外延抑制自掺杂技术研究

毕业论文题目外延抑制自掺杂技术研究学生姓名学号专业班级应用物理指导教师学院答辩日期目录摘要1ABSTRACT2第一章外延技术概述311概述412外延工艺知识413外延层制备的主要设备5第二章掺杂存在的问题及解决方法721掺杂过程722掺杂剂的来源723外延参数的测量与控制824自掺杂925自掺杂的抑制1026外延抑制自掺杂的主要技术11第三章外延抑制自掺杂技术试验研究1531低压外延技术1532低温外延技术1833HCL腐蚀抛光技术2134背封技术25总结27参考文献错误未定义书签。致谢29附录一外文资料翻译译文30附录二外文原文46摘要外延层杂质浓度是影响电学性能的重要参数，外延掺杂存在有意识掺杂和无意识掺杂（即自掺杂），自掺杂影响外延生长。自掺杂降低了衬底/外延界面过渡区的陡峭程度，同时也增加了外延淀积过程中的本底浓度。不但对外延层的电阻率控制带来相当大的困难，使外延层界面处杂质分布梯度变缓，外延层有效厚度减薄，PN结击穿电压的显著降低，晶体管的大电流特性变坏，特别不利于要求薄而界面处杂质分布陡的外延层的微波器件的制造。而且一些有害杂质的存在，还会使噪声增加等。本文对外延淀积过程中自掺杂的产生进行了分析，提出了在外延淀积过程中可以通过改变压力、温度、及采用HCL腐蚀抛光技术、背封技术、H2烘烤赶气技术、二步外延技术等方法来解决外延自掺杂，从而改善器件的特性参数。关键词外延；淀积；自掺杂；ABSTRACTTHEIMPURITYCONCENTRATIONISAKEYPARAMETERWHICHHASANEFFECTONTHEELECTRICALPERFORMANCEOFTHEDEVICEINTHEEPITAXY,THEDOPINGOFEPITAXYEXISTSCONSCIOUSANDUNCONSCIOUSDOPINGIE,SELFDOPING,THEGROWTHOFEPITAXYISINFLUENCEDBYSELFDOPINGSINCETHESELFDOPINGREDUCEDTHESTEEPDEGREEOFSUBSTRATEANDTHEEPITAXYINTERFACEOFTRANSITIONREGION,ALSOINCREASEDBACKGROUNDCONCENTRATIONINTHEPROCESSOFTHEEXTENSIONITMAKESTHECONTROLOFTHEEPITAXY,SRESISTIVITYDIFFICULT,THEEPITAXYOFTHEINTERFACEBETWEENLAYERIMPURITIESDISTRIBUTIONGRADIENTSLOW,THEEPITAXYOFEFFECTIVETHICKNESSTHIN,THEBREAKDOWNVOLTAGEOFPNJUNCTIONSIGNIFICANTLYREDUCE,ANDTHECURRENTCHARACTERISTICSOFTRANSISTORCHANGEBAD,ESPECIALLYTOTHEDISADVANTAGEOFMANUFACTURINGMICROWAVEDEVICES,WHICHWEREREQUIREDTHINANDTHEDISTRIBUTIONOFTHEIMPURITIESWERESTEEPINTHEINTERFACEANDTHEEXISTENCEOFSOMEHARMFULIMPURITIES,STILLCANMAKENOISEUP,ETCTHISPAPERANALISEDTHEGENERATIONOFSELFDOPINGDURINGTHEEPITAXIALDEPOSITION,SOMETECHNIQUESSUCHASALTERINGPRESS,TEMPERATURE，HCLROT,BACKSEAL,H2EXPEL，ANDTWOSTEPEPITAXY,AREPROPOSEDTOIMPROVETHEELECTRICALCHARATERISTICSOFTHEDEVICEBYREDUCINGSELFDOPINGEFFECTDURINGEPITAXIALDEPOSITIONKEYWORDSEPITAXY；DEPOSITION；SELFDOPING；第一章外延技术概述11概述外延生长（通常亦称外延）是半导体材料和器件制造的重要工艺之一，它的应用和发展对于提高半导体材料的质量和器件的性能，对于新材料、新器件的开发，对于半导体科学的发展都具有重要意义。所谓外延就是在一定的条件下，在单晶衬底上，沿原来的结晶方向生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构、完整性等都符合要求的新单晶层的工艺过程。生长的单晶层称为外延层。如图111所示。图11硅外延层12外延工艺知识121外延优点外延技术是60年代初开始逐渐发展起来的。外延的出现解决了半导体器件制造中的许多问题，大大提高了半导体的性能。这种方法被用于硅高频大功率晶体管的生产，解决了击穿电压与串联电阻之间的矛盾。利用外延层能较精确地控制其厚度和掺杂的特点，促使正处于迅速发展的半导体集成电路技术进入比较完善的阶段2。主要的优点如下A减少串联电阻B消除CMOS的可控硅效应C简化隔离技术D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。