不稳定的。在非均匀成核中，由于衬底本身将作为核心生长，所以临界核的概念已不存在。平台一台阶一扭折生长模型是普遍承认的用于描绘光滑外延表面生长的模型。当衬底表面存在台阶和扭折时，在平台上被吸附的原子和或分子交将迁移(扩散)到微观(或原子级)表面台阶之上。台阶来自于晶格向缺陷，如螺旋位错或低指数晶面近处的邻位面。吸附原子和或分子将进一步沿着台阶扩散到缺陷上，并
32、结合到晶格中。具有(1 l1)晶向的硅表面，不包含台阶，称为奇异面。当在奇异面上淀积外延层时，达到平整和光滑生长很难的。这就是所谓的奇异面的不稳定性。在该情况下，外延生长前需要二维成核。为了使半导体器件得到所需求的电参数，用P 型或N 型杂质对硅外延进行掺杂是必要的。这些器件的运行效果取决于掺杂剂浓度的准确性控制和掺杂剂浓度沿该外延层的纵向分布：A s H。和P H。通常被用做N 型掺杂，而B z H s 则被用做P 型掺杂。痕量掺杂气体与含硅化合物一并输入到外延反应器中。在外延反应器中，高温下掺杂剂分子分解为若干种气体。同各种含硅气体一样，这些气体的平衡分压可能根据热力学进行计算。例如，P
33、H。在低输入压力下，气相中的主要成分是P H。和P H：，而在高输入压力下，P：，而在高输入压力下，P：则变为占支配地位的气体。掺杂剂掺入硅中的掺杂效率，由分凝系数所决定。它定义为硅中的掺杂浓度除以含掺杂剂的气体分压与含硅气体分压之比。当分凝系数小于l 时，部分掺杂剂原子在掺入外延层的过程中被排斥，从而在生长界面积累了多余的掺杂原子。当分凝系数等于l 时，到达的掺杂剂原子全部掺入到硅中。P P+高阻厚层硅外延片采用重掺硼衬底，硼在反应温度下的扩散系数远大于其它掺杂元素，易挥发，自掺杂效应严重，不易获得较高电阻率和理想的纵向杂质分布，因而是硅外延技术中的重要研究课题。我们着重研究了影响外延层电阻
34、率的主要因素，结果发现诸多因素都与P 型掺杂剂B：H 6 及硼元素的特殊性质有关。3 1 相关指标第三章主要工艺技术研究硅片尺寸：1 0 0 0 5 m m晶向：(1 1 1)偏2 5。厚度：5 2 5+_ 2 5 9 m衬底电阻率及型号：P 型，一般根据用户要求选用两种，一种为0 0 0 4 0 0 0 7 Q c m，一种为O O l 0 0 2 Q c m。外延层浓度及厚度：由用户决定，一般电阻率在1-6 0 Q c m，厚度5 5 0 p r o 之间。外延层缺陷：层错 1 0 0 个c m 2 位错 2 5 9 m 的衬底不能投入生产。153 3 2 工艺卫生外延层的缺陷大多数与外来
35、沾污有关，有时工艺合格，外延层电参数合格，但由于：l艺卫生较差，致使外延层缺陷增多，产品成品率下降，特别是在批量生产中，生产过程连续，操作人员多，工艺卫生有时会被忽视。为此我们专门制定了工艺卫生责任制，并引入外延：亡艺规程中，要求操作人员严格执行，这样，产品成品进一步得到提高。3 3 3 人员素质与生产管理生产活动的主体是人。在批量生产中，我们深切地认识到，员工的业务素质和工作责任心是极其重要的，随着生产规模的扩大，在不增加人员的前提下，对现有的职工提出了更高的要求。只有全面提高人员的素质，才进一步降低成本，提高成品率，创造更多的经济效益。为此，我们制定了一系列规章制度，就产品的质量与职工个人
