微電子工藝(2) - PRINT

1、13.1 3.1 概述概述3.2 3.2 氣相外延氣相外延3.33.3 分子束外延分子束外延3.4 3.4 其它外延其它外延3.5 3.5 外延層缺陷及檢測外延層缺陷及檢測2在微電子工藝中，外延(epitaxy)是指在單晶襯底上，用物理的或化學(xué)的方法，按襯底晶向排列（生長）單晶膜的工藝過程。新排列的晶體稱為外延層，有外延層的硅片稱為（硅）外延片。外延是在晶體上生長晶體，生長出的晶體的晶向與襯底晶向相同，摻雜類型、電阻率、材料可不同。記為：n/n+-Si，n/p/-Si，GaAs/Si。3外延生長時摻入雜質(zhì)的類型、濃度、材料都外延生長時摻入雜質(zhì)的類型、濃度、材料都可以與襯底不同，增加了芯片工藝的

2、靈活性?？梢耘c襯底不同，增加了芯片工藝的靈活性。多次外延工藝得到多層不同摻雜類型、不同多次外延工藝得到多層不同摻雜類型、不同雜質(zhì)含量、不同厚度，甚至不同材料的外延雜質(zhì)含量、不同厚度，甚至不同材料的外延層。層。 4按工藝方法劃分：氣相外延（按工藝方法劃分：氣相外延（VPE)VPE)，液相外延，液相外延(LVP)(LVP)，固相外延固相外延 (SPE)(SPE)，分子束外延（，分子束外延（MBE)MBE)按材料劃分：按材料劃分：同質(zhì)外延同質(zhì)外延和和異質(zhì)外延異質(zhì)外延按溫度劃分：高溫外延按溫度劃分：高溫外延(1000 (1000 以上以上) )；低溫外延；低溫外延(1000 (1000 以下以下) )

3、；變溫外延；變溫外延-先低溫下成核，再高溫下先低溫下成核，再高溫下生長外延層生長外延層按電阻率高低劃分：正外延按電阻率高低劃分：正外延-低阻襯底上外延高阻層；低阻襯底上外延高阻層；反外延反外延-高阻襯底上外延低阻層高阻襯底上外延低阻層按外延層結(jié)構(gòu)分類按外延層結(jié)構(gòu)分類: : 普通外延，選擇外延，多層外延普通外延，選擇外延，多層外延 其它劃分方法：按結(jié)構(gòu)劃分；按外延層厚度劃分等其它劃分方法：按結(jié)構(gòu)劃分；按外延層厚度劃分等53.1.3氣相外延工藝成熟，可很好的控制薄膜厚度，雜質(zhì)濃度和晶格的完整性，在硅工藝中一直占主導(dǎo)地位同質(zhì)外延同質(zhì)外延又稱為均勻外延，是外延層與襯底材料相同又稱為均勻外延，是外延層與

4、襯底材料相同的外延。的外延。異質(zhì)外延異質(zhì)外延也稱為非均勻外延，外延層與襯底材料不相也稱為非均勻外延，外延層與襯底材料不相同，甚至物理結(jié)構(gòu)也與襯底完全不同。同，甚至物理結(jié)構(gòu)也與襯底完全不同。GaAs/Si GaAs/Si 、SOISOI（SOSSOS）等材料就可通過異質(zhì)外延工藝獲得。）等材料就可通過異質(zhì)外延工藝獲得。異質(zhì)外延的相容性異質(zhì)外延的相容性襯底與外延層不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大量的溶解現(xiàn)象；襯底與外延層不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大量的溶解現(xiàn)象；襯底與外延層熱力學(xué)參數(shù)相匹配，即熱膨脹系數(shù)接近。以避襯底與外延層熱力學(xué)參數(shù)相匹配，即熱膨脹系數(shù)接近。以避免外延層由生長溫度冷卻至室溫時，產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，