122生长机理目前制备半导体单晶外延层的最主要方法是化学气相淀积法CHEMICALVAPORDEPOSITION，CVD。所谓化学气相淀积，就是利用气态物质在固体表面上进行化学反应，生成固态淀积物的过程。其主要的反应式为SIHXCLYXH2SIYHCL外延的生长过程（如图12）图12外延的生长过程13外延层制备的主要设备图13PER061桶式感应加热外延炉外形图14ASME2单片红外加热外延炉外形3第二章掺杂存在的问题及解决方法21掺杂过程掺杂是外延中一个非常重要的问题。最早的方法是把液态掺杂剂，如PH3、PH5和BBR3加入到反应剂SICL4中。这种掺杂方法不能灵活改变掺杂浓度，同时由于掺杂的SICL4中掺杂剂浓度随液体的减少而不断变化，因此采用这种方法外延层的电阻率难以控制。这些缺点可以通过气相掺杂克服。通过气相掺杂外延人为地控制外延层中的掺杂程度，达到要求的外延电阻率。图21为外延掺杂过程1。图21硅的掺杂22掺杂剂的来源（1）主掺杂质用于控制外延层的电阻率。常用磷烷、砷烷和乙硼烷作为主掺杂质源。它与硅源一道随主气流进入外延反应室，在外延生长过程中进入外延层。（2）固态外扩散杂质（A）衬底中掺入的杂质在外延过程中，通过固态外扩散进入外延层；（B）对于同型外延，衬底中反型杂质通过固态扩散进入外延层形成外延夹层。（3）气相自掺杂重掺衬底或重掺埋层中的杂质经蒸发后进入气流中在后又掺入外延层中。（4）系统自掺杂吸附在外延反应室内壁和外延基座表面的杂质，解附后进入气流形成新的掺杂源。（5）金属杂质衬底硅片、外延基座和外延系统中沾污的金属杂质在外延过程中进入外延层。23外延参数的测量与控制外延层的厚度和电阻率（掺杂浓度）是外延工艺中相互影响的两个非常重要的参数，所以有必要介绍外延层厚度与电阻率的测量。电阻率（掺杂浓度）的测定是通过测量其方块电阻来呈现的，外延层厚度是通过红外光反射测量的，最终的电阻率是通过方块电阻与厚度的乘积来决定4。231外延厚度的测量外延层厚度的测量方法有很多，这里只介绍FAB常用的红外反射干涉法（见图22）。测量范围025200M,测量精度002M。图22测量原理示意图232外延层方块电阻的测量外延层方块电阻率的测量主要采用四探针法。所谓薄层电阻，就是表面为正方形的半导体薄层，在电流方向上所呈现的电阻，因此也称为方块电阻。图23示出四探针法的基本组成图。图23四探针的基本组成它由相聚都为1MM，同在一个平面成一直线的四根探针，同时压在硅片试样表面上，外面两个小探针通以恒定的小电流，中间两个探针用高输入阻抗的电压表测量最终电压4。如今FAB中都配有四探针测试仪，使用时只要调节好确定的修正系数C，就可以从测试仪控制界面上直接读出RS的值。薄层电阻RS乘以外延层的厚度可以得到外延层的电阻率。由于外延层内杂质分布不均匀，因此求得的电阻率也是平均值。RSI/10000其中，为外延层平均电阻率，RS薄层电阻测量值，I为外延层厚度。24自掺杂外延掺杂中存在有意识掺杂和无意识掺杂，如图24所示。有意识掺杂是指在外延层上有意进行的掺杂，通过掺杂，使外延层的电阻率达到一定的值。无意识掺杂是衬底表面的固态扩散和气相中的自掺杂，是外延工艺中不希望存在的掺杂4。外延掺杂图24外延掺杂的两种途径自掺杂通常定义为衬底杂质在高温下通过气相输运到外延层，因此，外延层中的杂质由两部分组成，如图25所示。图25外延层中杂质的组成241自掺杂的危害自掺杂降低了衬底/外延界面过渡区的陡峭程度，同时也增加了外延淀积过程中的本底浓度。不但对外延层的电阻率控制带来相当大的困难，使外延层界面处杂质分布梯度变缓，外延层有效厚度减薄，PN结击穿电压的显著降低，晶体管的大电流特性变无意识掺杂衬底表面的固态扩散和气相中的自掺杂有意识掺杂可通过在反应物中增加氢化物杂质源得到掺杂外延层坏，特别不利于要求薄而界面处杂质分布陡的外延层的微波器件的制造。而且一些有害杂质的存在，还会使噪声增加等。242自掺杂的来源1、外延生长前掺杂剂进入气相A环境沾污效应环境沾污效应主要是由于管道系统、反应器、反应剂、石墨基座等不可能绝对地纯净，以及载气H2中存在的O2等杂质成分在高温下分解进入气相而造的。B腐蚀效应高温下的HCL腐蚀虽然对改善晶格结构有益，但同时产生一些副产物，而且在高温下还要剥去一层衬底表面，所以这些副产物及衬底中的杂质也有一部分进入气相环境中。2、外延生长中掺杂剂从衬底直接进入气相外延生长过程的反应相当复杂，所以自掺杂效应是极为复杂的，其自掺杂过程可分为以下几个主要阶段A热处理过程在此过程中，衬底中的杂质与外延层之间存在杂质浓度梯度，从而导致衬底的高浓度杂质以气固方式进入气相，参与到外延淀积过程中。B反应过程在此过程中，衬底与人为掺入的杂质源和硅源发生化学反应，以化合物的方式进入气相，参与到反应过程中。C结尾过程反映结束后，多余的杂质沉积或吸附在系统中，不能完全排除，还要继续参与到气相中。25自掺杂的抑制在外延淀积过程中，如何有效地利用掺杂剂，减少自掺杂效应，从而形成均匀的杂质浓度分布，降低过渡区的宽度，是必须重点研究的问题。抑制外延自掺杂的主要技术有选取衬底、高温处理、低压外延、低温外延、HCL腐蚀抛光、背封、二步外延、H2烘烤赶气等。251选取衬底杂质尽量选用扩散系数小，蒸发速率低的杂质做衬底杂质，另外，杂质从衬底表面的逸出和向外延层中的外扩散都与衬底原始杂质浓度成正比。