硅外延层电阻率的控制

3微缺陷：杂质沾污，特别是Fe和Ni
▪ 产生：杂质沾污，Fe、Ni的影响最大 ▪ 消除： 1 工艺中注意基座及系统的清洁处理 2 采用吸杂技术：利用背面的位错吸收有害杂
质，是外延层中的有害杂质和微缺陷减少
5-4 外延生长的工艺问题
一、外延生长设备
立式：旋转，掺杂均匀性好 圆桶式：不易颗粒沾污、 辐射加热：均匀性好，减少应
1. 采用低温外延技术和不含卤素的硅源， 2. 应用较稳定的掺杂剂：使用蒸发速度和扩散系数较小
的衬底和埋层掺杂剂
3. 外延前高温加热衬底，使衬底表面附近形成一杂质耗 尽层；
4. 采用背面封闭技术，在背面预先生长高纯的SiO2或多 晶硅封闭后再外延；
5. 采用二段外延生长技术：覆盖—吹气—生长 6. 减压生长技术：使已蒸发到气相中的杂质被抽走 7. 在HCl刻蚀后采用低温吹气的工艺以保证XCl3被带出
5－4 硅外延层的缺陷
▪ 分类： 一：表面缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移 线等 二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错
5－4－1外延片的表面缺陷
▪ 云雾状表面
外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以 ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ到。
一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛 光浓度过大，生长温度太低等引起的。
红外反射测量技术 层错法（测量特征腐蚀坑边长） ▪ 晶体缺陷： ▪ 电学性质：四探针法
扩展电阻探针
E3B+y(v%r#oXlTiQeNbK8G5D 2A- x*t$qZnVkShPdM aI7F4C 0z) w&s!pXmUjRfOc L9H6E2B+ y(u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A- x*t$qYnVkSgPdMaI7F 3C0z) v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+ x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A- w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y) v&s#pXlUiRfNcK9H5E2B+ x(u$rZoW kThQeMbJ7G4D1z- w*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y) v%s#pXlUiQfNcK8H5E2A+ x*u$rZ nWkThPeMaJ 7G4C1z- w&t!qYmVj RgOdL9I6F3B0y( v%s #oXlUi QfNbK8H5D2A+ x*u$qZnWkShPeM aJ7F4C1z) w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+ y( v%r#oXl TiQfNbK8G5D 2Ax*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z) w&s!pYmUjRfOcL9H6E3B+ y( u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A- x*t$qYnVkSgPdMaI7F3C0z) v&s!pXmUjRfOcK9H 6E2B+ y(u%rZ oWlThQeNbJ 8G4D1A- w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y) v&s#pXmUi RfNcK9H5E2B+ x(u$r ZoWkT hQeM bJ8G4D1z- w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C 0y) v%s #pXlUi RfNcK8H5E2A+ x(u$rZnWkThPeM bJ7G4C1z- w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y( v%s#oXl UiQfNc K8H5D 2A+ x* u$rZnW kShPeMaJ7G4C1z) w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y( v%r#oXlTiQfN bK8G5D2Ax*u$qZnVkShPdMaJ7F4C1z) w&s!pYmUjRgOcL9H6E3B+ y( v%r#oWlTiQeNbK8G5D1A - x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z ) v&s!pXmUjRfOcK9H6E2B+ y(u%r #oWlThQeNbJ 8G5D1A- w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z) v&s#pXmUi RfOcK9H5E2B+ x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z- w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y) v&s#pXl UiRfNc K9H5E2A+ x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z- w&XmU iRfOc K9H5E2B+ x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1A- w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y) v&s#pXl UiRfNc K9H5E2A+ x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1zw&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v% s#oXlU iQfNc K8H5E2A+ x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z- w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y( v%s#oXl TiQfN bK8H5D2A- x* u$qZnWkShPdMaJ7F 4C1z) w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+ y( v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A- x*t$qZnVkShPdMaI7F 4C0z) w&s!pXmUjRfOcL9H 6E2B+ y(u%r#oWlTi QeNbJ8G5D1A- x*t$qYnVkSg PdMaI7F3C0z) v&s!pXmUi RfOcK9H6E2B+ x(u%r ZoWlT hQeM bJ8G4D1A- w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C 0y) v&s #pXmU iRfNcK9H5E2B+ x(u$rZoWkThQeMbJ7G4D1zw*t!qYmVjSgOdLaI6F3B0y)v% s#pXlUi QfNcK8H5E2A+ x*u$rZnWkThPeM bJ7G4C1z- w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y( v%s#oXl UiQfNbK8H5D2A+ x* u$qZnWkShPeMaJ7F4C1z) w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+ y( v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A- x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z) w&s!pYmUjR fOcL9H6E3B+ y(u%r #oWlPeMaJ7F4C1z) w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y( v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A- x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z) w&s!pYmUjRfOcL9H 6E3B+ y(u%r#oWlTi QeNbK8G5D1A- x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z) v&s!pXmUj RfOcK9H6E2B+ y(u% rZoWl ThQeN bJ8G4D1Aw*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y)v&s #pXmU iRfOc K9H5E2B+ x(u%rZoWkThQeMbJ8G4D1z- w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y) v%s#pXl UiRfN cK8H5E2A+ x( u$rZnW kThPeMbJ7G4D1z- w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y) v%s#oXlUiQfNcK8H 5D2A+ x*u$rZnW kShPeMaJ 7G4C1z) w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y( v%r#oXlTiQfNbK8H5D2A - x*u$qZnWkShPdMaJ7F4C 1z) w&s!pYmU jRgOcL9H6E3B+ y( v%r#oWlTiQeN bK8G5D1A- x* t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z) w&s!pXmUjRfOcL9H6E2B+ y( u%r#oWlThQeNbJ8G5D1A w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C0z)v&s #pXmUiRfOc K9H5E2B+ x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A- w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y) v&s#pXl UiRfNc K9H5E2A+ x(u$rZoWkThPeMbJ7G4D1z- w&t!qYmVjSgOdL9I6F 3B0y) v%s#pXlUiQfN cK8H5E2A+ x*u$rZnW kThPI6F3C0y) v&s#pXlUi RfNcK9H5E2A+ x(u$r ZoWkT hPeMbJ7G4D 1z- w*t!qYmVj SgOdLaI6F3B0y) v%s #pXlUi QfNcK8H5E2A+ x*u$rZnWkThPeM aJ7G4C1z- w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y( v%s#oXl TiQfNbK8H5D 2A+ x*u$qZnWkShPeMaJ7F 4C1z) w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B+ y( v%r#oXlTiQeNbK8G5D2Ax*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z) w&s!pYmUjRfOc L9H6E3B+ y(u%r#oWlTiQeNbJ8G5D1A- x*t$qYnVkSgPdMaI7F 3C0z) v&s!pXmUiRfOcK9H6E2B+ x( u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A- w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y) v&s#pXmUiRfNcK9H5E2B+ x(u$rZ oWkThQeMbJ7G4D 1z- w*t!qYmVj SgOdLaI6F3B0y) v%s #pXlUi RfNcK8H5E2A+ x(u$r ZnWkThPeM bJ7G4C1z-s#pXmUi RfNcK9H5E2B+ x(u$r ZoWkT hQeM bJ7G4D1z- w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C 0y) v%s #pXlUi RfNcK8H5E2A+ x(u$r ZnWkThPeM bJ7G4C1zw&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y(v% s#oXl UiQfNbK8H5D 2A+ x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z) w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y( v%r#oXlTiQfN bK8G5D2A- x* u$qZnVkShPdMaJ7F 4C0z) w&s!pYmUjRgOcL9H 6E3B+ y( v%r#oWlTi QeNbK8G5D1A- x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z) v&s!pXmUj RfOcK9H6E2B+ y(u% rZoWl ThQeN bJ8G5D1A- w*t$qYnVkSg PdLaI7F3C0z) v&s#pXmUiRfOc K9H5E2B+ x(u%rZoW kThQeMbJ8G4D1z- w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y) v%s#pXlUiRfN cK9H5E2A+ x(u$rZoW kThPeMbJ7G4D1z w&t!qYmVjSgOdL9I6F3B0y)v% s#oXlU iQfNc K8H5D 2A+ x*u$rZnWkShPeMaJ7G4C1z- w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y( v%s#oT hPeMbJ7G4D 1z- w&t!qYmVj SgOdL9I6F3B0y) v% s#oXlUi QfNcK8H5D2A+ x*u$rZnWkThPeMaJ7G4C1z- w&t!pYmVjRgOdL9I6E3B0y( v%s#oXl TiQfNbK8H5D2A- x*u$qZnWkShPdMaJ7F 4C1z) w&s!pYmUjRgOcL9I6E3B+ y( v%r#oXlTiQeNbK8G5D2A- x*t$qZnVkShPdMaI7F4C0z) w&s!pXmUjRfOcL9H 6E2B+ y(u%r#oWlThQeNbJ 8G5D1A- w*t$qYnVkSgPdMaI7F3C 0z) v&s!pXmUi RfOcK9H6E2B+ x(u%rZoWl ThQeMbJ8G4D1Aw*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0y)v&s#pXlUi RfNcK9H5E2B+ x(u$r ZoWkT hQeMbJ7G4D 1z- w*t!qYmVj SgOdLaI6F3B0y) v%s #pXlUi QfNcK8H5E2A+ x*u$rZnWkThPeM aJ7G4C1z- w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y( v%s#oXl UiQfNbK8H5D 2A+ x* u$qZnWkShPeMF3B0y) v%s #pXlUi QfNcK8H5E2A+ x*u$r ZnWkThPeM bJ7G4C1z- w&t!qYmVjRgOdL9I6F3B0y( v%s#oXl UiQfNbK8H5D 2A+ x* u$qZnWkShPeMaJ7F 4C1z) w&t!pYmUjRgOcL9I6E3B0y( v%r#oXlTiQfNbK8G5D2A- x*u$qZnVkShPdMaJ7F4C0z) w&s!pYmUjRfOcL9H 6E3B+ y(u%r#oWlTi QeNbJ8G5D1Ax*t$qYnVkSgPdMaI7F4C0z)v&s!pXmUjRfOc K9H6E2B+ y(u%rZoWlThQeNbJ8G4D1A- w*t$qYnVjSgPdLaI7F3C0y) v&s#pXmUiRfN cK9H5E2B+ x(u%rZoW kThQeMbJ 8G4D1z- w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y) v%s#pXlUiRfNcK8H 5E2A+ x(u$rZ nWkThPeMbJ 7G4C1z- w&t!qYmVj SgOdL9I6F3B0y) v%s #oXlUi QbJ8G4D1z- w*t!qYnVjSgOdLaI6F3C0y) v%s#pXl UiRfNc K8H5E2A+ x(u$rZnWkThPeMbJ7G4D1z- w&t!qYmVjSgOdL9I6F 3B0y) v%s#oXlUiQfN cK8H5D2A+ x*u$rZnW kShPeMaJ7G4C1z ) w&t!pYmVjRgOcL9I6E3B0y( v%s#oXlTiQfNbK8H 5D2Ax*u$qZnWkShPdMaJ7F 4C1z) w&s!pYmUjRgOcL9H 6E3B+ y( v%r#oWlTi QeNbK8G5D1A- x*t$qZnVkSgPdMaI7F4C0z) w&s!pXmUj RfOcL9H6E2B+ y(u% r#oWlT hQeNbJ8G5D 1A- w*t$qYnVkSgPdLaI7F3C 0z) v&s #pXmUiRfOc K9H5E2B+ x(u%rZoWlThQeMbJ8G4D1A- w*t!qYnVjSgPdLaI6F3C0
当衬底中硼的含量大于31016cm－3时，外延层中 就容易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快， 结果使得硼扩散到外延层中补偿了N型杂质，形成 了一个高阻层或反型层。
解决办法：一是提高重掺杂单晶质量；二是在工 艺中防止引入P型杂质，降低单晶中B的量；三是在 外延生长时可以先长一层N型低阻层作为过渡层， 控制夹层,但这不是根本办法。
▪ 外延最初阶段，表面蒸发控制，V=NsubK 经过一段时间后，固态扩散控制，V∝D k很小时， V=NsubK 与时间无关
