第六章外延片的制備1

1、第四章第四章 外延片的制備外延片的制備4.1硅外延工藝概述硅外延工藝概述 定義定義:外延外延(epitaxy)是在一定條件下，在一片表面是在一定條件下，在一片表面經(jīng)過細致加工的單晶襯底上，沿其原來的結(jié)晶軸經(jīng)過細致加工的單晶襯底上，沿其原來的結(jié)晶軸方向，生長一層導(dǎo)電類型、電阻率、厚度和晶格方向，生長一層導(dǎo)電類型、電阻率、厚度和晶格結(jié)構(gòu)完整性都符合要求的新單晶層的過程。結(jié)構(gòu)完整性都符合要求的新單晶層的過程。 新生單晶層按襯底晶相延伸生長，并稱此為外延新生單晶層按襯底晶相延伸生長，并稱此為外延層。長了外延層的襯底稱為外延片。層。長了外延層的襯底稱為外延片。 同質(zhì)外延：生長的外延層與襯底材料相同同質(zhì)外

2、延：生長的外延層與襯底材料相同 異質(zhì)外延：外延層在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)上與襯底材料不異質(zhì)外延：外延層在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)上與襯底材料不 同同 外延分類外延分類:氣相外延氣相外延(VPE)常用常用 液相外延液相外延(LPE) 固相外延固相外延(SPE)熔融再結(jié)晶熔融再結(jié)晶 分子束外延分子束外延(MBE)超薄超薄4.2外延生長動力學(xué)原理外延生長動力學(xué)原理 外延時，通入含有一定硅源的氫氣流，并流經(jīng)外延時，通入含有一定硅源的氫氣流，并流經(jīng)被高頻感應(yīng)加熱的硅片表面，當(dāng)條件適當(dāng)時便會在被高頻感應(yīng)加熱的硅片表面，當(dāng)條件適當(dāng)時便會在其上外延成膜其上外延成膜.硅外延反應(yīng)器硅外延反應(yīng)器4.2.1 一般過程一般過程 H2還原還原Si

3、Cl4法的化學(xué)反應(yīng)式為：法的化學(xué)反應(yīng)式為： 在生長表面得到游離態(tài)的在生長表面得到游離態(tài)的Si原子，析出的原子，析出的Si原子在原子在高溫下攜帶大量的熱能，便沿著表面滑動（擴散）高溫下攜帶大量的熱能，便沿著表面滑動（擴散） 到適當(dāng)位置，按照一定的晶向加接到晶格點陣上，到適當(dāng)位置，按照一定的晶向加接到晶格點陣上，并釋放能量，固定成為晶格點陣的新成員。并釋放能量，固定成為晶格點陣的新成員。HClSiHSiClC42100024 外延生長包括下列連續(xù)步驟外延生長包括下列連續(xù)步驟：1.反應(yīng)劑質(zhì)量從氣相轉(zhuǎn)移到生長層表面反應(yīng)劑質(zhì)量從氣相轉(zhuǎn)移到生長層表面2.反應(yīng)劑分子被吸附在生長層表面反應(yīng)劑分子被吸附在生長層

4、表面3.在生長層表面進行化學(xué)反應(yīng)，得到在生長層表面進行化學(xué)反應(yīng)，得到Si原子和其他副原子和其他副產(chǎn)物產(chǎn)物4.副產(chǎn)物分子脫離生長層表面的吸附副產(chǎn)物分子脫離生長層表面的吸附5.解吸的副產(chǎn)物從生長表面轉(zhuǎn)移到氣相，隨主流氣解吸的副產(chǎn)物從生長表面轉(zhuǎn)移到氣相，隨主流氣體逸出反應(yīng)室體逸出反應(yīng)室6. Si原子加接到晶格點陣上原子加接到晶格點陣上 其中其中1和和5為物理擴散過程，為物理擴散過程，2和和4為吸附和解吸過為吸附和解吸過程，程，3為表面化學(xué)反應(yīng)過程為表面化學(xué)反應(yīng)過程u 在開管外延中，系統(tǒng)維持在較高的常壓在開管外延中，系統(tǒng)維持在較高的常壓（0.1MPa）狀態(tài)，俗稱常壓外延。吸附和解吸的）狀態(tài)，俗稱常壓外