5、界面免外延層由生長溫度冷卻至室溫時，產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，界面位錯，甚至外延層破裂位錯，甚至外延層破裂; ;襯底與外延層襯底與外延層晶格參數(shù)晶格參數(shù)相匹配，即晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)接近，相匹配，即晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)接近，以避免晶格參數(shù)不匹配引起的外延層與襯底接觸的界面晶格以避免晶格參數(shù)不匹配引起的外延層與襯底接觸的界面晶格缺陷多和應(yīng)力大的現(xiàn)象。缺陷多和應(yīng)力大的現(xiàn)象。6a外延層晶格參數(shù)；外延層晶格參數(shù)； a襯底晶格參數(shù)。有襯底晶格參數(shù)。有熱膨脹熱膨脹失配系數(shù)失配系數(shù)和和晶格常數(shù)失配率晶格常數(shù)失配率。%100aaaf熱失配影響熱失配影響單晶薄膜物單晶薄膜物理和電學(xué)性理和電學(xué)性質(zhì)質(zhì)晶格失配導(dǎo)致晶格失配導(dǎo)致外延

6、膜中缺陷外延膜中缺陷密度非常高密度非常高7優(yōu)勢：1.高的集電結(jié)擊穿電壓2.低的集電極串聯(lián)電阻8雙極型晶體管雙極型晶體管 利用外延技術(shù)利用外延技術(shù)的的pnpn結(jié)隔離是結(jié)隔離是早期雙極型集早期雙極型集成電路常采用成電路常采用的電隔離方法。的電隔離方法。 P-Si襯底襯底n+埋層埋層n-Si外延層外延層p+隔離墻隔離墻SiO29pnpn結(jié)隔離結(jié)隔離將將CMOSCMOS電路電路制作在外延制作在外延層上比制作層上比制作在體硅拋光在體硅拋光片上有以下片上有以下優(yōu)點：優(yōu)點： 避免了閂避免了閂鎖效應(yīng)；鎖效應(yīng)； 避免了硅避免了硅層中層中SiOSiOx x的的沉積；沉積； 硅表面更硅表面更光滑，損傷光滑，損傷最小

7、。最小。 P阱阱n阱阱10 制作在外延層上的雙阱制作在外延層上的雙阱CMOSCMOS微波器件微波器件需要有突變雜質(zhì)分布的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)襯底需要有突變雜質(zhì)分布的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)襯底材料?？刹捎枚鄬油庋庸に噥韺崿F(xiàn)這類襯底材料的材料。可采用多層外延工藝來實現(xiàn)這類襯底材料的制備。制備。 SOSSOSCMOSCMOS電路電路，外延襯底為絕緣的藍(lán)寶石，能有，外延襯底為絕緣的藍(lán)寶石，能有效防止元件間的漏電流，抗輻照閂鎖；且結(jié)構(gòu)尺寸效防止元件間的漏電流，抗輻照閂鎖；且結(jié)構(gòu)尺寸比體硅比體硅CMOSCMOS電路小，因電路小，因SOSSOS結(jié)構(gòu)不用隔離環(huán)，元件結(jié)構(gòu)不用隔離環(huán)，元件制作在硅外延層小島上，島與島之間的隔離距離

8、只制作在硅外延層小島上，島與島之間的隔離距離只要滿足光刻工藝精度，就能電隔離，所以元件間的要滿足光刻工藝精度，就能電隔離，所以元件間的間距很小，電路的集成度也就提高了。間距很小，電路的集成度也就提高了。11硅氣相外延硅氣相外延(vapor phase epitaxy(vapor phase epitaxy，VPE )VPE )，指含指含SiSi外延層材料的物質(zhì)以外延層材料的物質(zhì)以氣相氣相形式輸運至襯形式輸運至襯底，在底，在高溫下分解高溫下分解或或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在單晶襯，在單晶襯底上生長出與襯底取向一致的單晶。底上生長出與襯底取向一致的單晶。VPEVPE與與CVDCVD（Chenmi

9、cal Vapor DepositionChenmical Vapor Deposition，化學(xué)汽相淀積）類似，是廣義上的化學(xué)汽相淀積）類似，是廣義上的CVDCVD工藝工藝。12四氯化硅四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是應(yīng)用最廣泛，也是研，是應(yīng)用最廣泛，也是研究最多的硅源究最多的硅源-主要應(yīng)用于傳統(tǒng)外延工藝主要應(yīng)用于傳統(tǒng)外延工藝三氯硅烷三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和，和 SiCl4類似但溫度有類似但溫度有所降低所降低-常規(guī)外延生長常規(guī)外延生長二氯硅烷二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) -更低溫度，選擇外延更低溫度，選擇外延硅烷硅烷SiH4，更適應(yīng)薄外延層和低溫生長要求，得，更適

