ch3薄膜成形工藝-外延

1、1第三章、薄膜成形工藝第三章、薄膜成形工藝外延工藝外延工藝2定義定義: :外延外延(epitaxy=Epi+taxis)是在單晶襯底上、是在單晶襯底上、合適的條合適的條件下沿襯底原來(lái)的結(jié)晶軸向件下沿襯底原來(lái)的結(jié)晶軸向生長(zhǎng)一層生長(zhǎng)一層晶格結(jié)構(gòu)完整的晶格結(jié)構(gòu)完整的新的單晶層的制膜新的單晶層的制膜技術(shù)。新生單晶層按襯底晶相技術(shù)。新生單晶層按襯底晶相延伸延伸生長(zhǎng)生長(zhǎng)，并稱為外延層。長(zhǎng)了外延層的襯底稱為外延片。，并稱為外延層。長(zhǎng)了外延層的襯底稱為外延片。外延分類：外延分類：q氣相外延氣相外延(VPE)常用常用q液相外延液相外延(LPE)q固相外延固相外延(SPE)熔融再結(jié)晶熔融再結(jié)晶q分子束外延分子束外

2、延(MBE)超薄超薄q化學(xué)外延方法（化學(xué)外延方法（CVD）q若外延層與襯底材料在結(jié)構(gòu)性質(zhì)上相似，則稱同質(zhì)外延。若兩材若外延層與襯底材料在結(jié)構(gòu)性質(zhì)上相似，則稱同質(zhì)外延。若兩材料在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上不同，則稱為異質(zhì)外延。料在結(jié)構(gòu)和性質(zhì)上不同，則稱為異質(zhì)外延。3與與CVD相比，外延特點(diǎn)相比，外延特點(diǎn)q 晶體結(jié)構(gòu)良好晶體結(jié)構(gòu)良好 q 摻入的雜質(zhì)濃度易控制摻入的雜質(zhì)濃度易控制q 可形成接近突變可形成接近突變p-n結(jié)結(jié)q 溫度偏高溫度偏高 外延高溫外延高溫1000以上以上 CVD低溫低溫1000以下，多（非）晶以下，多（非）晶)4氣相外延生長(zhǎng)的熱動(dòng)力學(xué)氣相外延生長(zhǎng)的熱動(dòng)力學(xué)Deal模型是半定量模型，它將生長(zhǎng)過(guò)程

3、大量簡(jiǎn)化模型是半定量模型，它將生長(zhǎng)過(guò)程大量簡(jiǎn)化外延過(guò)程十分復(fù)雜的，有許多化學(xué)反應(yīng)，有許多中間產(chǎn)品：外延過(guò)程十分復(fù)雜的，有許多化學(xué)反應(yīng)，有許多中間產(chǎn)品： SiCl2，SiCl4，Si等粒子，堆積時(shí)會(huì)影響生長(zhǎng)速度；等粒子，堆積時(shí)會(huì)影響生長(zhǎng)速度； 氣體也不是單純的氣體，有些氣體氣體也不是單純的氣體，有些氣體(如如Cl）是會(huì)腐蝕）是會(huì)腐蝕硅片的。硅片的。反應(yīng)中淀積與腐蝕始終同時(shí)存在，故可以把整個(gè)過(guò)程分反應(yīng)中淀積與腐蝕始終同時(shí)存在，故可以把整個(gè)過(guò)程分成幾個(gè)連續(xù)步驟，以便建立生長(zhǎng)過(guò)程的精確模型成幾個(gè)連續(xù)步驟，以便建立生長(zhǎng)過(guò)程的精確模型5N: 總的硅原子密度總的硅原子密度/ 所生長(zhǎng)的硅原子數(shù)所生長(zhǎng)的硅原子數(shù)

