重掺砷衬底外延工艺研究
图 1    外延层中的杂质浓度分布
重掺砷衬底外延工艺研究
高 翔 1，程秀兰 1，李志彭 2
（  1.上海交通大学微电子学院，上海 200030；2.上海新进半导体制造有限公司，上海 200233）
摘 要：在重掺砷（As ）衬底上生长外延层一直是外延工艺难点。外延工艺过程中由于衬底的掺 杂浓度与外延层的掺杂浓度相差很大，自掺杂与固态外扩散现象严重，使得外延过渡区变宽，工 艺很难控制。在确保外延层晶格结构完整、表面质量完美的前提下，适当增加外延生长速率、降 低外延生长温度可减小自掺杂与固态外扩散的影响。结合多晶硅背封法、二步外延法等对工艺过 程进行优化，可有效抑制自掺杂现象从而提高外延片的质量。 关键词：外延；固态外扩散；自
掺杂；多晶硅背封；二步外延
中图分类号：TN304.054
文献标识码：A
文章编号：1681-1070（2008）12-0007-03
The Investigation of the Process of Growing Epitaxial Layer on Heavy Arsenic
Doping Substrate
GAO Xiang 1, CHENG Xiu-lan 1, LI Z hi-peng 2
（1. School of Microelectronics , Shanghai Jiaotong University , Shanghai 200030, China ;
2.Shanghai SIM-BCD Semiconductor Manufacturing Co .,Ltd , Shanghai 200233,  China ）
Abstract: In this paper, the difficulty of grow epitaxial layer on heavy arsenic doping substrate has been studied, The self-dopi ng ，outward difusion in solid state can influence the impurities distribution in the area close to the boundary layer of the substrate across the depth ，Accelerate the speed of grow epitaxial layer, Reduced  the temperature of grow epitaxial layer are used to reduce the influence of outward  difusion phenomenon. Poly- silicon back-seal, two-step epitaxial and several ways are used to reduce the influence of self-doping phenomenon. Finally,the epitaxial growth technique has been optimized.
Key words: epitaxis; outward difusion; s elf-doping; poly-silicon back-seal; two-step epitaxial
1
引言
在单晶衬底上生长一单晶薄层的工艺，称为外
延。外延工艺要求外延层电阻率均匀要好，自掺杂 小，掺杂浓度控制严格，衬底与外延层界面处杂质分
布陡峭[ 1（]
外延过渡区尽量窄）。但在重掺 As 衬底生
长 N 型高阻外延层工艺过程中由于衬底的掺杂浓度 与外延层的掺杂浓度相差很大，自掺杂与固态外扩 散现象严重，使得外延过渡区变宽，工艺很难控制。
收稿日期：2008-11-26
封  装  、 组  装  与  测  试
因外延层杂质浓度N  与重掺As衬底杂质浓度N
epi sub 相差好几个数量级，所以影响外延过渡区主要是重掺As衬底向外延层的固态扩散，衬底杂质向外延层扩散的距离约为。图2  背封不完全图3  与图2 相对应的基座情况图4  完全背封图5  与图4 相对应的基座情况
表1 外延后电阻率对比
第8 卷第1 2期电子与封装
在确保外延层晶格结构完整、表面质量完美的前提下，适当增加外延生长速率、降低外延生长温度可减小自掺杂及固态外扩散的影响。
结合多晶硅背封法、二步外延法等对工艺过程进行优化，可有效抑制自掺杂现象从而提高外延片的质量。
2 原理
2.1  自掺杂
衬底中的杂质在高温下蒸发又通过气相掺入正在生长的外延层中。外延淀积前的预热阶段杂质从衬底的上、下表面蒸发，少部分穿过滞留层后进入对流层而被主气流带走，其余绝大部分留在滞留层中，如果
这些杂质在外延淀积前未被气流带走，则将在淀积过程掺入到外延层中。外延淀积过程中由于外延层覆盖了衬底，正面杂质的蒸发被抑制，这时从背面蒸发的杂质成为影响外延层掺杂浓度均匀性的主要因素[ 2 ] 。从自掺杂的形成机理来看，抑制自掺杂可从两方面入手：
（1 ）使衬底的杂质尽可能少地蒸发出来；
（2 ）使蒸发出来的杂质易于被主气流带走，尽量少掺入到外延层中。
2.2 固态外扩散衬底中的杂质与外延层中的杂质，在外延
淀积过
程中互相扩散影响衬底与外延层交界面附近的杂质
浓度分布使外延过渡区变宽。