10、應(yīng)薄外延層和低溫生長要求，得到廣泛應(yīng)用。到廣泛應(yīng)用。新硅源：新硅源：二硅烷二硅烷Si2H6-低溫外延低溫外延13臥式氣相外延設(shè)備示意圖臥式氣相外延設(shè)備示意圖14以以SiCl4為硅源進(jìn)行工藝介紹：為硅源進(jìn)行工藝介紹：SiCl4（H2）+H2Si+4HCl工藝步驟有兩個：準(zhǔn)備，生長工藝步驟有兩個：準(zhǔn)備，生長準(zhǔn)備階段：準(zhǔn)備階段：硅片準(zhǔn)備和硅片準(zhǔn)備和基座去硅處理基座去硅處理基座去硅的工藝流程：基座去硅的工藝流程：N2預(yù)沖洗預(yù)沖洗H2預(yù)沖洗預(yù)沖洗升溫至升溫至850升溫至升溫至1170HCl排空排空HCl腐蝕腐蝕H2沖洗沖洗降溫降溫N2沖洗沖洗15生長工藝流程生長工藝流程： N2預(yù)沖洗預(yù)沖洗H2預(yù)沖洗預(yù)沖

11、洗升溫至升溫至850升升溫至溫至1170HCl排空排空HCl拋光拋光H2沖洗沖洗附面層附面層外延生長（通入反應(yīng)劑及摻雜劑）外延生長（通入反應(yīng)劑及摻雜劑）H2沖洗沖洗1170降溫降溫N2沖洗沖洗16HCl拋光拋光是將硅基片表面殘存的氧化物（SiOx）及晶格不完整的硅腐蝕去掉，露出新鮮和有完整晶格的硅表面，利于硅外延成核，使襯底硅和外延層硅之間鍵合良好，避免襯底硅表面缺陷向外延層中延伸。 硅源硅源SiCl4是液態(tài)，裝在是液態(tài)，裝在源瓶源瓶中用稀釋氣體攜帶進(jìn)入中用稀釋氣體攜帶進(jìn)入反應(yīng)器與反應(yīng)劑反應(yīng)器與反應(yīng)劑H2在襯底反應(yīng)，外延硅在襯底反應(yīng)，外延硅摻雜劑一般選用含摻雜元素的氣態(tài)化合物，如摻雜劑一般選用

12、含摻雜元素的氣態(tài)化合物，如PH3、B2H6、AsH3等等摻雜劑的反應(yīng)為：摻雜劑的反應(yīng)為：B2H6（H2） 2B+4H22PH3（H2） 2P+5H2摻雜劑也用氫氣稀釋至十摻雜劑也用氫氣稀釋至十五十倍。五十倍。17SiCl2+H2 Si+2HCl 2SiCl2 Si+SiCl418SiClSiCl4 4+H+H2 2 SiHCl SiHCl3 3+HCl +HCl SiClSiCl4 4+H+H2 2 SiClSiCl2 2+2HCl +2HCl SiHClSiHCl3 3+H+H2 2 SiH SiH2 2ClCl2 2+HCl+HClSiHClSiHCl3 3 SiClSiCl2 2+HCl

13、+HClSiHSiH2 2ClCl2 2 SiClSiCl2 2+H+H2 2 19以以SiHSiH4 4熱分解為例：熱分解為例：SiH4 Si(s)+2H2(g)反應(yīng)是不可逆的，反應(yīng)是不可逆的，外延溫度一般是外延溫度一般是650-650-900 900 將外延過程分解為將外延過程分解為氣氣相質(zhì)量傳遞過程相質(zhì)量傳遞過程和和表表面外延過程面外延過程來分析外來分析外延機(jī)理延機(jī)理H2是指硅烷氣相輸運到達(dá)襯底表面這一過程。是指硅烷氣相輸運到達(dá)襯底表面這一過程。依據(jù)依據(jù)流體動力學(xué)原理流體動力學(xué)原理分析：分析：外延反應(yīng)室氣體壓力：常壓外延反應(yīng)室氣體壓力：常壓 低壓（低壓（133.3Pa)133.3Pa)氣