5、延。吸附和解吸的速度相當(dāng)快，因此，混合氣氛中各組分在樣品表速度相當(dāng)快，因此，混合氣氛中各組分在樣品表面的吸附狀況可看作一定。這時，外延層的生長面的吸附狀況可看作一定。這時，外延層的生長速率將主要取決于質(zhì)量傳輸和表面化學(xué)反應(yīng)。速率將主要取決于質(zhì)量傳輸和表面化學(xué)反應(yīng)。u 在低于一個大氣壓系統(tǒng)中進行的外延生長，稱在低于一個大氣壓系統(tǒng)中進行的外延生長，稱為低壓外延。在這種情況下生長速率主要受混合為低壓外延。在這種情況下生長速率主要受混合氣氛中各組分在樣品表面的吸附及其表面化學(xué)反氣氛中各組分在樣品表面的吸附及其表面化學(xué)反應(yīng)控制。應(yīng)控制。4.2.2生長動力學(xué)生長動力學(xué) 假設(shè)：反應(yīng)器空間和基座的幾何尺度比較

6、起來可假設(shè)：反應(yīng)器空間和基座的幾何尺度比較起來可視為無限大，且溫度均勻。既可以忽略反應(yīng)器壁視為無限大，且溫度均勻。既可以忽略反應(yīng)器壁的邊界效應(yīng)，又可以認為反應(yīng)室內(nèi)氣體的性質(zhì)的邊界效應(yīng)，又可以認為反應(yīng)室內(nèi)氣體的性質(zhì)（如密度、擴散系數(shù)等）處處是一樣的。（如密度、擴散系數(shù)等）處處是一樣的。 速度附面層：在接近基座表面的一薄層流體中，速度附面層：在接近基座表面的一薄層流體中，速度有較大的變化，把這個速度分布受到擾動的速度有較大的變化，把這個速度分布受到擾動的區(qū)域稱為速度附面層區(qū)域稱為速度附面層 自由流體：速度附面層區(qū)域以外的流體自由流體：速度附面層區(qū)域以外的流體 滯流層：因附面層里流體的速度滯慢于其外

7、面的滯流層：因附面層里流體的速度滯慢于其外面的自由流體，故常將速度附面層稱為滯流層自由流體，故常將速度附面層稱為滯流層 從附面層到其外流動區(qū)域速度的分布是連續(xù)變化從附面層到其外流動區(qū)域速度的分布是連續(xù)變化的，的，如圖如圖，通常把附面層的厚度，通常把附面層的厚度 規(guī)定為：在該規(guī)定為：在該處的流速已到達自由流體流速處的流速已到達自由流體流速U0 的的99%，其中，其中U表示流體的流速。表示流體的流速。微流體元及速度分布微流體元及速度分布滯留層里氣體流速分布可表示為：滯留層里氣體流速分布可表示為：流體流動時，在單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力流體流動時，在單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力yUU0 y0（4-1） 稱為粘

8、滯系數(shù)。在滯流層內(nèi)距原點稱為粘滯系數(shù)。在滯流層內(nèi)距原點x處取處取一垂直于基座表面的微流體元一垂直于基座表面的微流體元ABCD，它在，它在垂直于紙面方向上有一個單位長度。忽略垂直于紙面方向上有一個單位長度。忽略壓力沿壓力沿x方向的損失，則該微流體元沿方向的損失，則該微流體元沿x方方向只受到粘性內(nèi)摩擦力的作用。向只受到粘性內(nèi)摩擦力的作用。BC面的內(nèi)面的內(nèi)摩擦力為零，而摩擦力為零，而AD面的內(nèi)摩擦力為面的內(nèi)摩擦力為dxUdxyUfyx00與速度在垂直方向上的變化率成正比，即與速度在垂直方向上的變化率成正比，即yU（4-2）（4-3） 式中負號表示內(nèi)摩擦力沿著式中負號表示內(nèi)摩擦力沿著x軸負方向。根軸負

9、方向。根據(jù)牛頓第二定律，該作用力引起微流體元據(jù)牛頓第二定律，該作用力引起微流體元內(nèi)動量的變化。由于流體的流動是連續(xù)的，內(nèi)動量的變化。由于流體的流動是連續(xù)的，從從ABC面流進來的流體必然全部要從面流進來的流體必然全部要從CD面流面流出。作為近似，動量的變化可以看作是流出。作為近似，動量的變化可以看作是流體由體由BC面流入的結(jié)果。而單位時間內(nèi)從面流入的結(jié)果。而單位時間內(nèi)從BC面流入的流體帶入的動量為面流入的流體帶入的動量為 質(zhì)量速度質(zhì)量速度dUM20（4-4） 該動量全部用在克服內(nèi)摩擦力上，故有該動量全部用在克服內(nèi)摩擦力上，故有Mfx將式（將式（4-3）和（）和（4-4）帶入上式，得到）帶入上式，

