集成電路工藝之外延

1、第八章 外 延 外延工藝是在60年代初發(fā)展起來的一種 極其重要的技術(shù)，目前得到十分廣泛的 應(yīng)用。 外延是薄膜淀積的一種特殊類型。前面介紹的淀 積方法形成的是無定型或者多晶的薄膜，但外延 是在半導(dǎo)體晶體上外延生長一層單晶層。外延這 個詞源于希臘語，意思是“在上方排列”。通常 外延層是由四氯化硅或者由硅烷化合物（sih4， sih2cl2，sihcl3）分解而生成的，這與在cvd中 發(fā)生的反應(yīng)相類似，硅的外延層是沿襯底硅的晶 向生長的。外延層的摻雜與襯底摻雜不同，在外 延的過程中通入磷烷（ph3），乙硼烷（b2h6）， 或砷烷（ash3）可以控制外延層的摻雜。標(biāo)準的 整個晶片的外延必須在工藝流程開

2、始之前進行， 即在生長或淀積其他需要保留的表面薄膜之前完 成。還要說明的一點是，晶片供應(yīng)商提供的硅片 有些已經(jīng)生長有外延層。 在硅片表面生長單晶層的分類： 氣相外延（vpe） 金屬有機物化學(xué)汽相淀積（mocvd） （也是vpe的一種，不做si外延，生長鐵電 薄膜，金屬氧化物，iii-v族化合物） 分子束外延（mbe） （生iii-v族化合物） 在集成電路中，外延是指在單晶襯底上按 襯底晶向生長單晶薄膜的工藝過程。從廣 義上說，外延也是一種化學(xué)氣相淀積工藝。 （由襯底向外延伸外延，重要：可方便 控制雜質(zhì)濃度，不依賴襯底，形成突變結(jié)） 同質(zhì)外延：生長的外延層和襯底為同一種 材料。（應(yīng)用廣泛） （外

3、延技術(shù)中最重要、應(yīng)用最廣泛的是硅 的同質(zhì)外延） 異質(zhì)外延：外延生長的材料與襯底材料 不同。 （在藍寶石上生長硅，硅上生長gesi， alxga1-xas上外延gaas等，要求襯底與薄 膜的晶格常數(shù)差別不大） 根據(jù)向襯底輸送原子的方式可以把外延分 為三種： 氣相外延（vpe)：應(yīng)用廣泛，技術(shù)成熟，能很好 地控制薄膜厚度、雜質(zhì)濃度和晶體的完整性（在 硅工藝中起主導(dǎo)作用） ；外延溫度較高（800- 1150）以保證晶體完整性 ，對雜質(zhì)再分布影響 大。 液相外延（lpe)：iii-v族化合物，如gaas和inp 固相外延（spe)：離子注入后造成的損傷會形成 非晶區(qū)，在退火過程中可通過固相外延轉(zhuǎn)變?yōu)榫?/p>

4、 體。 外延層的作用： 雙極器件中解決了高頻功率器件的擊 穿電壓與集電極串聯(lián)電阻對集電區(qū)電 阻率要求之間的矛盾。 在mos器件中解決了閂鎖效應(yīng)、避免 了siox的沉積（漏電大）、硅表面更 光滑，損傷最小。 隨著ulsi的發(fā)展，要求外延層 越來越薄（小于1微米），結(jié)構(gòu) 缺陷的濃度越來越低。薄外延 層要求在較低溫度下生長，但 較低的溫度會使缺陷濃度增加， 這對外延層的制備提出了新的 挑戰(zhàn)。 8.1 硅的氣相外延 8.1.1 硅源及反應(yīng)式 四氯化硅（sicl4）：稱為sil.tet，應(yīng)用廣泛，外延溫度較 高。 三氯硅烷（sihcl3）：稱為tcs，生長溫度低，速度快， 可用來生長厚外延層。 二氯硅烷

5、（sih2cl2）：稱為dcs，外延溫度更低，質(zhì)量 高，缺陷密度低；可用于選擇外延。 硅烷（sih4）：能生長薄的外延層，可獲得高的淀積率。 反應(yīng)式： sicl4 （氣）2h2（氣）si（固）4hcl（氣） 8.1.2 生長速率與溫度的關(guān)系 外延過程的理論模型滿足第七章介紹的grove模 型。在化學(xué)反應(yīng)控制區(qū)，生長速率與溫度的倒數(shù) 呈指數(shù)關(guān)系。不同的反應(yīng)劑激活能不同，從而曲 線斜率也不相同。在低溫下反應(yīng)速度受溫度影響 很大，隨著溫度的增加，化學(xué)反應(yīng)速率加快，反 應(yīng)速度傾向于飽和，控制類型逐漸過渡到質(zhì)量轉(zhuǎn) 移控制區(qū)。 8.1.3 生長速率與反應(yīng)劑濃度的關(guān)系 以sicl4氫還原法外延si為例： 兩