4、()ggsssFh CCK CepisggsgdTK hCRdtKhNDeal模型：淀積粒子流量與生長(zhǎng)所消耗的反應(yīng)劑流量相等模型：淀積粒子流量與生長(zhǎng)所消耗的反應(yīng)劑流量相等hg是質(zhì)量傳輸系數(shù)，取決于腔中的氣流量；是質(zhì)量傳輸系數(shù)，取決于腔中的氣流量；ks是表面反應(yīng)是表面反應(yīng)速率；速率；Cg，Cs分別是氣流及固態(tài)中的反應(yīng)劑濃度。分別是氣流及固態(tài)中的反應(yīng)劑濃度。反應(yīng)生長(zhǎng)速率反應(yīng)生長(zhǎng)速率R R：Kshg時(shí)時(shí),R由質(zhì)量傳輸系數(shù)決定由質(zhì)量傳輸系數(shù)決定Ks600硅氣相外延工藝硅氣相外延工藝1 1、外延原理：硅外延的化學(xué)反應(yīng)主要是兩個(gè)，一個(gè)是氫、外延原理：硅外延的化學(xué)反應(yīng)主要是兩個(gè)，一個(gè)是氫還原反應(yīng)，一個(gè)是硅烷

5、熱分解，目的都是獲取還原反應(yīng)，一個(gè)是硅烷熱分解，目的都是獲取SiSi氫還原反應(yīng)氫還原反應(yīng)四氯硅烷熱分解四氯硅烷熱分解15生長(zhǎng)速率生長(zhǎng)速率影響外延生長(zhǎng)速率的主要因素影響外延生長(zhǎng)速率的主要因素(1)(1)反應(yīng)劑濃度反應(yīng)劑濃度生長(zhǎng)速率與反應(yīng)劑濃度的關(guān)系生長(zhǎng)速率與反應(yīng)劑濃度的關(guān)系當(dāng)當(dāng)SiCl4濃度濃度Y較低時(shí)，較低時(shí)，SiCl4與與H2反應(yīng)起主導(dǎo)作用，外延反應(yīng)起主導(dǎo)作用，外延層不斷增厚；隨著層不斷增厚；隨著Y增加，增加，SiCl4與與Si的反應(yīng)作用逐漸加的反應(yīng)作用逐漸加強(qiáng)；當(dāng)強(qiáng)；當(dāng)Y0.28時(shí)，此腐蝕時(shí)，此腐蝕Si的的反應(yīng)為主，此時(shí)不僅停止外延反應(yīng)為主，此時(shí)不僅停止外延生長(zhǎng)，且會(huì)使硅襯底受腐蝕而生長(zhǎng)，

6、且會(huì)使硅襯底受腐蝕而變薄變薄工業(yè)上典型的生長(zhǎng)條件是工業(yè)上典型的生長(zhǎng)條件是Y=0.0050.01，相應(yīng)的生，相應(yīng)的生長(zhǎng)速度長(zhǎng)速度V=0.51um/min16(2)(2)溫度溫度B區(qū)高溫區(qū)（常選用），區(qū)高溫區(qū)（常選用），A區(qū)低溫區(qū)區(qū)低溫區(qū)17(3)(3)氣體流速氣體流速氣體流速增大，生長(zhǎng)加快氣體流速增大，生長(zhǎng)加快18(3)(3)生長(zhǎng)速率還與反應(yīng)腔橫截面形狀和襯底取向有關(guān)生長(zhǎng)速率還與反應(yīng)腔橫截面形狀和襯底取向有關(guān)矩形腔的均勻性較圓形腔好。晶面間的共價(jià)鍵數(shù)目越多，生長(zhǎng)速度越慢矩形腔的均勻性較圓形腔好。晶面間的共價(jià)鍵數(shù)目越多，生長(zhǎng)速度越慢19系統(tǒng)與工藝流程系統(tǒng)與工藝流程系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)示意圖N2，H2預(yù)沖

7、洗，預(yù)沖洗，HCL腐蝕用氣體，腐蝕用氣體，PH3提供氫氣提供氫氣20基座的基座的HCl腐蝕去硅程序腐蝕去硅程序(去除前次外延后基座上的硅去除前次外延后基座上的硅)N2預(yù)沖洗，預(yù)沖洗， 260L/min， 4minH2預(yù)沖洗，預(yù)沖洗， 260L/min， 5min升溫升溫1， 850度度， 5min升溫升溫2， 1170度度， 5minHCl排空，排空， 1.3L/min 1minHCl腐蝕，腐蝕， 10L/min 10minH2沖洗，沖洗， 260L/min， 1min降溫，降溫， 6minN2沖洗沖洗21外延生長(zhǎng)程序外延生長(zhǎng)程序N2N2預(yù)沖洗，預(yù)沖洗， 260260L/minL/min， 4