10、得到ddxU0等式兩邊積分，并取等式兩邊積分，并取0; 0 x 02Uxx這就是滯流層厚度的近似表達式，由此可求出平這就是滯流層厚度的近似表達式，由此可求出平均滯流層厚為均滯流層厚為 LeLRLULULdxxL0003221式中式中/0LUReL稱為平板雷諾數(shù)，是一個無量綱數(shù)，用它可以稱為平板雷諾數(shù)，是一個無量綱數(shù)，用它可以判斷流體的運動狀態(tài)判斷流體的運動狀態(tài)（4-5）（4-6） 仿照速度附面層，引入質(zhì)量附面層的概念。仿照速度附面層，引入質(zhì)量附面層的概念。在質(zhì)量附面層內(nèi)濃度有較大的變化，其厚在質(zhì)量附面層內(nèi)濃度有較大的變化，其厚度可以表示為度可以表示為N設(shè)氣體內(nèi)部和生長表面的反應(yīng)劑濃度分別為設(shè)氣

11、體內(nèi)部和生長表面的反應(yīng)劑濃度分別為GSGNN,0假定在質(zhì)量附面層里反應(yīng)劑濃度也假定在質(zhì)量附面層里反應(yīng)劑濃度也呈線性分布即呈線性分布即NNGSGGyyNNN0 ,0（4-7） 根據(jù)擴散理論，輸運到外延層表面的反應(yīng)劑根據(jù)擴散理論，輸運到外延層表面的反應(yīng)劑粒子流密度為粒子流密度為01yGGyNDj式中式中GD為反應(yīng)劑在氫氣中的擴散系數(shù)，結(jié)合為反應(yīng)劑在氫氣中的擴散系數(shù)，結(jié)合（4-7）式，得）式，得)()(1GSGOGGSGONGNNhNNDj式中式中NGGDh/稱為氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，它稱為氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，它具有速度的量綱具有速度的量綱（4-8）（4-9） 另一方面，在生長層界面上進行化學(xué)反應(yīng)另一方面

12、，在生長層界面上進行化學(xué)反應(yīng)所消耗的粒子流密度為所消耗的粒子流密度為GSSNkj 2Sk是表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)。在穩(wěn)定狀態(tài)下是表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)。在穩(wěn)定狀態(tài)下jjj21根據(jù)根據(jù)siNjv/（4-10）（4-11）為硅晶體的原子密度為硅晶體的原子密度siN在氣體在氣體 生長層界面上的反應(yīng)劑濃度和外延生長速生長層界面上的反應(yīng)劑濃度和外延生長速率為：率為：GsGGShkNN10SiGOGsGsNNhkhkv4.2.3生長速率討論生長速率討論 表面反應(yīng)控制表面反應(yīng)控制 當(dāng)當(dāng) 時，化學(xué)反應(yīng)進行得慢，反應(yīng)劑可以時，化學(xué)反應(yīng)進行得慢，反應(yīng)劑可以充分供給，因此在附面層中反應(yīng)劑濃度幾乎是分充分供給，因此在附面

13、層中反應(yīng)劑濃度幾乎是分布均勻的；外延生長速率主要取決于表面化學(xué)反布均勻的；外延生長速率主要取決于表面化學(xué)反應(yīng)進行得快慢，所以應(yīng)進行得快慢，所以sGkh 0GGSNNSiGOsNNkv 質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制 當(dāng)當(dāng) 時，在外延層表面上的化學(xué)反應(yīng)進行時，在外延層表面上的化學(xué)反應(yīng)進行得相當(dāng)快，凡是轉(zhuǎn)移到表面上的反應(yīng)劑分子瞬間得相當(dāng)快，凡是轉(zhuǎn)移到表面上的反應(yīng)劑分子瞬間就可以變成硅，因此表面上的反應(yīng)劑幾乎為零，就可以變成硅，因此表面上的反應(yīng)劑幾乎為零，外延生長速率主要取決于反應(yīng)劑由氣相轉(zhuǎn)移到生外延生長速率主要取決于反應(yīng)劑由氣相轉(zhuǎn)移到生長表面的快慢，所以長表面的快慢，所以sGkh 0GSNSiGOGNN

14、hv 4.3 影響外延生長速率的因數(shù)影響外延生長速率的因數(shù) 反應(yīng)劑濃度反應(yīng)劑濃度:為兼顧結(jié)晶的完美性和其他要求，反為兼顧結(jié)晶的完美性和其他要求，反應(yīng)劑濃度不宜太大。應(yīng)劑濃度不宜太大。在較小的反應(yīng)劑濃度在較小的反應(yīng)劑濃度范圍內(nèi)，生長速率和范圍內(nèi)，生長速率和反應(yīng)劑濃度成正比，反應(yīng)劑濃度成正比，但由于反應(yīng)生成氯化物但由于反應(yīng)生成氯化物如如HCL的腐蝕作用逐漸的腐蝕作用逐漸顯著起來，使得生長速顯著起來，使得生長速率并不能按比例增加，率并不能按比例增加，而是趨于而是趨于 飽和，然后下降飽和，然后下降，一旦濃度超過某一值，一旦濃度超過某一值，腐蝕占了主導(dǎo)地位，腐蝕占了主導(dǎo)地位，會出現(xiàn)與生長相反的過程，會出

