8英寸薄层硅外延片工艺设计与实现

摘要

硅外延片材料是当代大规模集成电路和其他半导体硅器件的基础功能材料，直接支撑了电子信息技术产业的发展。其中，薄层硅外延在半导体器件中承载了重要的电路功能，N/N+硅外延片主要应用在超大规模集成电路和分立器件中。目前8英寸集成电路在我国集成电路总产量中占有很大份额，但国产8英寸硅外延材料无论是产能还是质量方面，均无法满足国内日益增加的市场需求。同时由于抛光片尺寸增加，在N型高浓度衬底上生长外延层，其关键参数-电阻率和厚度的均匀性越来越难以控制。因此通过工艺设计去改善8英寸薄层硅外延产品参数的均匀性很有现实意义。
　　本文介绍了硅外延的生长特点和工艺基础，针对8英寸薄层硅外延的应用进行了一系列说明，分析了影响外延层电阻率均匀性、厚度均匀性以及晶体质量的关键因素。通过设计不同实验以分析硅源流量和生长温度对硅片内各个位置生长速率的影响，测试数据表明导致N/N+硅外延片厚度不均匀的主要因素是热场分布不均匀。使用边缘区域温度补偿和改善气流分布的工艺设计，提升了热场分布的均匀性，改善了8英寸N/N+硅外延材料的外延厚度均匀性，可控制为＜0.8％。N/N+硅外延材料电阻率不均匀的主要因素是重掺抛光片杂质的气相自掺杂和固态扩散效应。本文设计了一种改进的抛光片原材料，使用高温处理法、本征生长法以及两步外延生长等一系列工艺技术，有效降低了自掺杂和扩散效应，使得薄层硅外延层有较陡的纵向电阻率分布，同时提高了8英寸N/N+硅外延片的电阻率均匀性，可控制为＜2％。
　　采用本文方法制作出的8英寸外延材料已应用在我国的半导体集成电路和其他半导体器件的生产中，并且通过了验证，推动了关键材料的国产化进程。

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摘要

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表格目录

第1章 绪论

1．1 研究背景和意义

1．2 国内外发展动态

1．3 研究内容和设计指标

1．3．1 硅外延生长的技术问题

1．3．2 论文内容

1．3．3 论文设计指标

1．4 论文组织结构

第2章 硅外延工艺基础和应用

2．1 化学气相外延基本原理分析

2．1．1 CVD外延生长特点

2．1．2 外延化学反应

2．2 外延层表征技术

2．2．1 外延层厚度的测量

2．2．2 外延层电阻率的测量

2．2．3 外延层的其他表征手段

2．3 硅外延设备

2．4 硅外延片在半导体器件中的应用

2．4．1 SBD管

2．4．2 VDMOS管

2．5 本章小结

第3章 提升外延参数均匀性的工艺设计

3．1 提升外延层电阻率均匀性的工艺设计

3．1．1 外延层中自掺杂机理分析和气相／固相扩散

3．1．2 改善电阻率均匀性的方法

3．1．3 提升电阻率均匀性的工艺设计及实验结果

3．2 提升外延层厚度均匀性的工艺设计

3．2．1 外延层厚度均匀性影响因素分析

3．2．2 生长速率对于厚度均匀性的影响

3．2．3 生长温度对于厚度均匀性的影响

3．2．4 提升厚度均匀性的工艺设计及实验结果

3．3 本章小结

第4章 提高外延层晶体质量的工艺设计

4．1 外延主要缺陷分析及工艺设计

4．1．1 外延层错

4．1．2 滑移线

4．1．3 雾状缺陷

4．1．4 外延层缺陷改进工艺设计及实验结果

4．1．5 一种新型环保的腐蚀方法

4．2 外延层重金属沾污分析及工艺设计

4．2．1 重金属沾污影响因素分析

4．2．2 降低重金属沾污的方法和工艺

4．2．3 降低外延层重金属沾污的实验结果

4．3 本章小结

第5章 两种硅器件产品外延工艺设计和实现

5．1 某SBD用超薄层外延产品的工艺设计和实现

5．2 某低压VDMOS产品的硅外延工艺设计和实现

5．3 本章小结

第6章 本文工作总结和展望

6．1 工作总结

6．2 工作展望

致谢

参考文献