36、的经济利益挂钩，并取得了初步成效。以后仍将强化生产管理，逐步向现代化股份制企业的管理模式过渡，只有这样，我们的事业才能进一步发展。3 4 生产技术措施3 4 1 衬底试片每批衬底片经抽检合格后，必须经外延试生长合格后才能投入生产，所谓外延试生长，就是抽出一定数量的衬底片进行外延生长，出炉先目检宏观缺陷(细亮点、大亮点、滑移线、角锥等)，测量电参数，然后经铬酸腐蚀液腐蚀后，在显微镜下观察微观缺陷(层错、位错等)，由质检员判断合格才能正式投入生产，如不合格坚决不用。这样，保证了外延片的质量，减少-f i l 底因素给外延片生产带来的不稳定性。3 4 2 外延反应系统的日常维护和保养外延设备的日常维
37、护，对其使用寿命及性能的稳定是十分重要的。为了使生产顺利进行，我们专门配备了维护人员，除了定期清洗反应系统、气路日常检漏、高压循环水路的定期清洗之外，维护人员还必须及时处理设备故障，以最快的速度恢复生产。3 4 3 背封技术背封技术也称为质量传输技术，仅适用于高频感应加热反应器。未掺杂的多晶硅首先淀积到石墨基座的整个表面上，然后把硅衬底片放置到基座上，通氢加热，发生质量传输必须是硅片的温度比基座低，而且必须有H C l 存在，原装背封和H C l 腐蚀快速同时完成，随后进行外延生长。基座包硅的厚度视具体情况而定，一般在保证外延层电阻率稳定可控的前提下，包硅厚度越薄越好，这样可节省材料，提高生产
38、效率。3 4 4P 型高阻厚层外延1 6P 型高阻厚层外延的难点在于掺杂浓度低，稳定控制相当困难，且由于外延层厚度增加(3 0 4 5 p r o)，缺陷相对增多。为此，我们采取了以下技术措施：a、选用高质量的衬底片，尤其是倒角一定要过关，防止翘边和过多滑移线的产生：b、选用高纯度的S i C L。和H C l，对氢气纯度进行在线监控：C、选用高质量的硼烷，由于硼烷浓度较低，要稳定掺杂相对不易，这一点因而显得十分重要；d、对反应系统石英件及时清洗，防止钟罩石英裙托架上面沉淀物过多，影响外延片的表面质量：e、对反应线圈及时进行疏通，保证高频炉长时间的正常工作。3 5 外延片性能参数3 5 1 外
39、延层参数的均匀性3 5 1 1 片内均匀性数据测量点如图l，S l、S 2、S 3、S 4、C 为1 2 半径处。结果如表l。测量点CS 1S 2S 3S 4均匀性浓度(x E l 5 c m 3)4 54 64 44 74 43 2 厚度(岬)1 6 71 6 21 6 4 1 6 81 6 21 8 83512主参考面表1 一片内均匀性图13 5 1 2 一炉内的片间均匀性每炉1 0 片，每片测中心点，结果示于表2。测试点1234567891 0均匀性浓度(x E l 5 c m 3)4 84 74 94 74 94 64 74 64 94 83 2 厚度(p m)1 6 2 91 6 0
40、 81 6 5 81 6 1 9 1 6 1 41 6 3 31 6 2 5 1 6 4 5 1 6 0 2 1 6 2 21 7 表2 炉内均匀性3 5 1 3 炉间均匀性测试值为每炉任意抽测一片的中心点值，结果示于表3。表3 炉间均匀性炉次9 29 39 49 59 69 79 89 91 0 01 0 l均匀性农度(x E l 5 c m 3)4 54 64 54 54 74 34 24 84 74 86 6 厚度(p t m)1 6 1 21 6 1 31 6 1 81 6 1 1 1 6 2 61 6 4 71 6 6 31 5 8 51 6 6 6 1 6 7 92 9 3 6 生