15、現(xiàn)與生長相反的過程，襯底表面被剝離。襯底表面被剝離。 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) 較高溫度下，速率與溫度的關(guān)系不明顯。較低溫度下，速較高溫度下，速率與溫度的關(guān)系不明顯。較低溫度下，速率隨絕對溫度的增加呈指數(shù)急增。率隨絕對溫度的增加呈指數(shù)急增。 氣體流速氣體流速 :氣體流速大生長加快氣體流速大生長加快流量較小時，生長速率與流量的平方根成正比流量較小時，生長速率與流量的平方根成正比xU0 生長速率還與反應(yīng)腔橫截面形狀和襯底取向有生長速率還與反應(yīng)腔橫截面形狀和襯底取向有關(guān)。由下圖可知，圓形管沿基座橫向，外延層關(guān)。由下圖可知，圓形管沿基座橫向，外延層厚度是中

16、間厚、兩邊??；矩形腔的均勻性較圓厚度是中間厚、兩邊??；矩形腔的均勻性較圓形腔好。形腔好。 至于生長速率與襯底取向有關(guān)，是因為外至于生長速率與襯底取向有關(guān)，是因為外延層是襯底表面沿其法線方向沿拓的結(jié)果。延層是襯底表面沿其法線方向沿拓的結(jié)果。晶面間相互作用的共價鍵數(shù)目越多，生長晶面間相互作用的共價鍵數(shù)目越多，生長速率越慢。速率越慢。 V(110)V(100)V(111)4.4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 工藝流程工藝流程 a.把干凈的硅片裝入反應(yīng)室把干凈的硅片裝入反應(yīng)室 2-4min b. N2預(yù)沖洗預(yù)沖洗 260L/min 4min c. H2預(yù)沖洗預(yù)沖洗 260L/min

17、 5min （吹入惰性氣體并充入氫氣，如使用低壓（吹入惰性氣體并充入氫氣，如使用低壓 外延也需抽真空）外延也需抽真空） d. 升溫升溫1 850 C 5min e. 升溫升溫2 1170 C 5min（加熱到氫氣烘烤溫度，以去除氧化層，該步驟能（加熱到氫氣烘烤溫度，以去除氧化層，該步驟能去除去除50-100埃的二氧化硅層）埃的二氧化硅層） f. HCl腐蝕腐蝕 10L/min 10min （加熱到（加熱到HCL的刻蝕溫度，引入無的刻蝕溫度，引入無 水水HCL刻蝕表面的硅層）刻蝕表面的硅層） g. HCl排空排空 1.3L/min 1min （吹氣去除系統(tǒng)中的摻雜劑和（吹氣去除系統(tǒng)中的摻雜劑和H

18、Cl） h.冷卻到淀積的溫度，引入硅原料和冷卻到淀積的溫度，引入硅原料和 摻雜劑以淀積所要的薄膜摻雜劑以淀積所要的薄膜 10min h.H2沖洗沖洗 260L/min 1min （去除硅原料和摻雜劑）（去除硅原料和摻雜劑） i.降溫降溫 6min （冷卻到室溫）（冷卻到室溫） j.N2沖洗沖洗 3-5min （吹走氫氣）（吹走氫氣） k.取出硅片取出硅片4.5 外延中的摻雜及其雜質(zhì)再分布外延中的摻雜及其雜質(zhì)再分布4.5.1 摻雜原理摻雜原理 外延層中的雜質(zhì)原子是在外延生長時加入到外延層中的雜質(zhì)原子是在外延生長時加入到晶格點陣中去的。因而摻雜的動力學(xué)原理晶格點陣中去的。因而摻雜的動力學(xué)原理和外延

19、生長相似。最終的雜質(zhì)濃度將涉及和外延生長相似。最終的雜質(zhì)濃度將涉及反應(yīng)劑和摻雜劑兩者的化學(xué)動力學(xué)性質(zhì)以反應(yīng)劑和摻雜劑兩者的化學(xué)動力學(xué)性質(zhì)以及溫度，氣流等多種因素。及溫度，氣流等多種因素。4.5.2摻雜劑摻雜劑 氫化物氫化物: PH3， AsH3，B2H6 氯化物氯化物: POCl3，AsCl3 和硅外延生長相似，混合氣氛中的摻雜劑通過擴散向和硅外延生長相似，混合氣氛中的摻雜劑通過擴散向生長表面輸運，在表面附近生長表面輸運，在表面附近PH3被分解出游離態(tài)的磷被分解出游離態(tài)的磷原子，化學(xué)反應(yīng)方程式為原子，化學(xué)反應(yīng)方程式為 析出來的磷原子加入到硅晶體的晶格點陣，并離化成析出來的磷原子加入到硅晶體的晶