6、個過程：1. 氫還原sicl4 析出硅原子的過程。2. 硅原子在襯底上生成單晶層的過程。（兩者中慢 的一個決定生長速率） 兩種控制方式：1. sicl4 濃度小時，化學(xué)反應(yīng)控制。 2. sicl4 濃度高時，淀積速率控制。 （氫氣中sicl4摩爾分數(shù)為0.28時，只有腐蝕反應(yīng)） 外延時不希望襯底被腐蝕，所以sicl4濃度不宜太 高） 競爭反應(yīng)：sicl4si2sicl2 0y0.1 速率, 0y0.28 速率0 8.1.4 生長速率與氣體流速的關(guān)系 氣體流速越大，邊界層厚度越小，質(zhì)量轉(zhuǎn) 移越快，因而生長速率越快。當(dāng)流量達到 一定數(shù)值時，外延速率傾向于飽和，反應(yīng) 轉(zhuǎn)向化學(xué)反應(yīng)速率控制。 邊界層厚

7、度: (x/v)1/2 v越大， 越小 , 生長速率增加 8.1.5 襯底晶向?qū)ιL速率的影響 不同晶面的鍵密度不同，鍵合能力存在差 異，鍵合弱的晶面外延速率慢。如（111) 面。 8.2 外延層的雜質(zhì)分布 外延工藝的一大優(yōu)勢是可以精確控制外延 層中摻雜濃度，希望外延層具有完美的晶 體結(jié)構(gòu)，希望外延層與襯底之間具有突變 型的雜質(zhì)分布。并希望外延層越薄越好， sicl4外延溫度高，只能用于傳統(tǒng)工藝中。 微波器件和超高速集成電路對外延層的要 求：外延層越薄越好，雜質(zhì)分布要陡，外 延層缺陷盡量少。 8.2.1 摻雜源 雜質(zhì)的氫化物： 硼的雜質(zhì)源為硼烷 磷的雜質(zhì)源為磷烷 砷的雜質(zhì)源為砷烷 （雜質(zhì)源稀釋

8、后與生長外延層的反應(yīng)劑 一同輸入至反應(yīng)室中） 8.2.2 擴散效應(yīng) 外延工藝中大多數(shù)是重摻雜襯底上生長輕 摻雜的外延層襯底一般為均勻摻雜，要盡 量減少擴散效應(yīng) 定義：襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)在 外延生長時互相擴散，使界面雜質(zhì)濃度緩 慢變化 影響因素：溫度，摻雜情況，雜質(zhì)類型， 擴散系數(shù)，外延層生長速度，缺陷密度 一般地：雜質(zhì)擴散外延生長 可看成雜質(zhì)在半無限大固體中擴散 t1200度，y0.005時，外延生長速度 0.8微米/分，而硼、磷的擴散（d/t）1/21 微米/小時，差50倍。 x=a(dt)1/2=vt, 所以v=a(d/t)1/2 設(shè)襯底與外延層原來為均勻摻雜，濃度 分別為：ns

9、ub及nepi 相應(yīng)的擴散系數(shù)分別為d1及d2，外延時 間為t，外延層離襯底表面距離為x。 n1(x)和n2(x)分別為襯底雜質(zhì)和外延雜質(zhì) 在外延過程中分布。 則原來均勻分布于襯底中的雜質(zhì)由于擴 散而改變分布（比原來少一半）： td2 x erfc 2 n td2 x erf1 2 n )x(n 1 sub 1 sub 1 原來均勻分布于外延層的雜質(zhì)變?yōu)椋ò褁 換成x）： 總的雜質(zhì)分布為：n(x)=n1(x)+n2(x) 此時界面附近的外延層中雜質(zhì)比原來增加 了。如果雜質(zhì)不同：n(x)=n1(x)n2(x) td2 x erf1 2 n )x(n 2 epi 2 td2 x erf1 2 n

10、td2 x erf1 2 n )x(n 2 epi 1 sub 減少擴散影響的方法： 1選擇擴散系數(shù)較小的雜質(zhì)作襯底摻雜 （埋層用sb或as而不用p） 2降低外延溫度 （可采用激活能小的硅烷） 8.2.3 自摻雜效應(yīng) 由于熱蒸發(fā)或者化學(xué)發(fā)應(yīng)的副產(chǎn)物對襯底 的腐蝕，使襯底中的硅和雜質(zhì)進入氣相， 改變了氣相中的摻雜成分和濃度，從而導(dǎo) 致了外延層中的雜質(zhì)實際分布偏離理想情 況，這種現(xiàn)象稱為自摻雜效應(yīng)。 （自摻雜是影響外延層雜質(zhì)控制的另一原 因） 自摻雜原因：襯底腐蝕，襯底雜質(zhì)蒸 發(fā)，系統(tǒng)污染 1襯底腐蝕 在四氯化硅外延中，反應(yīng)副產(chǎn)物hcl可與 si反應(yīng)，被腐蝕的同時雜質(zhì)可進入界面 層，隨后又返回外延