14、體是氣體是粘滯性粘滯性的，判據(jù)：的，判據(jù)：氣體處于氣體處于層流狀態(tài)層流狀態(tài)，判據(jù)：，判據(jù)：壓力驅(qū)動層流狀態(tài)粘滯性氣體的流動應(yīng)為壓力驅(qū)動層流狀態(tài)粘滯性氣體的流動應(yīng)為泊松流泊松流流速為拋物線型，基座表面氣體流速為零流速為拋物線型，基座表面氣體流速為零20PdkT22ddvRe臨界雷諾數(shù)臨界雷諾數(shù)基座表面邊界層示意圖基座表面邊界層示意圖21邊界層邊界層指基座表面指基座表面垂直于氣流方向上，垂直于氣流方向上，氣流速度、反應(yīng)劑氣流速度、反應(yīng)劑濃度、溫度受到擾濃度、溫度受到擾動的薄氣體層動的薄氣體層SiHSiH4 4是是擴(kuò)散擴(kuò)散穿越穿越邊界邊界層層，SiHSiH4 4擴(kuò)散流密度擴(kuò)散流密度J Jg g： 2

15、11vdydcDJgg0cccdydcg=310=310 SiHSiH4 4表面外延過表面外延過程實質(zhì)上包含了程實質(zhì)上包含了吸附吸附、分解分解、遷遷移移、解吸解吸這幾個這幾個環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)。Si遷移到達(dá)襯底遷移到達(dá)襯底的低能量突出部的低能量突出部位位-稱為稱為結(jié)點位置結(jié)點位置暫時固定下來，暫時固定下來，被覆蓋被覆蓋 表面外延過程示意圖表面外延過程示意圖SiH4= Si+2H222外延過程表明外延生長是外延過程表明外延生長是橫向橫向進(jìn)行，進(jìn)行，在襯底臺階的在襯底臺階的結(jié)點位置發(fā)生結(jié)點位置發(fā)生晶向外延用硅片，在由晶錠切割制備硅片時晶向外延用硅片，在由晶錠切割制備硅片時，表面實際偏離（，表面實際偏離（1

16、11）晶面約）晶面約3襯底高溫襯底高溫可保證被吸附外延劑的可保證被吸附外延劑的化學(xué)反應(yīng)在表面進(jìn)化學(xué)反應(yīng)在表面進(jìn)行行，且利于遷移擴(kuò)散，規(guī)則排列成與襯底晶向一致，且利于遷移擴(kuò)散，規(guī)則排列成與襯底晶向一致的外延層，也利于生成物氣體分子易于解吸離開。的外延層，也利于生成物氣體分子易于解吸離開。231.1.溫度溫度2.2.硅源硅源3.3.反應(yīng)劑濃度反應(yīng)劑濃度4.4.其它因素其它因素24生長速率主要由整個外延過程中較慢的一方?jīng)Q定生長速率主要由整個外延過程中較慢的一方?jīng)Q定氣相質(zhì)量傳遞氣相質(zhì)量傳遞由擴(kuò)散決定，擴(kuò)散是溫度的緩變函數(shù)，氣相擴(kuò)由擴(kuò)散決定，擴(kuò)散是溫度的緩變函數(shù)，氣相擴(kuò)散在較低溫度就能實現(xiàn)：散在較低溫度

17、就能實現(xiàn)：表面外延表面外延由由吸附、反應(yīng)、遷移、解吸構(gòu)成，速率主要由化學(xué)吸附、反應(yīng)、遷移、解吸構(gòu)成，速率主要由化學(xué)反應(yīng)決定，化學(xué)反應(yīng)是一個激活過程，溫度升高反應(yīng)速率呈反應(yīng)決定，化學(xué)反應(yīng)是一個激活過程，溫度升高反應(yīng)速率呈指數(shù)增快：指數(shù)增快：分析表明：低溫時表面外延過程是影響外延速率的主要因素分析表明：低溫時表面外延過程是影響外延速率的主要因素；高溫時氣象質(zhì)量傳遞過程是影響外延速率的主要因素；高溫時氣象質(zhì)量傳遞過程是影響外延速率的主要因素258 . 11TDgdydcDJgg0ckJsskTEsek/a質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞控制控制實際外延實際外延選此區(qū)選此區(qū)表面反應(yīng)表面反應(yīng)控制控制-1263.2.3含