20、格點陣，并離化成帶正電的施主離子，隨著外延生長的進行繼續(xù)向襯帶正電的施主離子，隨著外延生長的進行繼續(xù)向襯底深處擴散。底深處擴散。 23322HPPH4.5.3外延過程中的雜質(zhì)再分布外延過程中的雜質(zhì)再分布 摻入外延層中的雜質(zhì)一般與襯底雜質(zhì)不同，摻入外延層中的雜質(zhì)一般與襯底雜質(zhì)不同，即使相同，濃度也不一樣。即使相同，濃度也不一樣。 同型雜質(zhì)同型雜質(zhì) 異型雜質(zhì)異型雜質(zhì) 硅外延工藝在高溫下進行，因此雜質(zhì)的再擴硅外延工藝在高溫下進行，因此雜質(zhì)的再擴散不可忽視。散不可忽視。 一方面，由外部摻入到外延層中的雜質(zhì)繼續(xù)一方面，由外部摻入到外延層中的雜質(zhì)繼續(xù)向襯底深處擴散；另一方面，襯底中的雜質(zhì)向襯底深處擴散；另

21、一方面，襯底中的雜質(zhì)又不斷地向生長著的外延層擴散?？偟臄U散又不斷地向生長著的外延層擴散?？偟臄U散濃度是它們各自擴散的共同結(jié)果。濃度是它們各自擴散的共同結(jié)果。 同一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)取正號，相反類型的雜同一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)取正號，相反類型的雜質(zhì)取負號質(zhì)取負號21),(NNtxN4.6 4.6 自摻雜效應(yīng)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，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，這種從而導(dǎo)致了外延層中的雜質(zhì)實際分布偏離理想

22、情況，這種現(xiàn)象稱為自摻雜效應(yīng)?，F(xiàn)象稱為自摻雜效應(yīng)。4.6.14.6.1自摻雜效應(yīng)及其來源自摻雜效應(yīng)及其來源 在外延生長期間，襯底雜質(zhì)將不斷擴散并從其表面蒸發(fā)在外延生長期間，襯底雜質(zhì)將不斷擴散并從其表面蒸發(fā)出來，這種蒸發(fā)效應(yīng)主要發(fā)生在生長初期，而后由于外延出來，這種蒸發(fā)效應(yīng)主要發(fā)生在生長初期，而后由于外延層的有效阻擋雜質(zhì)將難以逸出，生長速率越慢，雜質(zhì)能逸層的有效阻擋雜質(zhì)將難以逸出，生長速率越慢，雜質(zhì)能逸出表面的有效時間就越長。出表面的有效時間就越長。 對于發(fā)生在襯底背面的蒸發(fā)效應(yīng)，由于它對于發(fā)生在襯底背面的蒸發(fā)效應(yīng)，由于它與加熱基座直接接觸，溫度較高，蒸發(fā)將與加熱基座直接接觸，溫度較高，蒸發(fā)將更

23、甚，這種蒸發(fā)效應(yīng)在整個淀積過程中都更甚，這種蒸發(fā)效應(yīng)在整個淀積過程中都存在，特別在生長的后期，成為主要的蒸存在，特別在生長的后期，成為主要的蒸發(fā)源。發(fā)源。 雜質(zhì)從襯底片正面和背面的蒸發(fā)，不僅發(fā)雜質(zhì)從襯底片正面和背面的蒸發(fā)，不僅發(fā)生在生長期間，而且還發(fā)生在外延層正式生在生長期間，而且還發(fā)生在外延層正式開始生長之前的熱處理過程中，如等待升開始生長之前的熱處理過程中，如等待升溫，氣流穩(wěn)定期間等，廣義講，這種蒸發(fā)溫，氣流穩(wěn)定期間等，廣義講，這種蒸發(fā)是由于對樣品進行預(yù)烘焙引起的。是由于對樣品進行預(yù)烘焙引起的。 如果進行氣相腐蝕，隨著硅的去除，大量如果進行氣相腐蝕，隨著硅的去除，大量的雜質(zhì)被釋放出來，也會