因此，在保证足够低的串联电阻的前提下，衬底浓度不宜过高。这样在高温状态下，衬底中的杂质进入气相参与反应的量就可大幅度减小。从而有效抑制自掺杂5。252高温处理衬底在外延生长前，高温处理衬底，使硅片表面附近形成一杂质耗尽层，再进行外延生长，杂质逸出速率降低，可减少自掺杂。26外延抑制自掺杂的主要技术抑制外延自掺杂的主要技术有低压外延技术、低温外延技术、HCL腐蚀抛光技术、背封技术、二步外延技术、H2烘烤赶气技术等6。261低压外延利用低压技术来淀积外延层，可较好地抑制自掺杂效应，减少杂质在外延层淀积初期的沾污，提高有效外延层厚度。在低压环境下，气体的分子密度变稀，分子的平均自由能增大，杂质的扩散速度加快，因而由衬底逸出的杂质能快速穿过边界层被排除出反应室，重新进入外延层的机会将大大减小，从而降低了自掺杂效应对外延层杂质浓度和分布的影响，因而可以得到陡峭的杂质分布。如图26所示。图26减压外延使滞留层变薄大部分杂质进入对流层带走262低温外延采用低温外延技术可以有效地降低高温产生的杂质扩散，从而减小了自掺杂对外延层杂质浓度分布的影响，因而可以得到比较陡峭的杂质分布。有利于制作较窄的PN结和性能理想的半导体器件5。在压力恒定的条件下，随着温度的降低，气体的热传导也会显著降低，边界层的温度梯度变小，促使蒸发的掺杂剂加速通过边界层，被H2气流带出反应室。温度的降低减小了氢在衬底表面的吸附，从而使硅化物更容易被吸附，使外延过程中杂质的纵向和横向扩散受到抑制，有效减少了自掺杂的影响,下图表明了不同温度下的扩展电阻曲线。图27不同温度下样品的扩展电阻分布图由图27可以看到，在不同温度下其过渡区的宽度是不一样的，在温度为950，过渡区宽度为00255M,在温度为900，过渡区宽度为0015M,在温度为850，过渡区宽度仅为0005M,说明温度对过渡区的影响特别大。当然，在降低温度的同时，还必须得保证外延层表面质量的完好。263HCL腐蚀抛光HCL气相腐蚀抛光技术是去除外延沾污和缺陷的重要手段之一，在高温下通过HCL与硅发生化学反应，把硅片表面剥去一层，既可去除沾污和损伤层，又能去除尺寸较小的合金点，给外延生长提供一个洁净、无损的表面。在低压条件下，HCL携带的金属杂质会加速排除，对抑制外延层的自掺杂是非常有效的。压力与HCL腐蚀速率的关系3如图28所示。图28压力与HCL腐蚀速率的关系264背封背封技术的目的就是在衬底背面形成一个保护层，从而降低杂质的扩散速率。它通过在外延生长前延长高温时间，改变气流速度来改变生长环境，从而降低环境中的杂质分压，并形成一个背面、表面的杂质耗尽层，然后通过大气流赶气，尽可能将环境中多余的杂质赶出，是边界层中的杂质大大减小。通过采用背封技术，可以最大限度地减小杂质从背面扩散。此种方法对重掺杂型衬底特别有用。265二步外延所谓二步外延技术是指在硅片上先生长一层0205M的本征外延层，如图29所示，对硅片表面起到自封闭作用，阻止衬底杂质的进一步向外挥发，然后通过大流量H2冲洗赶气、使吸附在晶片、基座表面的杂质被主气流吹走，到一定时间后，边界层中杂质被排尽，在进行第二阶段的生长，直到外延层要求的厚度。这样由于自掺杂量的减少，在外延层/衬底界面处的杂质浓度就会变得陡峭，使杂质过渡区变窄。这种方法对于抑制纵向自掺杂非常有效，而对于防止在界面上最大值的横向自掺杂的效果不是很明显7。图29二步外延266H2烘烤赶气外延本征层H2烘烤赶气对抑制埋层自掺杂有明显的效果。H2烘烤的作用是通过降低表面杂质浓度来减少自掺杂。据文献报道，理论计算可知1150、10MIN的烘烤期间，AS埋层中15的杂质将蒸发到气相环境中，而H2烘烤对降低B表面浓度比的腐蚀起的作用还要大。可见H2烘烤赶气技术在抑制外延自掺杂中发挥着重要的作用。另外，H2流量与硅片边缘厚度也存在着一定的关系，如图210所示。增加H2流量通常会减少硅片边缘的厚度，减少H2流量通常会增加硅片边缘的厚度，对于100MM200MM的硅片，H2流量通常在4080SLPM之间选择。图210H2流量与硅片边缘厚的关系3以上针对抑制外延自掺杂的几种主要技术做了简单介绍，在接下来的一章中将对以上几种技术做详细描述，并通过实验进行验证。第三章外延抑制自掺杂技术试验研究31低压外延技术311引言由于常压硅外延工艺杂质的固相扩散和自掺杂难以控制，外延层与衬底交界面处杂质浓度过渡区分布缓变，不可能形成陡峭的杂质浓度分布。1970年BOSS等人采用了一种新的外延工艺低压外延技术，有效地减少了常压外延对器件带来的自掺杂的严重影响。现在低压外延技术已经倍受人们关注，它是当前超大规模集成电路和一些高压特殊器件急需发展的新技术，在发展其型器件如异质结晶体管、高速器件以及光电子器件中，都具有十分重大的意义。利用低压外延技术可以制作出晶体结构完整、界面过渡区杂质分布陡峭的外延层，而且易于工业化大生产，在薄硅外延层以及重掺杂衬底外延层的制备方面具有良好的应用前景8。312原理低压环境改变了反应室中的气体流动，使源气体分子占主导地位，比较复杂的气流环境变得简单，原来的紊乱气流变成层流气流。同时，气体的分子密度变稀，分子的平均自由能增大，杂质的扩散速度加快，因而由衬底逸出的杂质能快速地穿过边界层被主气流排除出反应室，使得这些杂质重新进入外延层的机会大大减少。