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HCl腐蚀抛光技术研究

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发表时间:2019-04-12 15:07作者:九朋新材料

HCl腐蚀抛光技术研究

摘要:

分析了HCl的腐蚀抛光原理以及HCI在外延片制作过程中的作用。从HCl的浓度、腐蚀温度、反应室压力以及衬底条件,对HCI的腐蚀特性进行了重点研究;并采用不同的工艺条件,对HCI的腐蚀抛光速率进行了对比实验。还对HCI的BC技术进行了探索,分析了BC技术的原理以及作用,为高精度外延片的制作提供了一种有效的方法。

关键词:外延层;腐蚀;抛光

1 引言

电子技术及其应用向深度和广度的发展,对硅器件提出了越来越高的要求,于是给器件工艺带来的发展特点是:大圆片化、工艺自动化、低温化、低缺陷化。而随着外延技术的发展,外延已成为器件制作中的重要工艺之一。除了常规的双极器件外,制作分立器件和功率器件采用外延结构可得到更好的器件性能,这给外延层的质量带来了更高的要求。除了外延层的厚度均匀性与掺杂均匀性之外,器件制作中特别希望降低外延层中的微缺陷。外延层微缺陷对器件性能的影响表现为多个方面,它增加了材料中的电子俘获率,使器件的电流放大系数下降,频率性能变坏,减小了自由载流子的寿命,影响器件的反偏结特性,使漏电流增大,击穿电压降低,引起扩散杂质在缺陷处的增强异常扩散,某些缺陷将使器件提早进入二次击穿区域,在较大程度上影响器件成品率。虽然有些缺陷并不引起功率晶体管的即时失效,但却会导致使用过程中器件性能的逐渐恶化,严重地影响器件的使用可靠性,所以必须在工艺上尽量减少外延层的微缺陷。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HEl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。同时,在外延生长结束后,采取原位HCl腐蚀法,对外延层表面进行第二次腐蚀抛光,不仅可以提高外延层的表面质量,而且还可以提高外延层厚度均匀性,是高精度外延片技术研究的重要方法之一。

2 HCl的腐蚀特性

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:

HCl+Si—SiCl4+H2;HCl+Si--SiHCl3+H2;HCl+Si—SiCl2+H2

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,必须合理控制反应剂的浓度。

2.1 HCl浓度

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0.1~0.5um,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一定的作用。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。研究结果表面,外延层中Fe和Cr的浓度,随HCl浓度的增加而增加。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。表l显示不同HCl浓度下的腐蚀速率。

I不同HCl浓度下的腐蚀速率

HCl浓度 腐蚀时间 腐蚀温度 原外延层厚度 腐蚀后外延层厚度 腐蚀量 腐蚀速率

L/min) (min)   (℃)     (um)        (um)           (um)  (um/min)

1.0    10     1160    32.52       32.26        0.26   0.026

2.0     10     1160     32.11       31.5l        O.60   0.060

3.O    10     1160    32.47       31.23        1.24   0.124

2.2腐蚀温度

HCl腐蚀抛光所使用的温度很严格,它与外延层的生长温度一致,特定条件下,比外延生长温度略高。HCl腐蚀温度越高,其腐蚀量就越大,高温加速了化学反应过程。而且,HCI腐蚀温度越高,外延层的层错密度就越小,这主要是与HCl的纯度有很大的关系,在低温区,HCl中的微量水分以及其它一些有害杂质会沉积在硅片表面形成缺陷区。但是,HCl腐蚀温度越高,对外延层可能要产生一些相反的结果,首先,高温会加速衬底杂质的逸出速度,部分掺杂剂会重新结合到外延层中,加剧了重掺杂衬底外延层的自掺杂。其次,HCl择优除去硅表面的掺杂剂,使衬底表面的掺杂浓度减少,会使有埋层衬底的方块电阻增加,对器件性能而言,肯定是所不希望的。表2显示不同Hcl腐蚀温度下的腐蚀速率。

2不同HCI腐蚀温度下的腐蚀速率

腐蚀温度 腐蚀时间  HCI浓度   原外延层厚度  腐蚀后外延层厚度 腐蚀量  腐蚀速率

      (min)       L/min)  (um)          (um)              (um)   (um/min)