24、使積蓄在附面層的雜質(zhì)被釋放出來，也會使積蓄在附面層里的雜質(zhì)大大增加。里的雜質(zhì)大大增加。 這樣從樣品表面蒸發(fā)和腐蝕出來的雜質(zhì)進這樣從樣品表面蒸發(fā)和腐蝕出來的雜質(zhì)進入氣相中，將起著摻雜劑的作用，重新進入氣相中，將起著摻雜劑的作用，重新進入外延層。入外延層。 除此之外，加熱基座、外延系統(tǒng)和輸入氣除此之外，加熱基座、外延系統(tǒng)和輸入氣體中沾污的雜質(zhì)也會進入外延層中。體中沾污的雜質(zhì)也會進入外延層中。 外延層中的雜質(zhì)除了人為的摻入以外，還外延層中的雜質(zhì)除了人為的摻入以外，還存在著襯底和其它雜質(zhì)非人為地摻入，統(tǒng)存在著襯底和其它雜質(zhì)非人為地摻入，統(tǒng)稱為自摻雜效應(yīng)。稱為自摻雜效應(yīng)。 在外延淀積過程中，摻雜劑從襯底

25、上重摻雜在外延淀積過程中，摻雜劑從襯底上重摻雜的區(qū)域通過兩種方式進入到正在生長的薄的區(qū)域通過兩種方式進入到正在生長的薄膜中：膜中： 一方面是由襯底雜質(zhì)的固態(tài)外擴散引起的一方面是由襯底雜質(zhì)的固態(tài)外擴散引起的;另一方面是由上述各種原因引起的氣相自另一方面是由上述各種原因引起的氣相自摻雜所致。摻雜所致。4.6.3 減少自摻雜的方法減少自摻雜的方法 1.為避免硼的自摻雜，外延淀積過程應(yīng)在盡為避免硼的自摻雜，外延淀積過程應(yīng)在盡可能最低的淀積溫度下進行，這等價于高可能最低的淀積溫度下進行，這等價于高質(zhì)量的膜和合理的淀積速率（質(zhì)量的膜和合理的淀積速率（SiH2Cl2可以在可以在比比SiCl4低的溫度下淀積）

26、。這只對減少硼的低的溫度下淀積）。這只對減少硼的自摻雜有效，因為事實上在較低溫度時砷自摻雜有效，因為事實上在較低溫度時砷的自摻雜增加了。的自摻雜增加了。2.應(yīng)使用有較低蒸氣壓和低擴散率的襯底和應(yīng)使用有較低蒸氣壓和低擴散率的襯底和埋層摻雜劑。埋層摻雜劑。3.用輕摻雜的硅封住襯底和支架背面用輕摻雜的硅封住襯底和支架背面4.在降低壓強下操作外延系統(tǒng)以減少橫向自在降低壓強下操作外延系統(tǒng)以減少橫向自摻雜。由于氣體分子的擴散率在氣壓減少摻雜。由于氣體分子的擴散率在氣壓減少時增加了，使得摻雜原子能迅速到達主氣時增加了，使得摻雜原子能迅速到達主氣流并被帶出反應(yīng)室，從而減少橫向自摻雜。流并被帶出反應(yīng)室，從而減少

27、橫向自摻雜。只對磷和砷有用，對硼無效。只對磷和砷有用，對硼無效。5.使用離子注入的埋層以減小襯底表面濃度。使用離子注入的埋層以減小襯底表面濃度。6.在在HCl刻蝕之后采用一個低溫吹氣的工藝，刻蝕之后采用一個低溫吹氣的工藝，保證刻蝕時所涉及的摻雜劑被帶出系統(tǒng)。保證刻蝕時所涉及的摻雜劑被帶出系統(tǒng)。 注意注意 外延層的晶體質(zhì)量不應(yīng)該超過襯底的質(zhì)量。外延層的晶體質(zhì)量不應(yīng)該超過襯底的質(zhì)量。因而在硅片預(yù)處理時必須非常小心。外延前硅因而在硅片預(yù)處理時必須非常小心。外延前硅片的清潔要求從硅片的正面和背面去除顆粒、片的清潔要求從硅片的正面和背面去除顆粒、有機的和無機的沾污。一般地這樣的清潔過程有機的和無機的沾污

28、。一般地這樣的清潔過程是不夠的，還要求有一個額外的溫度超過是不夠的，還要求有一個額外的溫度超過1100度的即時的無水度的即時的無水HCl的刻蝕來從表面去除剩余的刻蝕來從表面去除剩余的沾污。的沾污。 必須小心以避免硅襯底的有效厚度的喪失，必須小心以避免硅襯底的有效厚度的喪失，因為在高溫時刻蝕的速率很快。如果在較低的因為在高溫時刻蝕的速率很快。如果在較低的溫度（溫度（1050），已發(fā)現(xiàn)），已發(fā)現(xiàn)SF6是即時刻蝕中是即時刻蝕中HCl的合適替代品。的合適替代品。4.7對對VLSI外延淀積的工藝考慮外延淀積的工藝考慮4.8圖形的移動、變形和沖環(huán)圖形的移動、變形和沖環(huán) 當(dāng)檢查淀積在埋層上的外延層中的臺階圖