反应系统处于低压状态，当反应停止时，反应室中残存的反应剂和掺杂剂也能迅速地被排除掉，缩小了衬底与外延层之间的过渡区，并能很好地改善厚度及电阻率的均匀性，减少了埋层图形的漂移和畸变。另外，由于低压下氢气的分压降低，硅原子在表面迁移时受到的阻碍减小，很容易结合到晶格中，减少了外延层中的层错和位错，更有利于形成平整光亮的外延层。图31为低压反应腔1。图31低压反应腔313实验实验利用进口的美国ASME2单片红外加热外延炉来进行，硅源为SIH2CL2气体，掺杂源为氢气稀释至100PMM的PH3气体。选用硅片为N掺AS111硅衬底免洗片，其电阻率为00020004CM。硅片的掺杂分布通过四探针测方块电阻来反映，硅片的厚度分布用红外测厚仪来测量。1压力对厚度的影响反应室内压力降低，由于反应剂分压变小及生长动力学控制过程发生变化，在硅源摩尔浓度相同时，生长速率一般比常压低。当生长温度和硅源浓度一定时，降低反应室的压力，外延层厚度也会随之降低。表31比较了在相同温度和相同的硅源浓度下，不同压力条件下由红外测厚仪测量的样品片内5点（标准抽样点）厚度。表31压力与生长速率的关系外延层厚度（M）样品编号生长温度（）生长时间（S）压力（TORR）SIH2CL2浓度（ML/M）123450011080434100280736735742734731002108043480280734731734731729003108043460280726725725725726表31表明，在压力为100TORR时，其片内外延层厚度最高与最低相差了011M，在压力为80TORR时，其片内外延层厚度最高与最低相差了005M，而当压力降为60TORR时，其片内外延层厚度最高与最低相差了001M。不难看出，当压力降低时，片内厚度均匀性有了非常大的改善。图32明显地显示了这一变化。图32压力外延层厚度的关系随着压力的降低，气体分子密度变稀，杂质浓度减小，厚度变薄，由衬底逸出的杂质也相应地减少，自掺杂降低。2压力对外延层方阻的影响表32比较了在相同温度和相同的硅源浓度下，不同压力条件下由四探针测量仪测量的样品片内5点（标准抽样点）方块电阻。表32压力与方阻的关系样品编号生长温度生长时间（S）压力（TORR）SIH2CL2浓度（ML/M外延层方阻（/CM2）（）123450011080434100280286627042638256326840021080434802802794278327452695276500310804346028028892890289228952875图33压力与方阻的关系由图33可以看出，60TORR压力下的方块电阻相对80TORR和100TORR明显上升，这正是在低压环境下自掺杂减小的缘故。综合考虑表31和表32，可得出压力与电阻率的关系,如表33所示。表33压力与电阻率的关系外延层方阻（/CM）样品编号生长温度（）生长时间（S）压力（TORR）SIH2CL2浓度（ML/M）123450011080434100280210198196188196002108043480280205203201197202003108043460280209210210210208表33表明，在压力为100TORR时，电阻率的均匀性很差，最大与最小相差了022，偏差为553。在压力为80TORR时，电阻率的最大与最小值相差了008，偏差为198。在压力为60TORR时，电阻率的最大与最小值相差了002，偏差为048。图34压力与电阻率的关系由图34可以看出，随着压力的降低，自掺杂减小，参与导电的离子减少，电导率降低，电阻率升高。所以，低压能明显抑制自掺杂现象。当然，降低反应室的压力也有限度，在压力降低到一定程度时，势必会减小主气流的流量才能达到此压力值，然而随着主气流的减少，其杂质排除出反应室的时间就将变慢，必然又会增加自掺杂，使外延层与衬底之间的过渡区出现缓变趋势。所以，压力与气流的匹配关系是十分重要的。3结论低压条件下分子的平均自由能增大，杂质的扩散速度加快，因而由衬底逸出的杂质能快速地穿过边界层被排除出反应室，重新进入外延层的机会大大减少，从而降低了自掺杂效应对外延层中杂质浓度和分布的影响，因而可以得到陡峭的杂质分布。低压外延是降低自掺杂，改善外延层厚度和电阻率均匀性的一种有效方法，除此之外，低压外延技术还能缩小多层外延的过渡区，减少系统沾污，降低生长温度等。现在低压外延技术已成为一种比较成熟的工艺，在各种外延生长中得到了广泛的应用。32低温外延技术321引言由于采用高温外延，容易产生界面互扩散和气相自掺杂，通常难以获得陡峭的界面杂质分布，交界面处杂质浓度过渡区分布缓变，不可能形成陡峭的杂质浓度分布，使得高温外延很难制得较窄的PN结和性能理想的半导体器件。采用低温外延技术可以有效地解决这一难题。另外，温度还与外延层厚度存在一定的关系。（如下图35所示）图35温度与外延层厚度的关系3321原理当温度降低时，可以有效地降低高温产生的杂质扩散，从而减小了自掺杂对外延层杂质浓度分布的影响，因而可以得到比较陡峭的杂质分布。323实验实验利用进口的美国ASME2单片红外加热外延炉来进行，硅源为SIH2CL2气体，掺杂源为氢气稀释至100PPM的PH3气体。选用硅片为N掺AS111硅衬底免洗片，其电阻率为00020004CM。硅片的掺杂分布通过四探针测方块电阻来反映，硅片的厚度分布用红外测厚仪来测量。