8、min4minH2H2預(yù)沖洗，預(yù)沖洗， 260260L/minL/min， 5min5min升溫升溫1 1， 850850度度， 5min5min升溫升溫2 2， 11701170度度， 6min6minHClHCl排空，排空， 1.31.3L/min 1minL/min 1minHClHCl拋光，拋光， 1.31.3L/min 3minL/min 3minH2H2沖洗沖洗( (附面層附面層) )，260260L/minL/min， 1min1min22外延生長(zhǎng)，外延生長(zhǎng)，H2H2：260L/min260L/min SiCl4:6.4-7g/min SiCl4:6.4-7g/min PH3:1

9、00PPM;0.15-0.18L/min PH3:100PPM;0.15-0.18L/min T:1160-1190 T:1160-1190度，時(shí)間隨品種而定度，時(shí)間隨品種而定H2H2沖洗，沖洗， 11701170度度， 1min1min降溫，降溫， 6 6minminN2N2沖洗，沖洗， 4 4minmin23外延中的摻雜外延中的摻雜摻雜劑摻雜劑氫化物氫化物PH3PH3、AsH3AsH3、BBr3BBr3、B2H6B2H6氯化物氯化物POCl3POCl3、AsCl3AsCl324在外延層的電阻率還會(huì)受到下列三種因素的干擾在外延層的電阻率還會(huì)受到下列三種因素的干擾q 雜質(zhì)外擴(kuò)散雜質(zhì)外擴(kuò)散重?fù)诫s

10、襯底中的大量雜質(zhì)通過(guò)熱擴(kuò)散方重?fù)诫s襯底中的大量雜質(zhì)通過(guò)熱擴(kuò)散方式進(jìn)入外延層式進(jìn)入外延層q 氣相自摻雜氣相自摻雜襯底中的雜質(zhì)因揮發(fā)等而進(jìn)入氣流，然襯底中的雜質(zhì)因揮發(fā)等而進(jìn)入氣流，然后重新返回外延層后重新返回外延層q 系統(tǒng)污染系統(tǒng)污染氣源或外延系統(tǒng)中的污染雜質(zhì)進(jìn)入外延氣源或外延系統(tǒng)中的污染雜質(zhì)進(jìn)入外延25 分子束外延分子束外延分子束外延分子束外延(Molecular Beam Epitaxy) q 分子束外延（分子束外延（MBE）是一種超高真空蒸發(fā)技術(shù)，廣泛應(yīng)）是一種超高真空蒸發(fā)技術(shù)，廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體單晶的沉積，特別是用于半導(dǎo)體單晶的沉積，特別是35族化合物半導(dǎo)體和族化合物半導(dǎo)體和Si、Ge的沉積

11、，也可用于多種金屬和金屬氧化物的沉積，也可用于多種金屬和金屬氧化物q 該方法是七十年代在真空蒸發(fā)鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。該方法是七十年代在真空蒸發(fā)鍍膜的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。是真空鍍膜技術(shù)的改進(jìn)與提高。是真空鍍膜技術(shù)的改進(jìn)與提高。生長(zhǎng)速度很慢（生長(zhǎng)速度很慢（1 m/h）生長(zhǎng)溫度較低（生長(zhǎng)溫度較低（500600 C），），結(jié)構(gòu)厚度組分與摻雜分布可控制，結(jié)構(gòu)厚度組分與摻雜分布可控制，可生長(zhǎng)極薄的單晶薄膜層?？缮L(zhǎng)極薄的單晶薄膜層。在微波器件、光電器件、多層結(jié)構(gòu)器件、納米材料、納米電子學(xué)等領(lǐng)域有在微波器件、光電器件、多層結(jié)構(gòu)器件、納米材料、納米電子學(xué)等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。在硅半導(dǎo)體器件中，用于制作雙極器件及