29、形當(dāng)檢查淀積在埋層上的外延層中的臺階圖形時，有時候會發(fā)現(xiàn)它的位置相對于它在埋層時，有時候會發(fā)現(xiàn)它的位置相對于它在埋層中的位置發(fā)生了移動。這些效應(yīng)被分別稱為中的位置發(fā)生了移動。這些效應(yīng)被分別稱為圖形移動、圖形變形和圖形沖環(huán)。圖形移動、圖形變形和圖形沖環(huán)。 這些效應(yīng)取決于基片取向、淀積速率、淀積這些效應(yīng)取決于基片取向、淀積速率、淀積溫度和硅的原料。溫度和硅的原料。 晶體取向?qū)D形移動有重要影響。對與晶體取向?qū)D形移動有重要影響。對與取向的硅片，軸的方向上的圖形移動取向的硅片，軸的方向上的圖形移動最小，而最小，而硅片則在偏離硅片則在偏離方向方向2 20 0- -5 50 0、接近、接近方向時，表現(xiàn)出

30、最小的影響。方向時，表現(xiàn)出最小的影響。因而通常用于生長因而通常用于生長取向的外延層的基取向的外延層的基片有片有3 30 0的偏離。的偏離。 對圖形移動進行研究表明，當(dāng)溫度增加時，對圖形移動進行研究表明，當(dāng)溫度增加時，移動減小了；移動減小了；減壓的淀積能大大減少圖形減壓的淀積能大大減少圖形移動；使用移動；使用SiHSiH4 4作為硅的來源可消除圖形的作為硅的來源可消除圖形的移動。移動。 對于對于和和方向，淀積速率增加時方向，淀積速率增加時移動增加；移動增加； Cl Cl2 2或或HClHCl的存在會誘發(fā)圖形的的存在會誘發(fā)圖形的移動。移動。 對圖形變形進行研究表明，在對圖形變形進行研究表明，在和和

31、 基片上都發(fā)生變形，但在基片上都發(fā)生變形，但在基片基片上更嚴重些。不像圖形移動時的情況，溫上更嚴重些。不像圖形移動時的情況，溫度增加和淀積速率減少會增加圖形變形。度增加和淀積速率減少會增加圖形變形。另外，使用另外，使用SiHSiH4 4作為硅的來源導(dǎo)致了比使用作為硅的來源導(dǎo)致了比使用氯基源更多的圖形變形。氯基源更多的圖形變形。 層厚的增加可以減少變形。層厚的增加可以減少變形。 圖形變形和移動之間的決定因素是相反的，圖形變形和移動之間的決定因素是相反的，必須采用折衷的、經(jīng)驗性的研究結(jié)果來調(diào)必須采用折衷的、經(jīng)驗性的研究結(jié)果來調(diào)整外延工藝以減少變形和移動。整外延工藝以減少變形和移動。4.9 參數(shù)測量

32、參數(shù)測量4.10外延的用途外延的用途雙極電路：雙極電路： 利用利用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型外延層內(nèi)，型外延層內(nèi)，n+硅用作機械支撐層和導(dǎo)電層，降低硅用作機械支撐層和導(dǎo)電層，降低了集電極的串聯(lián)電阻。了集電極的串聯(lián)電阻。 采用采用n/p外延片，通過簡單的外延片，通過簡單的p型雜質(zhì)隔離擴散，便型雜質(zhì)隔離擴散，便能實現(xiàn)雙極集成電路元器件間的隔離。能實現(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-n結(jié)，它結(jié)，它不是通過雜質(zhì)補償作用形成的，其雜質(zhì)分布可接近不是通過雜質(zhì)補償作用形成的，其雜質(zhì)

33、分布可接近理想的突變結(jié)。理想的突變結(jié)。外延改善外延改善NMOS存儲器電路特性存儲器電路特性:(1)提高器件的擊穿電壓提高器件的擊穿電壓(2)采用低阻上外延高阻層，可降低源、漏采用低阻上外延高阻層，可降低源、漏n+區(qū)耗盡區(qū)耗盡層寄生電容，并提高器件對襯底中雜散電荷噪聲層寄生電容，并提高器件對襯底中雜散電荷噪聲的抗擾度的抗擾度(3)硅外延片可提供比襯底高的載流子壽命，使半導(dǎo)硅外延片可提供比襯底高的載流子壽命，使半導(dǎo)體存儲器的電荷保持性能提高。體存儲器的電荷保持性能提高。器件微型化：器件微型化： 提高器件的性能和集成度要求按比例縮小提高器件的性能和集成度要求按比例縮小器件的橫向和縱向尺寸。其中，外延