1温度对厚度的影响在低温条件下，外延层厚度的均匀性主要受气流大小、气流方向、温度的大小等多种因素决定，当气流与压力恒定后，随着温度的降低，其外延层厚度的均匀性会有微小的变化9。表34是不同温度下的膜厚数据表34温度与外延层厚度的关系外延层厚度（M）样品编号生长温度（）生长时间（S）压力（TORR）SIH2CL2浓度（ML/M）12345001950240602603823783763733790029002406026037537037037237300385024060260362361362360361由表34可知，当温度为950，片内外延层厚度最大值与最小值差了009M，其最大偏差为241，当温度为900，片内外延层厚度最大值与最小值差了005M，其最大偏差为135，而当温度降为850，片内外延层厚度最大值与最小值差了002M，其最大偏差为060，从样品厚度的最大偏差不难看出，随着温度的降低，外延层厚度的均匀性也得到了一些改善。图36表示了压力与厚度的关系。图36温度与外延层厚度的关系图由图36可知，随着反应温度的降低，杂质浓度相对减小，生长速率减慢，厚度变薄。杂质的扩散速率减小，自掺杂降低。2温度对外延层方阻的影响表35比较了在相同压力和相同的硅源浓度下，不同温度条件下由四探针测量仪测量的样品片内5点（标准抽样点）方块电阻。表35温度与外延方阻的关系外延层方阻（/CM2）样品编号生长温度（）生长时间（S）压力（TORR）SIH2CL2浓度（ML/M）12345001950240602601860188917991922195000290024060260187318921824190619180038502406026019801963199219861987图37温度与方阻的关系图由图37可以看出，温度为850的方块电阻相对900和950明显上升，这也是在低温环境下自掺杂减小的缘故。综合考虑表34和表35，可得出温度与电阻率的关系,如图36所示。表36温度与电阻率的关系外延层电阻率（/CM）样品编号生长温度（）生长时间（S）压力（TORR）SIH2CL2浓度（ML/M）12345001950300601000710710680740740029003006010007007006707107200385030060100072071072071072表36表明，在温度为950时，电阻率的均匀性很差，最大与最小相差了006，偏差为423。在温度为900时，电阻率的最大与最小值相差了005，偏差为360。在温度为850时，电阻率的最大与最小值相差了001，偏差为070。图38温度与电阻率的关系由图38可知，温度越高，电阻率越低，均匀性越差，存在的自掺杂现象就越严重。随着温度的逐步降低，电阻率的值和均匀性得到了很好的改善，自掺杂现象明显减小。3结论随着反应温度的降低，气相环境中的气流减小，杂质浓度降低，外延层的方阻逐渐上升，自掺杂减小。因此，低温外延是一种抑制自掺杂的有效方法。33HCL腐蚀抛光技术331引言HCL气相腐蚀抛光技术是去除外延沾污和缺陷的重要手段之一，在高温下通过HCL与硅发生化学反应，把硅片表面剥去一层，既可去除沾污和损伤层，又能去除去尺寸较小的合金点，给外延生长提供一个洁净、无损的表面。实验发现，HCL气相抛光因降低表面杂质浓度对抑制某些杂质的自掺杂有明显的效果。对于SB埋衬底，HCL的抛光作用比H2烘烤的作用更为明显，而对于B埋衬底，H2烘烤的作用就大于HCL的抛光作用10。在低压条件下，HCL携带的金属杂质会加速排除，对抑制外延层的自掺杂是非常有效的。压力与HCL腐蚀速率的关系如图39所示。图39压力与HCL腐蚀速率的关系3332原理HCL的腐蚀抛光过程实际上就是外延生长过程的逆反应，反应过程是多相反应，它随着反应物的浓度、温度、压力以及反应室的几何形状不同，会产生不同的副反应HCLSISICL4H2HCLSISIHCL3H2HCLSISICL2H2在外延生长过程中，当实际供给反应室的硅源浓度过大时，硅衬底的某些区域就会从生长状态变成被腐蚀状态，致使外延生长速率下降。所以，合理控制反应剂的浓度是必须的。一般情况下，HCL浓度越大，其硅片表面的腐蚀量也就越大，它可以在短时间内除去表面01M05M,对消除外延层错和乳突非常有效。而且还可以减少硅片的高温处理时间，对抑制某些杂质如SB、AS等的外延层自掺杂能够起到明显的作用。但HCL浓度越大，其携带金属杂质的能力也就越强，这些金属杂质源就会沾污外延层，或者存留在外延反应系统的管道内，对外延层杂质浓度的精确控制带来一定的困难。研究结果表明，外延层中FE和CR的浓度，随HCL浓度的增加而增加11。同时，HCL浓度过大，会使双极电路埋层方块电阻上升量过大，图形畸变严重，电路成品率迅速下降。（HCL腐蚀速率，如图310所示。图310HCL腐蚀速率3333实验实验利用进口的美国ASME2单片红外加热外延炉来进行，硅源为SIH2CL2气体，掺杂源为氢气稀释至50PPM的PH3气体。选用硅片为N掺SB100硅衬底片，其电阻率为0008002CM。硅片的掺杂分布通过四探针测方块电阻来反映，硅片的厚度分布用红外测厚仪来测量。注红外测厚仪不识别掺SB硅衬底片，在实验之前必须对硅片进行AS离子注入。实验分两组进行，A组按常规菜单步骤运行，菜单中不设置HCL抛光程序。