一般而言,一项完整的外延工艺包括3个环节:
首先,根据需要实现的工艺结果对硅片进行预处理,包括去除表面的自然氧化层及硅片表面的杂质,对于重搀杂衬底硅片则必须考虑是否需要背封(backseal)以减少后续外延生长过程中的自搀杂。
然后在外延工艺过程中需要对程式进行优化,如今先进的外延设备一般为单片反应腔,能在100秒之内将硅片加热到1100℃以上,利用先进的温度探测装置能将工艺温度偏差控制在2度以内,反应气体则可通过质量流量计(MFC)来使得流量得到精准控制。在进行外延沉积之前一般都需要H2烘烤(bake)这一步,其目的在于原位(in-situ)去除硅片表面的自然氧化层和其他杂质,为后续的外延沉积准备出洁净的硅表面状态。
最后在外延工艺完成以后需要对性能指标进行评估,简单的性能指标包括外延层厚度和电特性参数, 片内厚度及电特性均匀度(uniformity),片与片间的重复性(repeatability),杂质颗粒(particle)数目以及污染(contamination)
;在工业生产中经常要求片内膜厚及电性的均匀度<1.5%(1σ),对硅片厂家来说经常还要考查外延层的扩展电阻率曲线(SRP)以确定是否有污染存在及污染物杂质的量。特别地,对于SiGe工艺我们经常还需要测量Ge的含量及其深度分布,对于有搀杂的工艺我们还需要知道搀杂原子的含量及深度分布。另外晶格缺陷(defect)也是我们必须考虑的问题,一般而言,常常出现的有四种缺陷,包括薄雾(haze),滑移线(slip line), 堆跺层错(stacking fault) 和穿刺(spike),这些缺陷的存在对器件性能有很大影响,可以导致器件漏电流增大甚至器件完全失效而成为致命缺陷(killer effect)。一般来讲消除这些缺陷的办法是检查反应腔体漏率是否足够低(<1mTorr/min),片内工艺温度分布是否均匀,承载硅片的基座或准备的硅片表面是否洁净、平坦等。
经过外延层性能指标检测以后我们还需要对外延工艺进一步优化,以满足特定器件的工艺要求。
硅衬底外延:硅片制造中为了提高硅片的品质通常在硅片上外延一层纯净度更高的本征硅;或者在高搀杂硅衬底上生长外延层以防止器件的闩锁(latch up)效应。
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