造成自掺杂的其他原因
▪ 卤化物硅源外延生长时，对衬底的腐蚀作用 造成衬底中的杂质生成相应的卤化物进入停 滞层中，一部分被还原掺入外延层中
▪ 基座，生长系统的污染 衬底杂质→基座→外延层 反应室的记忆效应
落等 ▪ 塌边：边缘部分低，衬底加工时造成晶体向偏离 ▪ 滑移线：平行的高低不平的线条，热应力造成
内部缺陷的产生及消除办法
1、外延层中层错的产生机制及消除办法 衬底上微小的划痕、浅平坑、沾污都可能成为 层错的成核源 层错多发生在衬底-外延层的交界处 消除：a)选择好的衬底，清洁 b)外延前气相抛光 c)外延前热处理
系统
5-3-4 外延层的夹层
▪ 外延层的夹层指的是外延层和衬底界面 附近出现的高阻层或反型层。
外延夹层产生的原因有两种：
▪ 一种认为P型杂质沾污，造成N型外延层被高度补 偿
解决办法：P型杂质主要来源于SiCL4，只要提高 SiCL4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。 ▪ 第二种情况是由于衬底引起的
▪ 对于埋层衬底：由于高浓度的埋层很快被轻掺 杂的材料覆盖，自掺杂效应中止
▪ 对于重掺杂衬底：正面被封住，边缘及背面的 蒸发仍可继续，但随时间减少
▪ 由于自掺杂和外扩散的存在，设置了一个外延 层的最小厚度和掺杂水平的极限，同时使界面 处杂质分布变缓，造成器件特性偏离，可靠性 降低，因而必须减少它
抑制自掺杂
外延生长的主动（人为）掺杂
▪ 外延用N型掺杂剂：PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3 P型掺杂剂BCL3,BBr3，B2H6
▪ 方式：在反应气体中（硅源、氢气）中加入掺杂剂 ※注意掺杂浓度计算， 固相中 掺杂剂/硅≠气相中 掺杂剂/硅 影响掺杂的因素：衬底温度、沉积的速度、掺杂剂摩
尔分数、反应室几何尺寸、衬底及系统等等 没有一个简单的准则，要针对每个过程经验地确定
2、外延层中位错的产生机制及消除办法
产生机制： 1 原衬底位错延伸引入的 2 掺杂和异质外延时，外延层和衬底间晶格参数差异引
入内应力导致失配位错。 3 超过了屈服强度的热应力引起滑移 消除办法：1 选择无位错衬底 2 双掺杂技术：同时引入原子半径不同的两种杂质原子 3采用红外辐射加热或在硅片上方安置热反射器
▪ 划痕：由机械损伤引 起
▪ 星形线（滑移线）：
各种表面缺陷的来源
▪ 主要来源于沾污和硅片的预处理过程 ▪ 角锥体：沙丘状突起，外来杂质上的非均匀成核；衬底
上微小的局部的晶向偏离，造成生长速度的差异
▪ 云雾状表面：氢气的纯度低，含水过多，气相抛光浓度 过大，生长温度低等
▪ 划痕：机械损伤、表面不洁 ▪ 亮点：发亮的小圆点，抛光不充分，表面污染，颗粒脱
N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因 此称为外掺杂
N扩散，N衬底，N邻片的杂质来源于衬底片，通 称为自掺杂
广义上：外延生长时由衬底、基座和系统等 带来的杂质进入到外延层中的非人为控制 的掺杂称为自掺杂
外掺杂：主要指人为控制的掺杂
5-3-3外延层生长中的自掺杂
▪ 造成自掺杂的主要原因
外延生长时衬底受热，杂质由衬底内部扩散到表面， 再由表面蒸发到气相中，它们的一部分在停滞层内 贮存，并沿气流方向扩散，然后在外延生长时又重 新掺入外延层中。外延生长开始后，衬底正面的蒸 发受到抑制，自掺杂主要来自衬底背面杂质的蒸发。
5－3 硅外延层电阻率的控制
▪ 不同器件对外延层的电参数要求是不同的， 通常VLSI要求：在重掺杂的衬底（10191021cm-3）上生长一层轻掺杂（1014-1017cm-3） 的外延层
CMOS器件要求：衬底均匀掺杂 双极型IC要求：衬底中有埋层（轻掺杂的衬底 中扩散有重掺杂的隔离区域）
▪ 这就需要在外延生长过程中，精确控制外延层 中的杂质浓度和分布来解决
力
二、选择硅源
▪ SiCl4 :沉积温度高（1150～1250℃），导致严重的自掺杂和外 扩散
优点：反应室壁上很少沉积，减少了壁上Si颗粒剥落的沾污 适用：沉积厚的可忍受自掺杂和外扩散的外延层 ▪ SiHCl3：沉积温度稍低（1100～1150 ℃）并不优于SiCl4，很
少用 ▪ SiH2Cl2：较低温度（1050～1100 ℃）减少了自掺杂和外扩
▪ 角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘， 用肉眼可以看到。
雾状表面缺陷 ①雾圈
②白雾
③残迹
④花雾
①雾圈
②白雾
③残迹
④花雾
角锥体
▪ 亮点：外形为乌黑发亮的小圆点
▪ 塌边：又叫取向平面，它是外延生长后 在片子边缘部分比中间部分低形成一圈 或一部分宽1～2mm左右的斜平面。
形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏 离衬底片晶向。
散，可以得到高质量外延层，比SiCl4和SiH4更小的缺 陷密度，增加器件的产出 ▪ SiH4： 低温（1000～1100 ℃），非常少的自掺杂和外扩散， 较陡浓度梯度的外延层，没有逆向腐蚀， 缺点：在较低温度下发生热分解，引起反应壁上的严重淀积 适合：长薄的外延层
三、外延层的表征
▪ 表面质量、厚度、晶体缺陷、电学性质 ▪ 表面质量：光学显微镜、表面扫描激光缺陷计数器 ▪ 厚度：现代分析天平称重（平均厚度）
5-3-2 外延中杂质的再分布
▪ 外延层中含有和衬底中的杂质不同类型的 杂质，或者是同一种类型的杂质，但是其 浓度不同。
▪ 通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂 浓度梯度很陡，但是由于外延生长是在高 温下进行，衬底中及其他部分的杂质会进 入外延层，使得外延层和衬底之间界面处 的杂质浓度梯度变平
只考虑衬底中杂质扩散进入外延层时： N（x,t）=N1（x,t） ±N2（x,t）
▪ N1为衬底中杂质在外延层中的分布 常规外延生长时，相当于一个恒定界面浓度杂 质源的余误差分布
▪ N2为掺入杂质Nf在外延层中的分布
5-3-1 外延层中的杂质及掺杂
▪ 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示
为：N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统 ▪ N分衬量底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量