18、氯體系（含氯體系（Si-Cl-HSi-Cl-H：SiClSiCl4 4、SiHSiH2 2ClCl2 2、SiHClSiHCl3 3）和無氯體系）和無氯體系 (Si-H(Si-H：SiHSiH4 4、SiSi2 2H H6 6）硅源不同，外延溫度不同硅源不同，外延溫度不同外延溫度由高到低排序為：外延溫度由高到低排序為： SiCl SiCl4 4SiHClSiHCl3 3SiHSiH2 2ClCl2 2SiHSiH4 4；外延生長速率正相反外延生長速率正相反273.2.3SiHSiH4 4為硅源時，在為硅源時，在載氣氫中的濃度也載氣氫中的濃度也存在臨界值，超過存在臨界值，超過與溫度相關(guān)的臨界與溫

19、度相關(guān)的臨界值，值，SiHSiH4 4在氣相中在氣相中就將發(fā)生分解反應(yīng)，就將發(fā)生分解反應(yīng)，生成細(xì)小硅粒，并生成細(xì)小硅粒，并淀積到襯底上，得淀積到襯底上，得不到單晶硅外延層。不到單晶硅外延層。SiCl4濃度與生長速率的關(guān)系濃度與生長速率的關(guān)系SiCl4摩爾濃度摩爾濃度大于大于0.27出現(xiàn)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象腐蝕現(xiàn)象28-1293.2.3襯底晶向：襯底晶向：(110)(111)(110)(111)反應(yīng)室形狀反應(yīng)室形狀氣體流速氣體流速30什么是外延工藝什么是外延工藝? ?異質(zhì)外延通常襯底和外延層應(yīng)滿足什么條件異質(zhì)外延通常襯底和外延層應(yīng)滿足什么條件? ?簡述硅外延機(jī)理簡述硅外延機(jī)理! !影響外延速率的主要因素

20、影響外延速率的主要因素? ?是否硅源濃度越高外延速率就越快是否硅源濃度越高外延速率就越快? ?31摻雜采用原位氣相摻雜。摻雜采用原位氣相摻雜。雜質(zhì)摻入效率依賴于：外延雜質(zhì)摻入效率依賴于：外延生長溫度、速率，氣流中摻生長溫度、速率，氣流中摻雜劑相對于硅源的摩爾數(shù)、雜劑相對于硅源的摩爾數(shù)、反應(yīng)室?guī)缀涡螤?，摻雜劑自反應(yīng)室?guī)缀涡螤?，摻雜劑自身特性。身特性。有雜質(zhì)再分布現(xiàn)象有雜質(zhì)再分布現(xiàn)象自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng)互擴(kuò)散效應(yīng)互擴(kuò)散效應(yīng)影響：影響：改變外延層和襯底雜質(zhì)濃度及分布改變外延層和襯底雜質(zhì)濃度及分布對對p/np/n或或n/pn/p硅外延，改變硅外延，改變pnpn結(jié)位置結(jié)位置32自摻雜效應(yīng)是指高溫外延時，

21、高摻自摻雜效應(yīng)是指高溫外延時，高摻雜襯底的雜質(zhì)反擴(kuò)散進(jìn)入氣相邊界雜襯底的雜質(zhì)反擴(kuò)散進(jìn)入氣相邊界層，又從邊界層擴(kuò)散摻入外延層的層，又從邊界層擴(kuò)散摻入外延層的現(xiàn)象現(xiàn)象 。自摻雜效應(yīng)是氣相外延的本征效應(yīng)，自摻雜效應(yīng)是氣相外延的本征效應(yīng)，不可能完全避免。不可能完全避免。33xSEeNxN)(假設(shè)假設(shè)1：外延層生長時外延層生長時外延劑中無雜質(zhì)外延劑中無雜質(zhì)，雜質(zhì)來源于雜質(zhì)來源于自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng) )1 ()(0 xEEeNxN假設(shè)假設(shè)2：襯底雜質(zhì)無逸出（或認(rèn)為襯底襯底雜質(zhì)無逸出（或認(rèn)為襯底未摻雜）未摻雜）)1 ()(0 xExSEeNeNxN界面雜質(zhì)疊加的數(shù)學(xué)表達(dá)式為界面雜質(zhì)疊加的數(shù)學(xué)表達(dá)式為 自摻雜