12、其他有特殊要求的廣泛應(yīng)用。在硅半導(dǎo)體器件中，用于制作雙極器件及其他有特殊要求的CMOS、DRAM器件。器件。26v 分子束外延是在超高真空環(huán)境中，把一定比分子束外延是在超高真空環(huán)境中，把一定比例的構(gòu)成晶體的組分和摻雜原子（分子）的例的構(gòu)成晶體的組分和摻雜原子（分子）的氣態(tài)束流，直接噴射到溫度適應(yīng)的襯底上，氣態(tài)束流，直接噴射到溫度適應(yīng)的襯底上，進(jìn)行晶體外延生長(zhǎng)的制膜方法進(jìn)行晶體外延生長(zhǎng)的制膜方法.v 在超高真空（在超高真空（UHV）條件下進(jìn)行，生長(zhǎng)速）條件下進(jìn)行，生長(zhǎng)速度非常低，通常在度非常低，通常在1um/h左右。超高真空的左右。超高真空的環(huán)境、低溫和慢的生長(zhǎng)速度，同時(shí)給碰撞原環(huán)境、低溫和慢的

13、生長(zhǎng)速度，同時(shí)給碰撞原子提供了足夠時(shí)間，使之沿襯底邊沿?cái)U(kuò)散，子提供了足夠時(shí)間，使之沿襯底邊沿?cái)U(kuò)散，進(jìn)入適當(dāng)?shù)木Ц窀顸c(diǎn)，形成完美晶體。進(jìn)入適當(dāng)?shù)木Ц窀顸c(diǎn)，形成完美晶體。27MBEMBE原理原理在超高真空條件下（在超高真空條件下（10-8Pa）,將組成化合物的各種元素將組成化合物的各種元素（如（如Ga、As）和摻雜劑元素分別放入不同的噴射爐內(nèi)加）和摻雜劑元素分別放入不同的噴射爐內(nèi)加熱，使它們的原子（或分子）以一定的熱運(yùn)動(dòng)速度和比例熱，使它們的原子（或分子）以一定的熱運(yùn)動(dòng)速度和比例噴射到加熱的襯底表面上，與表面進(jìn)行相互作用并進(jìn)行晶噴射到加熱的襯底表面上，與表面進(jìn)行相互作用并進(jìn)行晶體薄膜的外延生長(zhǎng)。體

14、薄膜的外延生長(zhǎng)。分子束向襯底噴射，當(dāng)蒸氣分子與襯底表面為幾個(gè)原子間分子束向襯底噴射，當(dāng)蒸氣分子與襯底表面為幾個(gè)原子間距時(shí)，由于受到表面力場(chǎng)的作用而被吸附到襯底表面，并距時(shí)，由于受到表面力場(chǎng)的作用而被吸附到襯底表面，并能沿表面進(jìn)一步遷移，然后在適當(dāng)?shù)奈恢蒙厢尫懦鰸摕?，能沿表面進(jìn)一步遷移，然后在適當(dāng)?shù)奈恢蒙厢尫懦鰸摕?，形成晶核或嫁接到晶格點(diǎn)上。形成晶核或嫁接到晶格點(diǎn)上。但是也有可能因其能量大而但是也有可能因其能量大而重新返回到氣相中重新返回到氣相中。因此在一定的溫度下，吸附與解吸處。因此在一定的溫度下，吸附與解吸處于動(dòng)態(tài)平衡。于動(dòng)態(tài)平衡。28特點(diǎn)特點(diǎn): :外延工藝外延工藝1.1.以原子的速率生長(zhǎng)薄

15、膜以原子的速率生長(zhǎng)薄膜, ,可獲得超薄薄膜可獲得超薄薄膜(10(10A)A)2.2.結(jié)構(gòu)分辨率高結(jié)構(gòu)分辨率高3.3.生長(zhǎng)溫度較低生長(zhǎng)溫度較低( (襯底溫度襯底溫度:500-600:500-600度度) )4.4.超晶格結(jié)構(gòu)超晶格結(jié)構(gòu)5.5.有完善的分析手段有完善的分析手段6.6.可獲得合適的攙雜截面可獲得合適的攙雜截面29MBEMBE總體結(jié)構(gòu)圖總體結(jié)構(gòu)圖MBEMBE生長(zhǎng)室的基本結(jié)構(gòu)示意圖生長(zhǎng)室的基本結(jié)構(gòu)示意圖MBE生長(zhǎng)室由三部分組成：生長(zhǎng)室由三部分組成：真空真空系統(tǒng)、源和襯底、支架系統(tǒng)、源和襯底、支架 MBE實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，對(duì)生產(chǎn)過(guò)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程實(shí)行嚴(yán)格的控制，可以得到所程實(shí)行嚴(yán)格