11、層，使雜質(zhì)分布不 均 特點：對襯底表面附近外延層影響大， 沿著氣流方向逐漸加強，造成片間不均 解決方法：采用不存在逆向化學(xué)反應(yīng)的 外延法硅烷熱分解 2襯底雜質(zhì)蒸發(fā) 實驗發(fā)現(xiàn)用硅烷仍有自摻雜襯底雜質(zhì)蒸發(fā) 襯底背面雜質(zhì)高溫下蒸發(fā)進入界面層返 回外延層 特點：背面蒸發(fā)更強 解決方法： （1）背封技術(shù)（背面生長sio2、si3n4或基座長 硅）。 （2）兩步外延法（襯底腐蝕和襯底蒸發(fā)的關(guān)鍵 在于界面層存在，否則雜質(zhì)會被吸走。先生長薄 層，關(guān)閉sicl4或sih4，通h2，清潔附面層，再繼 續(xù)外延） （3）減壓外延 3系統(tǒng)污染 來源于管道系統(tǒng)，反應(yīng)器、反應(yīng)劑、石 墨基等。 解決方法：清洗零部件 減少自摻

12、雜效應(yīng)影響的措施： 1. 減少外延溫度 2. 采用蒸汽壓、擴散速率低的雜質(zhì)作為埋層雜質(zhì) 3. 減少雜質(zhì)外逸 4. 在低壓條件下外延 5. 使用離子注入的埋層 6. 高溫下避免hcl對襯底的腐蝕 8.3 低壓外延 外了減少自摻雜效應(yīng)于70年代初發(fā)展起來 的一種外延工藝。 壓力：1032104p 特點：1. 從襯底逸出雜質(zhì)可快速排除，可 形成陡峭的雜質(zhì)分布。2.縮小多層外延之 間的過渡區(qū)。 低壓下：d、導(dǎo)致擴散時間減少 8.4 選擇外延（seg) 選擇外延是指利用外延生長的基本原理， 以及硅在絕緣體上很難核化成膜的特性， 在襯底上的特定區(qū)域進行外延生長的技術(shù)。 原理：晶粒成核速度： sio2 si

13、3n4 si 異質(zhì)外延 同質(zhì)外延 其中含氯越多選擇性越好（選擇合適的 si/cl比例可實現(xiàn)選擇外延） 最好的選擇外延：sih2cl2和hcl混合氣體 生長，可以去除sio2表面的成核硅。 選擇外延類型： a以硅為襯底，氧化硅、氮化硅做掩蔽， 在露出硅的窗口進行外延生長 b在a中露出硅的基礎(chǔ)上刻出圖形，再進 行外延，如埋層上的標(biāo)記 c在溝槽上進行外延生長（太陽能電池， 光電探測器。調(diào)節(jié)si/cl比例，使表面生長 速率為0，但槽內(nèi)溫度高，可生長） 橫向超速外延（elo，extended lateral overgrowth） 使寄生電容很小 指選擇外延膜超過二氧化硅臺階高度時， 外延還沿著臺面橫向

14、生長） 選擇外延在雙極器件中的應(yīng)用 8.5 硅烷熱分解法外延 前面反應(yīng)都是四氯化硅氫還原法，易 于純化、操作安全，但反應(yīng)溫度高 擴散快，反應(yīng)可逆自摻雜增強，所 以無法形成突變pn結(jié) 反應(yīng)式： sih4 (氣) si (固) 2h2 (氣) 在一定的溫度下它可以直接進行熱分解反應(yīng)。 特點： 1.反應(yīng)不可逆，不存在反向腐蝕效應(yīng)。 2.可以在相對低的溫度下進行（大于600度 開始分解）。可降低擴散。 3.雜質(zhì)玷污少，可生長出高電阻率的外延層。 缺點： 1.可在氣相中分解，過早核化（容易氧化 成硅粉，硅細晶粒落在襯底上影響外延 層質(zhì)量，生長的外延層質(zhì)量不高；解決 方法：減少水和氧分壓降低壓強，如 uh

15、vcvd設(shè)備 ） 2.對氧化劑較敏感，需更純的氣體。 3.硅烷易燃易爆，故使用須小心。 4.對反應(yīng)系統(tǒng)要求高。 8.6 sos技術(shù)技術(shù) soi是指在絕緣襯底上進行硅的異質(zhì)外延；是指在絕緣襯底上進行硅的異質(zhì)外延； 如果在藍寶石或尖晶石的襯底上進行硅如果在藍寶石或尖晶石的襯底上進行硅 外延就稱為外延就稱為sos。 soi技術(shù)優(yōu)點：寄生電容小，可提高器件技術(shù)優(yōu)點：寄生電容小，可提高器件 速度和降低功耗；提高器件的抗輻照能速度和降低功耗；提高器件的抗輻照能 力；抑制力；抑制cmos電路的閂鎖效應(yīng)；工藝電路的閂鎖效應(yīng)；工藝 上較體硅簡單。上較體硅簡單。 異質(zhì)外延中襯底的絕緣體都是單晶體，異質(zhì)外延中襯底的絕緣體都是單晶體， 在無定形上生長還沒有突破性進展，在無定形上生長還沒有突破性進展， sos是目前最成熟的且應(yīng)用最多的技術(shù)是目前最成熟的且應(yīng)用最多的技術(shù) sos種類： 1.用藍寶石或尖晶石作襯底絕緣材料。 2.生長在硅襯底上的絕緣膜。 8.7