41、产系统简介3 6 1 主要工艺设备3 6 1。l 外延炉：美国生产的G e m i n i-1 型立式双室外延炉，装片数：3 英寸一2 1 片，4 英寸一1 0 片，5 英寸一7 片3 6 1 2 气体纯化器a、氢气纯化器：美国U S D 公司生产的2 0 0 S L M 氢气纯化器。b、氮气纯化器：美国A S M 公司生产的I O O S L M 氮气纯化器。3 6 1 3 气柜：美国S e m i-G a s 公司生产的带吹除气路五阀门控制气柜。3 6 2 主要原料来源3 6 2 1 重掺4 英寸P 型硅抛光片：由上海晶华公司和北京有研硅股提供。3 6 2 2S i C l。精馏料：江苏常
42、州光达3 6 2 3B。H 6 掺杂源：南京特种气体厂及化工部光明化工研究所提供，该-j 一属电子部、化工部生产特种气体的专业厂。3 6 2 4H C l 气体：美国进口3 6 2 5 氢气：南京晨虹，纯度 9 9。9。3 6 2 6 氮气：扬子低温公司提供液氮。3 6 3 车间及技安、环保情况。3 6 3 1 主体车间为1 0 0 平方米超净室，超净级别为1 0 0 0 0 级，局部1 0 0 级，另设清洗间、氢气房、测试问。3 6 3 2 技安环保整个外延系统所需要的技安条件均按设备安装说明书要求得到保证，所有的有毒气体均放置于强排风的气柜中，外延尾气通过尾气洗涤塔喷淋处理，氢气房设有氢气
43、泄漏报警器、防爆风机、防爆风扇、防爆灯以及过压报警器等安全装置，清洗间配有良好的通风装1 8置和专门的排酸下水道。3 6 4 反应器和基座设计化学气相淀积外延反应器，可按照气流相对于衬底表面的方向来分类。气流垂直于硅片主表面的称为垂直反应器。早期的单片垂直反应器。在反应器中，气流方向平行于硅片主表面称为水平反应器。反应器也可以按照基座的形状来分类。垂直反应器也叫做扁平式反应器。圆筒式或圆柱式反应器虽然气流是平行于硅片主平面，但从来不认为是水平反应器。硅片温度的均匀性(片内和片与片之间)对外延生长是一个很重要的参数。硅片内高的径向温度梯度，在外延生长中能够引起滑移。它也能够影响厚度和掺杂的均匀性
44、。加热源的结构是影响硅片温度均匀性的主要因素。热源的最佳结构通常由反应器厂家提供。我们将集中讨论基座的结构。大多数外延反应器使用的基座是由石墨做的。在射频加热反应器中，石墨基座直接与射频能量相耦合。在石墨基座内感应的涡流产生的热量从硅片背面传入。硅片的正面是敞开的空间，消耗的热量由硅片正面散发。因此硅片的背面比正面温度高。在辐射加热反应器中，硅片的正面直接被灯光加热。因此，正面比背面温度高。硅片正面和背面的温度差将引起硅弯曲。衬底的表面质量是决定外延生长质量的一个重要因素。当代的硅片制备技术，包括切片、腐蚀、抛光和清洗工艺是如此的先进，以致于平整(2 um)、镜面抛光、清洁的衬底，在市场上都有
45、出售。抛光硅片需要很好的包装，以保护表面，防止运输和储存期间的沾污。收到原装衬底片，不清洗即可用于外延生长。可是，当硅片储存在未密封的包装内并暴露在空气中时，需要很好地重新清洗。外延生长中，如无预热周期，也需要除去天然的氧化层。重掺衬底(A s、B 或P)1 0 1 8 原子c m 3)在外延生长时要求背封，以防止掺杂杂质的掺入。生产厂家提供用S i O：、S i。N。或多晶硅层进行背封的衬底，是可行的。热氧化物生长，或S i：。沁多晶硅的C V D 淀积，都是在硅片抛光前进行的。但是，用外延反应器也可以把未掺杂硅淀积到硅片背面。为达到此目的，用水平反应器是最合适的。这被称为质量传输技术。未掺