16、的控制，可以得到所需組分和特定摻雜分布，生產(chǎn)出需組分和特定摻雜分布，生產(chǎn)出特定結(jié)構(gòu)器件特定結(jié)構(gòu)器件(對(duì)于研究開發(fā)新對(duì)于研究開發(fā)新器件和生產(chǎn)批量不大的器件非常器件和生產(chǎn)批量不大的器件非常有效有效)。MBE的不足是的不足是設(shè)備昂貴，無(wú)法大設(shè)備昂貴，無(wú)法大批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)。3144424asassGAG AAGaAs MBEGaAs是采用是采用MBE生長(zhǎng)的最有代表性的材料之一。生長(zhǎng)的最有代表性的材料之一。噴射池中使用噴射池中使用Ga和和As元素作為元素源，元素作為元素源，Ga池溫度池溫度1000度，度，As（AsCl3,AsH3）池溫度）池溫度400度，襯底溫度度，襯底溫度650度。度。在在As的高

17、氣壓下生長(zhǎng)的高氣壓下生長(zhǎng)GaAs，主要升華物通常為，主要升華物通常為As4，即在富砷的環(huán)境下，即在富砷的環(huán)境下生長(zhǎng)。一般人認(rèn)為生長(zhǎng)模型是兩個(gè)生長(zhǎng)。一般人認(rèn)為生長(zhǎng)模型是兩個(gè)As4和和Ga發(fā)生反應(yīng)并生成發(fā)生反應(yīng)并生成GaAs和和As432外延層中的缺陷與檢測(cè)外延層中的缺陷與檢測(cè)a)存在于襯底中并連續(xù)延伸到外延層中的位錯(cuò)存在于襯底中并連續(xù)延伸到外延層中的位錯(cuò)b)襯底表面的析出雜質(zhì)或殘留的氧化物，吸附的碳氧化物導(dǎo)致的層錯(cuò)襯底表面的析出雜質(zhì)或殘留的氧化物，吸附的碳氧化物導(dǎo)致的層錯(cuò)c)外延工藝引起的外延層中析出的雜質(zhì)外延工藝引起的外延層中析出的雜質(zhì)d)與工藝或與表面加工（拋光面劃痕、損傷），碳沾污等有關(guān)。

18、形成的與工藝或與表面加工（拋光面劃痕、損傷），碳沾污等有關(guān)。形成的表面錐體缺陷（如角錐體、圓錐體、三菱錐體、小丘）表面錐體缺陷（如角錐體、圓錐體、三菱錐體、小丘）e)襯底堆垛層錯(cuò)的延伸襯底堆垛層錯(cuò)的延伸還會(huì)有失配位錯(cuò)、外延層霧狀表面等缺陷還會(huì)有失配位錯(cuò)、外延層霧狀表面等缺陷缺陷種類缺陷種類:33位錯(cuò)產(chǎn)生的根本原因是晶體內(nèi)部應(yīng)力的存在。在第四列之前的半透明區(qū)域在應(yīng)力作位錯(cuò)產(chǎn)生的根本原因是晶體內(nèi)部應(yīng)力的存在。在第四列之前的半透明區(qū)域在應(yīng)力作用下成為已滑移區(qū)域。左端原子先發(fā)生移動(dòng)，然后向右傳播，中途應(yīng)力減小，滑移用下成為已滑移區(qū)域。左端原子先發(fā)生移動(dòng)，然后向右傳播，中途應(yīng)力減小，滑移中止在第四列。滑