1100      10        1.O    31.85       31.72             0.13     0.013

1140      10        1.0     31.54       31.32             0.22    0.022

1160      10        1.0    32.52       32.26             0.26    0.026

1180      lO         1.o    32.49       32.2l            0.28     0.028

从表2可以看出,随着腐蚀温度的升高,HCl的腐蚀速率也就越快,但高、低温区域腐蚀速率变化幅度是有差别的。在低温区域,腐蚀速率变化较为明显,对温度的变化也非常敏感,腐蚀速率主要由表面化学反应来控制,说明这个区域是表面化学反应速率或者反应化学动力学控制的腐蚀过程,化学反应的快慢决定着腐蚀速率。随着温度的上升,腐蚀速率会有微弱的增加,对温度的变化不是特别敏感,这是因为气相中反应剂的扩散能力虽然随温度的上升而有微弱的增加。但腐蚀速率主要由气相质量输运控制,是由单位时间内HCl输运到衬底表面的数量,或者是化学反应的副产物离开衬底表面的速率来决定的。

2.3反应室压力

反应室压力的变化,一般会引起腐蚀速率的微小变化。当反应室内压力降低,由于反应剂分压变小及动力学控制过程发生变化,腐蚀速率一般比常压低。但随着压力的降低,HCI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。

2.4衬底条件

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一定的效果。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。所以,应根据不同的衬底条件优化选择工艺。研究结果表明,对于有埋层的衬底片,在相同的HCl浓度及温度条件下,埋层中央与边缘部分的腐蚀量是不同的,中间部分的腐蚀量小于边缘部分的腐蚀量,这主要与边缘部分的微观结构有关,边缘部分的微观缺陷较多,HCl会从有缺陷的区域择优腐蚀,所以,衬底边缘的腐蚀量大于中间的腐蚀量。还有一种理论认为,衬底边缘部分的温度高于中间部分,导致边缘的腐蚀量增大。腐蚀量还与埋层的图形大小有关系,图形大的腐蚀量小于图形小的腐蚀量,这是因为图形面积越大,单位时间内消耗的HCl的浓度就越大,而面积小的则反之,所以当HCl浓度一定时,图形小的腐蚀量反而大。

实验过程还发现,<100>晶向的腐蚀量比<1 1 1>晶向的大1,这主要是因为<100>晶向的衬底片原子排列较为疏散,而<111>晶向的衬底片原子排列较为紧密。在相同温度及HCl浓度条件下,疏散的原子排列面比紧密的原子排列面的腐蚀量要大些,这也可以从多晶硅的腐蚀速率比单晶硅的腐蚀速率快得到解释。表4显示不同晶向的衬底片的腐蚀速率。

3 BC技术

所谓BC技术实际上就是HCl原位返抛光技术。它是在外延生长结束后,利用一定浓度的Hel对外延层表面进行一次腐蚀抛光,可以在一定程度上改善外延层的表面质量和厚度均匀性。外延生长结束后,其表面层富集了很多金属杂质与微缺陷,对器件的性能影响也是相当大的,采用BC技术后,有效去除表面0.1um--0.5 um,对保证外延层的表面质量是相当有效的。

外延生长过程中由于石墨基座的不平整性、加热温度梯度、气流以及硅片与石墨基座的接触状态等,导致了硅源转移至硅片表面速率不一致,造成延层厚度的不一致性。特别是片内外延层厚度的不一致性通过其它方式很难调节,Bc技术利用与与外延生长在相同条件下的两个完全相反的过程,能够很好地提高片内外延层厚度的均匀性。在外延制备过程中,外延生长快而出现外延层厚度偏厚的区域,在HCI气相返抛光时,该处滞留层会更薄,HCl气相抛光的腐蚀速率会更快。反之,对于生长速率较小的区域即外延层较薄,情况就完全相反,在HCI返抛光时,该区域滞留层厚度最厚,使HCl的抛光速率更慢。也就是说,生长快的区域有一个加速去除的过程,而生长慢的区域有一个减慢去除的规律。最终的结果是,采用与外延工艺完全相反的HCI气相抛光能有效解决多种因素引起的外延层厚度的偏差,为高精度外延片的研制提供条件。表5是利用Bc技术对外延层厚度均匀性改善的实例。

从表中可以看出,采用Bc技术后,外延层厚度均匀性有了一些改善,但其改善幅度还是有限的。要想提高外延层厚度均匀性,还必须对气流、温度、压力等进行重点研究。

4\结论

经过以上理论分析及对比实验,在外延过程中采用HCI腐蚀抛光工艺技术,对抑制某些杂质的自掺杂、提高外延层表面质量及厚度均匀性都是相当有用的。在外延工艺过程中,要根据不同的工艺参数要求,选取适当的HCI浓度、腐蚀温度以及腐蚀时间等。但在研究过程中也发现,对HCl纯度要求也极高,否则,HCl中的微量水分及一些有害杂质将对外延层的质量造成极大的影响。

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