34、層厚器件的橫向和縱向尺寸。其中，外延層厚度和摻雜濃度的控制是縱向微細加工的重度和摻雜濃度的控制是縱向微細加工的重要組成部分；薄層外延能使要組成部分；薄層外延能使p-n結(jié)隔離或氧結(jié)隔離或氧化物隔離的橫向擴展尺寸大為減小?；锔綦x的橫向擴展尺寸大為減小。工藝多樣化：工藝多樣化： 具有相反導(dǎo)電類型的外延層，在器件工藝具有相反導(dǎo)電類型的外延層，在器件工藝中可形成結(jié)和隔離區(qū)；中可形成結(jié)和隔離區(qū)； 薄層外延供器件發(fā)展等平面隔離和高速電薄層外延供器件發(fā)展等平面隔離和高速電路；路； 選擇外延可取代等平面隔離工藝來發(fā)展平選擇外延可取代等平面隔離工藝來發(fā)展平面隔離；面隔離； 絕緣襯底上的多層外延工藝可以發(fā)展三維絕

35、緣襯底上的多層外延工藝可以發(fā)展三維空間電路空間電路4.11絕緣體上外延硅（絕緣體上外延硅（SOI）（異質(zhì)外延）（異質(zhì)外延） SOI是是Silicon-on-Insulator的縮寫，是一種在的縮寫，是一種在硅材料與硅集成電路巨大成功的基礎(chǔ)上出硅材料與硅集成電路巨大成功的基礎(chǔ)上出現(xiàn)、有獨特優(yōu)勢、能突破硅材料與硅集成現(xiàn)、有獨特優(yōu)勢、能突破硅材料與硅集成電路限制的新技術(shù)。電路限制的新技術(shù)。 隨著芯片特征尺寸跨入納米尺度以后，一些隨著芯片特征尺寸跨入納米尺度以后，一些問題接踵而來，如電容損耗、漏電流增大、問題接踵而來，如電容損耗、漏電流增大、噪聲提升、閂鎖效應(yīng)和短溝道效應(yīng)等。噪聲提升、閂鎖效應(yīng)和短溝道

36、效應(yīng)等。 為克服這些問題，為克服這些問題，SOI技術(shù)應(yīng)運而生。作為技術(shù)應(yīng)運而生。作為標準標準CMOS工藝的一種改進技術(shù)，工藝的一種改進技術(shù)，SOI技術(shù)技術(shù)通過在兩層硅之間封入一個絕緣的氧化層，通過在兩層硅之間封入一個絕緣的氧化層，從而將活躍的晶體管元件互相隔離。從而將活躍的晶體管元件互相隔離。SiO2埋埋層能有效地使電子從一個晶體管門電路流層能有效地使電子從一個晶體管門電路流到另一個晶體管門電路，不讓多余的電子到另一個晶體管門電路，不讓多余的電子滲漏到滲漏到 硅襯底上。硅襯底上。 SOI器件具有寄生電容小、短溝道效應(yīng)小、器件具有寄生電容小、短溝道效應(yīng)小、速度快、集成度高、功耗低、耐高溫、抗速度

37、快、集成度高、功耗低、耐高溫、抗輻射等有點，越來越受業(yè)界青睞。輻射等有點，越來越受業(yè)界青睞。 SOI由以下三層構(gòu)成：由以下三層構(gòu)成： 1.薄薄的單晶硅頂層，在其上形成刻蝕電路薄薄的單晶硅頂層，在其上形成刻蝕電路 2.相當(dāng)薄的絕緣二氧化硅中間層相當(dāng)薄的絕緣二氧化硅中間層 3.非常厚的體型襯底硅襯底層，其主要作用非常厚的體型襯底硅襯底層，其主要作用是為上面得了兩層提供機械支撐是為上面得了兩層提供機械支撐目前制造目前制造SOI的方法主要有兩種：的方法主要有兩種： 1.注氧隔離法，采用大束流專用氧離子注入注氧隔離法，采用大束流專用氧離子注入機把氧離子注入到硅晶圓中，然后在惰性機把氧離子注入到硅晶圓中，然后在惰性氣體中進行高溫退火，從而在硅晶圓的頂氣體中進行高溫退火，從而在硅晶圓的頂部形成厚度均勻的極薄表面層和部形成厚度均勻的極薄表面層和SiO2埋層。埋層。優(yōu)點：硅薄層和優(yōu)點：硅薄層和SiO2埋層的厚度可精確控制；埋層的厚度可精確控制； 缺點：由于氧的注入會引起對硅晶格的破會，缺點：由于氧的注入會引起對硅晶格的