锗硅外延工艺的调试和优化

摘要

外延(Epitaxy,简称Epi)工艺是指在单晶衬底上生长一层跟衬底具有相同晶格排列的单晶材料,外延层可以是同质外延层(Si/Si),也可以是异质外延层(SiGe/Si或SiC/Si等);同样实现外延生长也有很多种方法,包括分子束外延(MBE),超高真空化学气相沉积(UHV/CVD),常压及减压外延(ATM& RP Epi)等等。
　　 其中Si1-xGex/Si基区异质结双极型晶体管(heterojunction bipolar transistor,HBT)由于具有很好的噪音、电流增益和线性度等性能,已变成应变Si1-xGex/Si材料在器件应用领域中最重要的成就,目前已有批量生产,并逐渐变成了很多新产品应用的重要技术,而且SiGe HBT已经融入了很多针对通讯产品的半导体公司的技术发展方向,但由于器件的需要,作为基区的SiGe外延生长必须在较低的温度下进行,这导致其相对于常规高温外延工艺较难控制,因此深入的研究和优化用于HBT的锗硅外延工艺就显得异常重要。
　　 本论文工作首先对实验所用设备及关键部件做了简单介绍,并对设备验收的结果做了简单描述。
　　 随后通过理论与实践相结合,在不同的工艺条件下(包括温度、氢气流量、硅烷流量、锗烷流量、反应腔压力)进行选择性实验设计(Screen DOE),对单一组分锗硅工艺的各种性质(不同层次的膜厚、锗组分)进行分析,并从实验中得出如下结论:
　　 (1)硅覆盖层(Cap Layer)生长速率对温度极敏感,随着温度升高淀积速率线性增加。同时,硅覆盖层生长速率对SiH4和H2流量也较敏感,与反应腔压力几乎无关,当SiH4流量增加时,硅覆盖层生长速率也随之增加;而当H2流量增加时,由于SiH4分压降低,所以硅覆盖层生长速率降低。
　　 (2)锗硅层(Block Layer)生长速率除与反应腔压力几乎无关外,随着温度的升高,GeH4和SiH4流量的变大,膜厚均增加;与硅覆盖层相同的是,当H2流量增加时,锗硅层生长速率显著降低。
　　 (3)锗硅中的锗含量(Ge％)随GeH4流量的变化而显著变化,GeH4流量越高则锗含量越高,反之GeH4流量越低则锗含量越低;当温度上升或SiH4流量上升时则Ge％则下降,这是因为GeH4是完全反应,当温度或SiH4流量上升时,淀积速率上升,锗硅层膜厚变厚,而参与反应的GeH4并没有变化,所以Ge％则相应降低,当H2流量上升时Ge％轻微下降,而Ge％对压力几乎无关。
　　 基于以上实验结果优化出的工艺参数(气体流量、反应腔压力、温度等),应用在量产品工艺程序上,器件需要我们采用的是Ge含量渐变且B2H6浓度变化的锗硅工艺。首先是一层薄的纯外延过渡层,厚度大约为230(A),其中不掺Ge也不掺B2H6,随后是Ge含量线性变化的锗硅工艺,锗含量分布呈非对称梯形分布,过渡量从0％逐渐变化为12％,其厚度大约为120(A)左右,随后是一段锗含量稳定保持在12％的水平区间,其厚度大约为230(A)左右,然后是一段锗含量从12％缓慢变化为0％的区间,最后是一段硅覆盖层。整个过程B2H6掺杂流量是变化的,B含量也是变化的,其中B峰值浓度约为2.5×1019 atom/cm3,其距离EB结处(也就是表面)的厚度约为220(A),EB结处的B浓度大约为4×1018 atom/cm3左右。各区间B和Ge的分布都没有明显的突变过程,都是连续性变化。
　　 在0.35μm的BiCMOS产品中使用锗硅工艺作为基区,形成异质结,同时将硅覆盖层厚度、B浓度、Ge浓度以及实际工艺时的反应腔温度作了一个工艺窗口实验,并对电流放大倍数β、VBE、BVEBO、BVCEO、BVCEO进行了分析,对工艺窗口做了进一步的确定。
　　 最后,本文对锗硅工艺调试过程中碰到的一些问题以及解决的方法作了一个简单的描述,其中包括方块电阻呈特殊图形分布的问题;SiGe异常颗粒判断与解决办法。