22、外延層雜質(zhì)濃度分布自摻雜外延層雜質(zhì)濃度分布 34“+”對應(yīng)對應(yīng)n/n（p/p）“-”對應(yīng)對應(yīng)p/n（n/p）(cm(cm-1-1) )由實驗確定。由實驗確定。與摻雜劑、化學(xué)反應(yīng)、與摻雜劑、化學(xué)反應(yīng)、反應(yīng)系統(tǒng)，及生長過程反應(yīng)系統(tǒng)，及生長過程等因素有關(guān)等因素有關(guān): : As As比比B B和和P P更易蒸發(fā)更易蒸發(fā); ; SiCl SiCl4 4反應(yīng)過程中的反應(yīng)過程中的要要比比SiHSiH4 4的小的小; ; 邊界層越厚，邊界層越厚，就越大。就越大。35互（互（外）外）擴(kuò)散效應(yīng)，指在襯底中的擴(kuò)散效應(yīng)，指在襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)在外延生長雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)在外延生長時互相擴(kuò)散，引起襯底與外延

23、層界時互相擴(kuò)散，引起襯底與外延層界面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變化的現(xiàn)象。面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變化的現(xiàn)象。不是本征效應(yīng)，是雜質(zhì)的不是本征效應(yīng)，是雜質(zhì)的固相擴(kuò)散固相擴(kuò)散帶來。帶來。 若雜質(zhì)擴(kuò)散速率遠(yuǎn)小于外延生長速若雜質(zhì)擴(kuò)散速率遠(yuǎn)小于外延生長速率，襯底中的雜質(zhì)向外延層中擴(kuò)散，率，襯底中的雜質(zhì)向外延層中擴(kuò)散，或外延層中雜質(zhì)向襯底中的擴(kuò)散，或外延層中雜質(zhì)向襯底中的擴(kuò)散，都如同都如同在半無限大的固體中的擴(kuò)散在半無限大的固體中的擴(kuò)散。當(dāng)襯底和外延層都摻雜時，外延層當(dāng)襯底和外延層都摻雜時，外延層中最終雜質(zhì)分布為：中最終雜質(zhì)分布為：tDxerfNtDxerfNxNEESSE212212)(036“+”對應(yīng)對應(yīng)n/n（

24、p/p）“-”對應(yīng)對應(yīng)p/n（n/p） 雜質(zhì)再分布綜合效果示意圖雜質(zhì)再分布綜合效果示意圖37降低外延溫度降低外延溫度，p-Si采用采用SiH2Cl2；或；或SiH4，但這對但這對As的自摻雜是無效。的自摻雜是無效。重?fù)诫s的襯底，用重?fù)诫s的襯底，用輕摻雜輕摻雜的硅來的硅來密封密封其底面其底面和側(cè)面，減少雜質(zhì)外逸。和側(cè)面，減少雜質(zhì)外逸。低壓外延低壓外延可減小自摻雜，這對砷，磷的效果可減小自摻雜，這對砷，磷的效果顯著，對硼的作用不明顯。顯著，對硼的作用不明顯。用用離子注入的埋層離子注入的埋層來降低襯底表面的雜質(zhì)濃來降低襯底表面的雜質(zhì)濃度?？稍诼駥踊蛞r底上先生長未摻雜的薄膜度?？稍诼駥踊蛞r底上先生長未

25、摻雜的薄膜來避免襯底中的雜質(zhì)外逸，再原位摻雜。來避免襯底中的雜質(zhì)外逸，再原位摻雜。38立式和桶式外延裝置示意圖立式和桶式外延裝置示意圖氣相外延設(shè)備氣相外延設(shè)備39低壓外延低壓外延選擇外延選擇外延SOI技術(shù)技術(shù)40 基于不同的應(yīng)用目的，氣相外延發(fā)展出多基于不同的應(yīng)用目的，氣相外延發(fā)展出多樣化的外延技術(shù)：樣化的外延技術(shù)：目的：減小自摻雜效應(yīng)目的：減小自摻雜效應(yīng)壓力：壓力：1*1032*104Pa原因：原因：低壓氣體擴(kuò)散速率快，襯底逸出雜質(zhì)可快速穿過邊界低壓氣體擴(kuò)散速率快，襯底逸出雜質(zhì)可快速穿過邊界層被排除反應(yīng)室層被排除反應(yīng)室,重新進(jìn)入外延層機(jī)會減??；重新進(jìn)入外延層機(jī)會減??；停止外延時，氣體易清除，