B组在淀积单晶硅之前首先对SB埋衬底进行HCL抛光处理，实验选用浓度为20L/MIN的HCL溶液，在温度为1150，压力为60TORR的条件进行。表37表示了HCL抛光与外延层各参数的的关系。表37HCL抛光与外延层各参数的关系实验组别外延层厚度（M）、方块电阻（/CM2）、电阻率（/CM）厚度562510526518530方阻32053575315831083075A电阻率170182166161163厚度556552548554553方阻33463354338033693359B电阻率186185185187186由表37得知电阻率的最大值与最小值只差了002，偏差为54。自掺杂得到了很好的控制。图311抛光对外延层厚度的影响经HCL处理后的硅片，更易于外延层的生长，厚度变厚，均匀性也很好。图312抛光对外延层方块电阻的影响经HCL处理后的硅片，外延层的方块电阻升高，均匀性变好，自掺杂降低。图313HCL抛光对外延层电阻率的影响经HCL处理后的硅片，电阻率上升，均匀性也很好，自掺杂明显降低。总之，经HCL腐蚀抛光处理，外延自掺杂得到了很好的控制。HCL腐蚀抛光技术已广泛应用于生产实践中。34背封技术341引言在重掺砷衬底上生长N高阻外延层,一直是硅外延的技术难题。半导体器件要求外延层的电阻率分布尽可能一致,以满足器件对击穿电压和串联电阻的要求。但因重掺砷衬底片在外延过程中存在着自掺杂效应,往往使生长出的外延层电阻率分布不能同时满足器件对击穿电压和串联电阻的要求。我们在功率肖特基二极管外延试制中一开始既遇到这样的问题12。因没有采取有效的自掺杂控制技术,致使外延层电阻率分布达不到功率肖特基二极管对VR和VF的要求,器件合格率得不到保证。背封技术的目的就是在衬底背面形成一个保护层，从而降低杂质的扩散速率。它通过在外延生长前延长高温时间，改变气流速度来改变生长环境，从而降低环境中的杂质分压，并形成一个背面、表面的杂质耗尽层，然后通过大气流赶气，尽可能将环境中多余的杂质赶出，是边界层中的杂质大大减小。通过采用背封技术，可以最大限度地减小杂质从背面扩散6。此种方法对重掺杂型衬底特别有用。342原理四氯化硅外延是在高温下与氢气反应,生成单晶硅和氯化氢。其化学反应为SICL42H2SI4HCL自掺杂是外延生长过程中不希望的掺杂过程。自掺杂一般来自于反应室、系统气流管道、石墨基坐、衬底单晶片等。在重掺砷单晶片外延中,来自衬底片的自掺杂是自掺杂的主要来源。硅单晶片在EPI生长温度下,一方面反应生成的硅原子不断淀积在衬底片表面,同时AS原子会从衬底单晶片中扩散进入反应室气流系统,并随EPI层的生长掺入外延层中,成为外延层中不希望存在的自掺杂质源。衬底片的电阻率也是有一定能够范围的。随着衬底片电阻率的不同,通过自掺杂进入外延层的砷原子数量也不同。采用石墨基坐的包硅自封闭工艺可以有效的防止衬底AS原子的自掺杂效应13。外延生长过程中,衬底与基坐的温差比较大,高低温区将发生不同的化学反应,造成硅的迁移。其反应为SI2HCLSICL2H2从而导致基坐上所包的硅迁移到衬底背面,封闭了衬底背面的自掺杂扩散。343实验实验利用进口的美国ASME2/E2000单片红外加热外延炉来进行。硅片的掺杂分布通过四探针测方块电阻来反映，硅片的厚度分布用红外测厚仪来测量。A硅源为SIH2CL2气体，掺杂源为氢气稀释至50PPM的PH3气体。B选用硅片为N掺AS111硅衬底片，厚度为500550M,其电阻率为0008002CM。C基坐包硅条件H2150L/MIN,T1180,T10MIN,D12M,EPI生长条件H2150L/MIN,T1160,T7MIN。按相同工艺条件,分别生长5片的结果见表38表38采用背封技术后厚度和电阻率的均值第一片第二片第三片第四片第五片厚度（UM）575573576574572电阻率（/）458462459456455从表38可以看出，厚度均值最大值与最小值之间只差了004，偏差为仅035。电阻率均值的最大值与最小值之间差了007，偏差为077。由此可以看出，背封技术很好的抑制了自掺杂效应，使厚度和电阻率的均匀性得到很好的改善。实践证明，自封闭技术在功率肖特基整流二极管外延中已得到广泛的应用。经以上实验及生产实践证实,包硅自封闭工艺是一种简便的防止重掺杂衬底片高温自掺杂扩散的有效方法。掩蔽效果好,适合于批量生产,特别是N/N外延层的制造,宜于在生产中推广使用。总结功率肖特基整流二极管是依据金属和半导体接触的整流理论发展起来半导体整流器件。因其工作频率高,电能损耗小的优越性能而得到越来越广泛的应用。现已广泛应用在手机充电器、电视机、空调、电冰箱等大多数家用电器,及工业用仪器仪表等14。外延是功率肖特基整流二极管制造的关键工艺,外延层质量直接关系到功率肖特基整流二极管的参数能否达到要求。而外延层掺杂浓度是影响其电学性能的重要参数，与之相关的器件相关参数主要有击穿电压，结电容，晶体管增益和开关速度等，所以精确控制掺杂量，尽量减少自掺杂效应就显得尤为重要。特别是近年来，为提高电路的集成度，传统的平面结构已向三维立体结构发展，与之相适应的多层结构的外延层也在不断的变化，立体结构中有多种衬底杂质以及不同的杂质类型，就要求外延层有不同的掺杂浓度、不同的掺杂类型，并且层与层之间的界面要求更加陡峭，这就对外延层提出了新的更高的要求，也就需要更有效地抑制自掺杂效应发生。