46、杂的多晶硅首先淀积到水平石墨基座的整个表面上。然后把硅衬底片放置到基座上。在反应器中，硅片在没有载硅气体的情况下被加热。发生质量传输必须是硅片比基座温度低，而且必须有H C L 存在。因此，原装背封和H C L 腐蚀快速同时完成，随后进行外延生长。该技术不适用于放置在辐射加热器中的硅片。在这种情况下，背封和外延生长必须分两步来1 9完成：第一步是在背面淀积未掺杂的硅，第二步是反应器冷却到低于硅片温度后，在正面生长外延层。外延的质量能够利用衬底吸除技术加以改善。吸除可以分为非本征吸除和本征吸除两类。非本征吸除包括在硅片背面建立损伤或应力。损伤可用机械的方法引入，诸如喷砂或氩离子注入。应力可通过淀
47、积一薄层材料引入，例如S i。N 4 或多晶硅。非本征吸除也被施加到硅片的正面。一种技术是在多界面生长G e S i 应变层，每一应变层都与纯硅层相间，在应变层和硅层之间的界面产生失配位错。失配位错作为杂质的陷阱，削除杂质或由正面产生的缺陷。背面损伤的非本征吸除并不是很有效的，因为损伤在随后的热处理中将退火消失。当衬底中含有高浓度的氧时，碟形坑和硅外延的表面层错减少。吸除是氧沉淀所引起的，这种氧沉淀是由于在硅片的高温下，氧超过了溶解度极限。在7 5 0 8 5 0。C 范围内硅中的氧沉淀最大。2 0第四章测试技术研究4 1 位错、层错测试4 1 1 原理硅外延层的完整性是衡量硅外延片质量的主要
48、参数之一，影响外延层完整性的主要缺陷有层错、位错。在众多的缺陷观察方法中，化学腐蚀法具有设备简单，操作方便直观明嘹的优点。虽然该法是破坏性的，但仍被广泛采用，列为A S T M、S E M I 和国家标准测试方法。化学腐蚀法的原理是晶体缺陷的能量比完整区要高，在适当的化学腐蚀剂和腐蚀条件下，缺陷区和完整区有不同的腐蚀速率，因而会在缺陷处产生与晶体取向有关的具有一定特征形状的腐蚀坑(或丘)。在指定条件下观察并计数，即可定量评价硅外延片的完整性。对位错和层错，可在显微镜下进行观察并计数，再由下式计算位错密度N。和层错密度N sN D=n o _ 0(1)JN s=r l j _ s(2)S式中：S
49、 一视场面积c m 2n o _ 视场中观察到的位错蚀坑个数n s _ 视场中观察到的层错蚀坑个数4 1 2 测量方法4 1 2 1 清洗对表面清洁的硅外延片可用去离子水冲洗。对表面有沾污的硅外延片可用丙酮及无水已醇擦去表面沾污，再用去离子水冲洗。4 1 2 2 化学腐蚀4 1 2 2 1 腐蚀液和腐蚀条件a 腐蚀液：对 晶向的硅外延片采用s i r t l 腐蚀液，即3 3 C r 0。水溶液：H F=1：1b 腐蚀温度：室温C 腐蚀时间：层错位错2 0、3 0 s3、5 m i n2 l4 1 2 2 2 冲洗：腐蚀结束后，不取出样品，立即用大量去离子水冲洗，并吹干。4 1 2 3 测量4
50、 1 2 3 1 层错密度和位错密度将待测样品置于显微镜下，参考图丁所示m 个测量点位置，按缺陷密度的大小选取适当的放大倍率(即视场面积)，观察并计数。由式(1)和(2)计算N。和N s，再取9 个测量点的平均值N D 和N s。视场面积S 的选取原则为：尽可能选取大的视场面积即低的放大倍数，但当视场院内观察到的缺陷超过1 0 0 个时，则必须增加放大倍数使观察到的缺陷数不超过1图l 测量点位置图R 一外延片半径注：检N 日,-J 不包括3 m m 边缘环4 1 3 测量结果4 1 3 1 典型测量结果表1 列出了部分抽测样品的典型测量结果表1P P+硅外延片缺陷测量值编号层错密度N。(c m