19、移面所在的平面兩邊其他原子列保持對(duì)齊，只有紅色原子列例外，中止在第四列?；泼嫠诘钠矫鎯蛇吰渌恿斜３謱?duì)齊，只有紅色原子列例外，其連線為位錯(cuò)線，周圍畸變區(qū)成為位錯(cuò)芯其連線為位錯(cuò)線，周圍畸變區(qū)成為位錯(cuò)芯34層錯(cuò)是由于原子排列次序發(fā)生錯(cuò)亂而引起的，它是外延層上最常見而又容層錯(cuò)是由于原子排列次序發(fā)生錯(cuò)亂而引起的，它是外延層上最常見而又容易檢測(cè)到的缺陷。它將導(dǎo)致雜質(zhì)的異常擴(kuò)散，或成為重金屬雜質(zhì)的沉積中易檢測(cè)到的缺陷。它將導(dǎo)致雜質(zhì)的異常擴(kuò)散，或成為重金屬雜質(zhì)的沉積中心，從而引起心，從而引起pn結(jié)軟擊穿、低壓擊穿甚至穿通結(jié)軟擊穿、低壓擊穿甚至穿通35層錯(cuò)：以層錯(cuò)：以111111面為例面為例由襯底表面的

20、錯(cuò)配晶核隨外延層的增厚向上逐漸發(fā)展而成由襯底表面的錯(cuò)配晶核隨外延層的增厚向上逐漸發(fā)展而成層錯(cuò)沿著三個(gè)層錯(cuò)沿著三個(gè)111面發(fā)育成一個(gè)倒立的正四面體。可以通過(guò)外延層表面面發(fā)育成一個(gè)倒立的正四面體。可以通過(guò)外延層表面的正三角形蝕槽邊長(zhǎng)計(jì)算外延層厚度的正三角形蝕槽邊長(zhǎng)計(jì)算外延層厚度單位面積內(nèi)的層錯(cuò)數(shù)量稱為層錯(cuò)密度。集成電路使用的外延片要求層錯(cuò)單位面積內(nèi)的層錯(cuò)數(shù)量稱為層錯(cuò)密度。集成電路使用的外延片要求層錯(cuò)密度密度10個(gè)個(gè)/cm236埋層圖形的漂移與畸變埋層圖形的漂移與畸變37漂移規(guī)律：漂移規(guī)律：111111面上嚴(yán)重，偏離面上嚴(yán)重，偏離2 24 4度度外延層越厚，偏移越大外延層越厚，偏移越大溫度越高，偏移

21、越小溫度越高，偏移越小生長(zhǎng)速率越小，偏移越小生長(zhǎng)速率越小，偏移越小硅生長(zhǎng)腐蝕速率的各向異性是發(fā)生漂移的根本原因硅生長(zhǎng)腐蝕速率的各向異性是發(fā)生漂移的根本原因3839外延的用途外延的用途 利用利用n/n+n/n+硅外延，將雙極型高頻功率晶體管制作在硅外延，將雙極型高頻功率晶體管制作在n n型型外延層內(nèi)，外延層內(nèi)，n+n+硅用作機(jī)械支撐層和導(dǎo)電層，降低了集電極硅用作機(jī)械支撐層和導(dǎo)電層，降低了集電極的串聯(lián)電阻的串聯(lián)電阻雙極電路：雙極電路： 采用采用n/pn/p外延片，通過(guò)簡(jiǎn)單的外延片，通過(guò)簡(jiǎn)單的p p型雜質(zhì)隔離擴(kuò)散，便能型雜質(zhì)隔離擴(kuò)散，便能實(shí)現(xiàn)雙極集成電路元器件間的隔離實(shí)現(xiàn)雙極集成電路元器件間的隔離 外延層和襯底中不同類型的摻雜形成的外延層和襯底中不同類型的摻雜形成的p-np-n結(jié)，它不是結(jié)，它不是通過(guò)雜質(zhì)補(bǔ)償作用形成，其雜質(zhì)分布可接近理想的突變結(jié)。通過(guò)雜質(zhì)補(bǔ)償作用形成，其雜質(zhì)分布可接近理想的突變結(jié)。40外延改善外延改善NMOSNMOS存儲(chǔ)器電路特性存儲(chǔ)器電路特性(1)(1)提高器件的抗軟誤差能力提高器件的抗軟誤差能力(3)(3)硅外延片可提供比體硅高的載流子壽命，硅外延片可提供比體硅高的載流子壽命，使半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的電荷保持性能提高。使半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的電荷保持性能提高。(2)(2)采用低阻上外延高阻層，