为了适应这些新的要求，就必须对外延淀积过程的热力学、动力学等方面进行研究，并且在淀积温度、淀积速率、淀积压力等方面进行更深入和细致的探索，使工艺不断地更新优化，才能取得更好的效果。参考文献1MICHLEQUIRK,JULIANSERDA，半导体制造技术M，韩郑生等译，北京电子工业出版社，33,822阙端麟主编，陈修治副主编,硅材料科学与技术M，浙江浙江大学出版社，280282，2892913EPSILONONESYSTEMVERSION40SOFTWAREUSERMANUALM,1164电子工业生产技术手册编委会编电子工业生产手册（7），1991，691265第十四届半导体集成电路、硅材料学术年会（下）论文集C6李智囊，侯宇，外延淀积过程中的自掺杂抑制J，微电子学，2003268707王向武，陆春一，减小硅外延自掺杂影响的改进的二步外延法J，固体电子学研究与进展，1995（3）2993018李智囊，李文等，多层硅外延技术研究J，微电子学，2011，59619王永珍，金长春等，生长温度、过冷度对INASPSB外延层表面形貌影响的研究J发光学报，1996（1）222510张国仁，孙伯祥有埋层图形外延片表面HCL腐蚀量的控制J，微电子技术，1995，23（4）313211王向武，陆春一，田光炎，减少硅外延自掺杂的一种新方法J，半导体技术，1992（4）575812DIETLT,OHNOH,MATSUKURAF,ETALZENERMODELDESCRIPTIONOFFERROMAGNETISMINZINCBLENDEMAGNETICSEMICONDUCTORSJSCIENCE,2000,28721019102213苗文生，掺AS硅单晶片外延技术，甘肃科技J，2004（6）4914刘康，功率肖特基整流二极管及其工艺制做原理的探讨，甘肃科技J,1998（5）2931致谢本论文是在王青教授和杜金生师父的悉心指导下完成的，王青教授和杜金生师父对学术的严谨和精益求精的工作作风给我留下了深刻的印象，受益匪浅。在实习期间，公司领导为我们实习大学生创造了优越的学习和实践环境，使我们在实践中不断提高自己。由衷感谢我的同学，他们对本论文的各种有益建议和帮助，使我的论文在讨论中不断获得进展。最后，感谢曾经帮助过我的所有老师，衷心地感谢为评阅本论文而付出宝贵时间和辛勤劳动的教授和工程师们附录一外文资料翻译译文11编辑程序窗口编辑程序主要包括两个部分，菜单编辑和菜单文件管理，菜单编辑允许创作或修改程序菜单。菜单建立在一个表格里面，它的行是可控的因素并且有相应的步骤编号。菜单文件允许菜单存储在记忆系统中，存储在左边或右边的磁盘驱动器中，或者存储在四个菜单缓冲器的电池备份中，可以随机存取记忆（RAMBBU）第六章。进入编辑程序窗口，可以从程序菜单里面选择编辑，编辑菜单显示在屏幕顶端的第一个位置。111编辑菜单编辑菜单常常用于改变或修改程序菜单，它所展示的行列信息如图111，信息都显示在垂直栏中，信息与一个特定系统的可控因素相关，如设定一种特殊的气体，就会显示在横向一排的信息。（可控和因素包括温度，石墨机座转速，阀门的位置和其他的一些参数）为满足一个特殊的菜单，用户可以选择可控因素和可以以任何顺序显示那些元素。编辑程序被设计使得菜单的实际输入数据可以通过键盘有效地输入。注菜单处理器不能处理的可控因素包括（1）菜单中没有被选中的，或（2）EPI系统正在运行的菜单。菜单名称左上角的第一行表111中的DCS800标注的是反应的步骤名称，每一步都有一个名称字母AZ,数字（09）和美元符，下划线，句点来标注菜单的名称，触摸名称区域，删除原有的名称，输入新的名称，然后点击屏幕离开菜单名称界面，在保存后菜单会被重新命名。步骤栏“菜单步骤显示在第一排从9到第16图111。前三排的每一栏分别表示每一步的序号,名称,所持续的时间。前面的八个步骤都是这样显示的。”系统控制元素行在菜单左侧的第一列选定系统可控的因素，每一个可控的元素对应一个行。不管翻到哪一页，前两行始终是可见的，因为有许多步骤的序号和名称。1111显示一个菜单每个菜单可支持200列和45行。比起在一个单一的窗口显示的信息，这里有更多的信息。显示其它栏目移动所需显示的步骤号码,将十字准线移到最左边的一步可见数字框一个带着红色的步骤数目,按删除键，在键盘上,输入所需的步骤号码，或触摸到确定按钮。随着数字的输入，将显示出一个页面。左右移动菜单，每一页将显示八个步骤，向左移动将显示前面的八步，向右移动将显示后面的八步。按回车键将回到第一页，第18步。最后按钮显示页面包含最后一步和七个以前的步骤如果对于最后的步骤没有进行界定,编辑器将会跳到200步作为最后的一步）。最后一步只有当有所需时间显示时才是可见的。显示其他的行如果要显示其他的行，使用窗口中PG1,PG2,和PG3按钮，只是列的序号和名称保持不变。除此之外，如果它还包括其他的行，按钮将显示灰色，如果没有，将显示黑色。显示其他的菜单在菜单编辑中通过FILE文件夹来显示不同的菜单。创建一个新菜单可以通过FILE文件夹来创建新的菜单在菜单编辑下面的一些其他按钮CLEARPG拖动此按钮到一排的名称，并按确定按钮从显示部分和菜单以及下拉行（包括没有显示的页）中清理和删除可编辑的名称。FILES打开文件夹。MENU显示一个允许菜单被命名或保存的窗口，并且解释被编辑的部分。