要降低重掺As 衬底杂质外扩散的影响有两个途径：一减少外延淀积时间；二是减小As 的扩散系数。减少外延淀积时间可通过提高外延生长速率来实现，而减小As 的扩散系数可通过降低外延淀积温度。外延生长速率及外延淀积温度的确定主要是通过外延后的外延层的质量及表面状况来决定。当衬底、工艺条件确定后固态外扩散影响也相应确定。
2.3    多晶硅背封原理
外延前先对基座进行高腐蚀（高温下用HCL 腐蚀掉基座表面的硅及杂质，然后在上面包一层硅），外延过程中由于感应加热外延炉基座温度高于硅片温度，使基座上的硅向衬底背面迁移背封住衬底，抑制了重掺杂质从衬底背面蒸发，从而减少自掺杂。
多晶硅背封工艺对基座要求较高，如果使用老
化了的旧基座外延后会产生背封不完全的现象。我们在最初的实验中就遇到这种情况，经分析后更换新基座后这一问题得到解决，衬底背面被完全封住。
从图2、图3可看到当背封不完全时衬底背面仅在边缘处包有多晶硅，其余地方未包多晶硅，基座上与硅片相对应位置也仅有一圈多晶硅转移到衬底背面，大部分多晶硅没有转移。从图4、图5 可看到当完全背封时衬底背面均匀地长上一层多晶硅，基座上与硅片相对应位置上的硅全都转移到衬底背面。
当背封不完时，衬底背面蒸发的杂质无法得到有效抑制，这时外延层电阻率均匀性很差，受自掺杂影响较大外延层边缘的电阻率要比中心点的电阻率小很多，当衬底完全背封后电阻率均匀性得到很大改善。表1 为工艺条件相同，使用基座不同外延后电阻率对比。
3    工艺过程
3.1 包硅厚度的确定高腐蚀时的基座包硅厚度对
背封效果影响很
大，实践证明如果包硅过薄则无法最大限度抑制自掺杂；如果包硅太厚则会使背封后衬底背面粗糙产生翘曲光刻时无法曝光。经过多次实验验证，当包
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图 6  第一步外延太薄
图 7  第一步外延太厚
作者简介：
高翔（1974- )，男，福建晋江人， 硕士，现为上海新进半导体有限公司 外延工艺工程师，从事外延工艺研发 及相关产品良率提升；李志为什么被全网封
程秀兰，女，上海交通大学微电子 学院副教授、硕士生导师，主要研究方
向为微电子器件与工艺。
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H H    2
第 8 卷第 1 2 期
高 翔， 程秀兰，李志彭： 重掺砷衬底外延工艺研究
硅厚度为 10 μ m 时效果最佳。 3.2 选择合适的硅源
● SiCl 的工艺温度 T 在 1 150℃~1 200℃，生长速 率 V 在 0.5 μm/min~1.0 μm/min ；
●
SiHCl 的工艺温度T 在1 100℃~1 200℃，生长
速 率 V 在 1.0 μm/min~3.0 μm/min ；
外延温度越低则杂质从衬底中逸出的越少，外 延生长速率越大则相应生长时间越短，自掺杂对工艺 的影响也相应减小，选择SiHCl  进行工艺比用SiCl 好。
3
4
3.3 外延淀积前赶气时间确定
自掺杂的大部分杂质是在外延淀积前的预热阶 段由衬底蒸发出来的，外延淀积前必须在高温下大
流量赶气（  ）从而将滞留层中的杂质及吸附在基 2
座、硅片表面及系统中的杂质尽可能赶走[ 3 , 4 ]
。 赶气时间由外延后硅片浓度分布曲线来决定， 赶气时间过短则赶气效果不理想，赶气时间过长会 浪费气体、影响产能。
经多次试验我们发现当赶气时间为 5min 时效果 较理想，如继续增加赶气时间虽然能继续改善浓度 分布曲线，但改善程度很有限。 3.4 二步外延
第一步在衬底上生长一层不掺杂的本征外延， 作用是覆盖衬底表面抑制杂质从衬底表面蒸发、补 偿固态外扩散、自掺杂等对浓度曲线的影响，第一 步外延的厚度由外延后硅片浓度分布曲线决定，如 果过薄则补偿不够，如果过厚则会使曲线翘曲。第 二步外延是根据外延层电阻率要求加入一定的掺杂 生长外延。
第一步与第二步外延之间必须大流量赶气体  （ ），作用也是将滞留层中的杂质及吸附在基座、
2
硅片表面及系统中的杂质尽可能赶走。赶气时间由 外延后硅片浓度分布曲线来决定，赶气时间过短则 赶气效果不理想，赶气时间过长会浪气体影响产能。 经大量实验我们发现赶气时间为 15min  时可达到较 佳效果。
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多晶硅背封工艺的优点及局限性
由于多晶硅背封外延工艺之前必须对基座进行
高腐蚀，这样上一炉外延后在系统中产生的杂质对 下一炉外延影响较小，炉间的电阻率重复性能得到
多晶硅外延工艺的局限性在于对基座要求较 高，过多的高腐蚀会使基座老化影响基座寿命。还 有高腐蚀占用了大量的工艺时间对产能影响较大。
5
结论
结合多晶硅背封法、二步外延法等对外延工艺
进行优化，可在重掺 As 衬底上生长出较为理想的外 延层，得到高质量的外延片。
参考文献：
［1］杨树人，丁墨元.  外延生长技术[J]，1991.
［2］朱丽娜，闵靖. 硅外延片中的杂质控制[J]. 上海有金
属，24（1）：32-38.
［3］B.A.Joyee, J.ElCetocrhem. Soc.115,  1965. ［4］J.L.Deines, lbid. 121.3.91C.Abstract 62,  l974.
较好的控制。通过与用 SiO 背封衬底片外延后的对
比发现前者的外延质量要好于后者。
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