衬底制备与外延工艺

衬底制备与外延工艺一、衬底制备硅是自然界中蕴含最丰富的元素之一，在地壳的含量仅次于氧。随着现代半导体器件和集成电路技术的发展，硅单晶已成为最重要的集成电路衬底材料，是制作复杂微电子器件的基础。半导体单晶材料是由多晶材料经过提纯、掺杂和拉制等工序制得，但这些单晶材料还不能直接用于半导体器件的制造。单晶材料经过切片、研磨、倒角、腐蚀和抛光等工序的加工，获得符合一定标准（厚度、晶向、平整度、平行度和损伤层）的单晶薄片，才可以供给外延或管芯制造使用，这个加工过程一般称为衬底制备。多晶硅制备单晶硅制备切片研磨倒角定向腐蚀抛光检验衬底晶片其中，由于单晶体具有各向异性的特点，必须按一定的晶向切割才能避免碎片和不影响器件的电参数，同时不同的半导体器件所要求的晶向也往往不同，所以切片前必须确定单晶锭的取向，然后沿某一晶向进行切片。在制作器件的大圆片上缺口所在的平面，即为定位面；研磨的目的是去除切片的刀痕和损伤层，使晶片表面平整光洁，并达到预期厚度要求，所用的高硬度磨料有金刚石、碳化硅等；倒角即将晶片边缘磨圆，以防止在以后的加工过程中发生崩边，产生碎屑；腐蚀目的是去除表面的加工损伤、应力，并使晶片有一个比较致密和清洁的背面，传统方法是采用氢氟酸和硝酸的混酸溶液；抛光目的是进一步去除加工表面残留的损伤层，以获得平整、光洁、无损伤层并有一定厚度的晶片，方法有机械研磨、化学抛光和两者结合的化学机械抛光。抛光对于制作器件是最关键的一步，抛光片可直接用于制作器件，也可作为外延的衬底材料。二、外延外延指在单晶衬底上生长一层新单晶的过程，新生单晶层的晶向取决于衬底，沿着原来的结晶轴方向由衬底向外延伸而成，故名外延。因此外延生长的结构是衬底与外延层呈一个连续的单晶体，但是衬底与外延层的物质成分不一定相同，晶体结构也不一定相同，当两者材料相同时称为同质外延，例如在硅衬底上外延硅。虽然抛光片已可直接用于制作器件，但是利用外延可以生产种类更多的材料，使器件设计有了更多的选择。外延的具体作用有：外延层的掺杂浓度受控于反应气流中的杂质含量，.在外延层与衬底间形成的P-N结杂质分布可接近于理想的突变结；双极型电路的隔离问题可通过外延和隔离扩散技术相结合解决；在重掺的衬底上生长具有较高电阻率的外延层，可以解决器件的击穿电压与串联电阻之间的矛盾、频率与功率之间的矛盾，等等。外延在双极型电路中的应用外延方法很多，硅半导体器件与集成电路中通常采用硅气相外延法，即利用硅的气态化合物，如SiCl4，在加热的硅衬底表面与氢发生反应，还原成硅，并以单晶形式淀积在硅衬底表面。反应器类型如下：水平反应器立式反应器桶式反应器以本公司线上设备为例，使用的是AMC7800系列桶式反应器：整个外延设备可分为三个主要部分：气体分配系统、加热系统、反应器。气体分配系统采用MFC（质量流量控制器）控制；加热方式为红外灯加热；对于反应器结构，考虑到受热均匀，输入气体分布均匀，防止颗粒沉降，所以衬底须旋转，并尽量处于垂直状态，这些AMC桶式反应炉比较其它水平、立式反应器有明显优势。SiCl4氢还原法过程温度在1200℃左右，可用如下方程式表示：SiCl4+2H2↔Si+4HCl高温下析出的Si原子携带大量热能，在衬底表面滑动（扩散），游移到晶核边界，挨着晶核按一定晶向排列在衬底表面适当的点阵上，这些晶核不断发展即成为新的晶层（外延层），如下示意图：由于不同的器件对外延层的导电类型、电阻率有不同的要求，因此外延时必须进行掺杂，这些杂质原子是在外延过程中与硅原子一起不断加入到晶格点阵中的。常用掺杂剂有PH3、AsH3、B2H6等，在外延过程中分解产生杂质原子，其中P和As掺杂的为N型外延层，B掺杂的为P型外延层。但是作为一个高温处理过程，外延时必然同时存在衬底与外延层间的杂质扩散，而且SiCl4氢还原反应实际是一可逆反应，存在HCl腐蚀衬底硅的过程，释放出其中的杂质，从而影响外延层杂质分布，此外整个反应系统的沾污也会产生杂质污染外延层，所有这些掺杂过程并非有意使用掺杂剂引起的，可统称为自掺杂效应。具体外延工艺过程如下：进炉HIN2冲洗H2冲洗全功率升温至850℃烘烤控制速率＜75℃/min升温至1200℃烘烤HCl腐蚀H2冲洗外延生长H2冲洗控制速率＜75℃/min降温至850℃H2冲洗降温HIN2冲洗出炉其中，分阶段升、降温可有效减少硅片内温度梯度，避免产生热应力；HCl腐蚀能在衬底表面快速而均匀地腐蚀掉一层硅，去除表面沾污和机械损伤，产生一个新鲜的表面待外延生长，可以有效减少层错，使晶体完整；外延生长时应控制稳定的气流和温度，以保证生长速率、掺杂量稳定。外延层的质量检验主要包括：缺陷密度、电阻率、厚度等。外延层的体内缺陷主要有位错和层错，位错由应力引起，层错由衬底表面的错配晶核（表面沾污或其它缺陷）随外延的增厚逐渐向上发展形成，可用铬酸腐蚀液腐蚀后观察到：{111}面外延层错{100}面外延层错{110}面外延层错外延层的表面缺陷可用肉眼或显微镜观察到，主要有伤痕、颗粒、发雾、腐蚀坑、图形漂移与畸变等。伤痕由机械损伤引起；颗粒由表面的尘粒，如硅屑引起；发雾由氧化物沾污引起，如系统泄漏、气体不纯、衬底表面沾污等，另外室内相对湿度过高及过冷的冷却水也可能导致发雾；腐蚀坑由HCl对衬底的选择性腐蚀引起；在双极型电路中衬底预先有埋层图形，理论上外延后应出现完全一致的图形，但实际会有图形漂移与畸变现象，如下示意图：外延后埋层图形的变化硅生长—腐蚀速率的各向异性是产生图形漂移与畸变的原因，{111}面易发生图形漂移，{100}面易发生图形畸变。正常情况下，外延后的{111}面图形如上图(b)所示，{100}面图形如上图(f)所示。外延层电阻率的测量可利用衬底与外延层间的PN结隔离，采用四探针法，两支探针加测试电压，两支探针加测试电流，经计算可得电阻率数值。外延层厚度的测量原理是红外干涉法，入射光在外延层表面、外延层与衬底交界处产生两处反射光，二者存在光程差，根据平行光的干涉原理可计算出厚度数值。实际应用中有四探针测试台和干涉测厚仪可以使用。以上即硅气相外延法的简要介绍，还有液相外延、分子束外延等其他外延工艺就不阐述。