键盘上的方向键会使十字准线从一个位置移动另一位置（它们也因此常被叫做十字准线控制键）注TAB键主要用来校准触摸屏1112保存菜单和编辑注释在菜单编辑屏幕中最底部的MENU按钮打开了一个窗口（表112），允许保存菜单并且显示当前的信息如下所示菜单名称注释步骤序号最后一次修改的时间和日期注释有两行用来做注释（通常用来说明菜单的功能）在窗口下面的四个小框（MEMORY,LEFT,RGHT,和PCRC0）用于保存菜单，存盘或者显示循环次数。注如果窗口被打开，十字准线会提前位于MEMORY的位置。保存菜单保存菜单，（如果在菜单编辑中有任何的改变），将十字准线打到改变的位置并按确定。在保存之前菜单必须命名而且有最后一步。注注释1紧接着菜单名称下面的一行1113改变一个步骤的名称要改变一步的名称，点击当前的名称，按DELECT键删除当前的名称。输入新的名称，然后点击确定按钮。每一个名称包含7个打印字符，空间是有限的，并计数字符位置。1114改变一步所持续的时间要改变一个步骤的持续时间或步骤时间，将十字准线打到当前的时间上，按DELECT按钮恢复到0，再输入新的数字即可。（变化范围是0到6000,000秒）输入时间秒，仅仅是数字。比方说，935秒只是一个步骤的有效的时间。输入时间分钟和秒，再输入分钟后输入一个冒号。比如，943中包含了一步所需的分钟和秒。1115编辑列编辑栏功能允许用户通过清除，插入、删除或者复制步骤来使菜单合理化。注菜单窗口给出了配置信息和每一区域的每一步信息。编辑一个列要编辑一个列，首先把十字线打到列的步骤名称上，按确定按钮，编辑列的窗口将会打开（如表113）窗口中的按钮有以下功能CLEAR是当前所选列回到它们的默认值（每一页）。INSERT在当前和下一列中插入一个新的列，后面的步骤会重新编号。DELETE删除当前的列，后面的列会重新编号。COPYSTEPTO从当前列到TYPE指定列复制所有的值，再输入步骤序号后按确定按钮。COPYSTEPTHRU复制所有值从当前列到所有列，再输入步骤序号后按确定按钮。1116编辑行编辑行的功能允许使用者通过选择每一行的可变元素来实现菜单的重新构制。行的可控元素可以被删除，通过其它元素来重新设置。编辑一个行，将十字线打到行的名称上，然后点击确定按钮，编辑行的窗口将会打开（如表114），允许行被插入或者删除。删除一个行选取行，点击清除，然后点击确定按钮。重新设置行选取行，点击需要的行，然后点击确定按钮。随着初始化的进行，新的行会取代原来选择行的位置。注重新设置行当前的的可控元素和值后，所有当前的信息都会丢失。注如果可控元素被激活在配置栏中将显示为绿色，否则为琥珀色。有一些按钮没有在活动窗口显示比如V_PRESS和LCPUR。1117数据编辑区域接下来的这一段将讲述如何在一个实际菜单中编辑数据注为了在一个区域中获得更多的信息，可将十字线移到该区域并点击确定按钮，帮助窗口用来解释范围限制，单位和一些不可行的标志。行名称的右边是一个数据库（目标），每一个数据区域输入的值在菜单运行过程中会保存为每一行名称下的值。目标有两个用途作为数据的直接输入用于相应的可控性和步骤。它们常常用于打开帮助窗口。帮助窗口一个窗口用于（A）显示设置所需时间,标记，分类按钮的菜单；（B）给出额外的叙述性信息；（C）允许所需时间或标签被重新设置（比如，RAMP或VENT），并且允许下一步的值复制到其他步骤；（D）显示当前的值。设置值当一个行的可控元素被选中后，就会自动初始化为默认值。设置所需步骤的可控元素，可以点击行列交叉地方处，然后输入新的值。打开这一行的帮助窗口，点击确定按钮即可。行可控元素的标注列在表111中。注每一个可控元素都有属于自己的帮助窗口来显示被标注的部分。气体流动在说明气体流动的管道功能时；如果以前的步骤包含一个0点而且设定为0R点，这样菜单编辑将会忽视RAMP的需求，这样就会阻止不必要的气体进入反应腔室。HCL和HCL_HI默认值HCL和HCLHI行默认值设置为排空，编辑时在所有步骤的行显示为0V，为了使HCL进入反应腔室，使用者必须在ETCH中输入一个值。复制一行的值到其它行复制选中行可控元素的值从当前一步复制到所有的步骤，点击行列相交处，然后点击确定按钮，帮助窗口（图115）将会打开，输入所需步骤的名称，值就会复制到所有步骤。在例子中（表116），HCLVALVE值的步骤名称PRELOAD是CLOSED。HCLVALVE当前一步的值从第7步复制到第10步。其他可控元素的值在每一部都没有发生变化。建立一个循环常常要使一个步骤重复，在编辑语言中，这通常被称为一个循环。建立一个循环1、点击TOKEN行和想要的列的交叉处，输入X得到XREPEAT（或者按确定按钮获取帮助窗口，表116，XREPEAT可以被选到），选择目标将显示为NNLPMM2、点击确定按钮打开一个帮助信息窗口来重复有可能被选到的步骤。3、进入步骤重复NN,并且输入的次数MM重复这些步骤。注在重复步骤区域显示的步骤包含在内的将重复或循环指定的次数。含有XREPEAT的一步将不会执行循环,直到所有步骤已完成。关于标注名标注名不是文本，它们只是操作的标注或一些缩写。一个标注名通常是通过它名称的首字母来输入（表112）。在举例窗口（图117），TOKEN一行的值被设置为LOAD。额外的控制传感器在菜单中。传感器有4个位置移到朝上的