26、多層外延時縮小了過渡區(qū)，停止外延時，氣體易清除，多層外延時縮小了過渡區(qū)，溫度影響溫度影響 隨壓力降低而減小，生長外延層溫度下限隨壓力降低而減小，生長外延層溫度下限也降低。也降低。問題：易泄漏，對設(shè)備要求提高；基座與襯底間溫問題：易泄漏，對設(shè)備要求提高；基座與襯底間溫差大；基座、反應(yīng)室在減壓時放出吸附氣體；外延差大；基座、反應(yīng)室在減壓時放出吸附氣體；外延生長溫度低等，帶來外延層晶體完整性受到一定影生長溫度低等，帶來外延層晶體完整性受到一定影響。響。41如何實現(xiàn)？如何實現(xiàn)？ 根據(jù)硅在絕緣體上很難核化成膜的特性，在硅表面的特定根據(jù)硅在絕緣體上很難核化成膜的特性，在硅表面的特定區(qū)域生長外延層而其它區(qū)域

27、不生長的技術(shù)。區(qū)域生長外延層而其它區(qū)域不生長的技術(shù)。 外延生長晶粒成核速度外延生長晶粒成核速度 SiO2Si3N4SiCl或或HCl作用：作用： 利用氧化物表面的高清潔性和源中存在足夠的利用氧化物表面的高清潔性和源中存在足夠的Cl或或HCl提高提高原子的活動性，以抑制氣相中和掩蔽層表面處成核；原子的活動性，以抑制氣相中和掩蔽層表面處成核；Cl，選擇選擇性性，因為因為HCl可將在氧化物表面形成的小團(tuán)的硅刻蝕掉；可將在氧化物表面形成的小團(tuán)的硅刻蝕掉；種類：種類：1.以以Si為襯底，以為襯底，以SiO2或或Si3N4為掩膜，在暴露的硅窗口內(nèi)為掩膜，在暴露的硅窗口內(nèi)生長外延；生長外延；2.或在暴露的硅

28、窗口內(nèi)生長外延，在掩膜生長或在暴露的硅窗口內(nèi)生長外延，在掩膜生長Poly-Si；42注意注意：窗口側(cè)壁的生長速率不規(guī)則性：窗口側(cè)壁的生長速率不規(guī)則性導(dǎo)致邊緣和中心生長速率差別的問題；導(dǎo)致邊緣和中心生長速率差別的問題；晶面取向不同導(dǎo)致的生長特性差別晶面取向不同導(dǎo)致的生長特性差別.43SOI (Silicon on Insulator)是指在絕緣層上是指在絕緣層上異質(zhì)外延硅得到的材料。異質(zhì)外延硅得到的材料。SOI電路是電路是介質(zhì)隔離介質(zhì)隔離，寄生電容小寄生電容小，使得速，使得速度快、抗幅射能力強(qiáng)、抑制了度快、抗幅射能力強(qiáng)、抑制了CMOS電路電路的閂鎖。的閂鎖。目前一些目前一些高速、高集成度高速、高

29、集成度薄膜集成電路就薄膜集成電路就采用的采用的SOI材料。材料。 44注意注意：缺陷問題：缺陷問題45SOISOI的結(jié)構(gòu)特點的結(jié)構(gòu)特點是在有源層和襯底層之間插是在有源層和襯底層之間插入埋氧層來隔斷二者的電連接。入埋氧層來隔斷二者的電連接。 SOISOI和體硅在電路結(jié)構(gòu)上的主要差別在于和體硅在電路結(jié)構(gòu)上的主要差別在于：硅基器件或電路制作在外延層上，器件和硅基器件或電路制作在外延層上，器件和襯底直接產(chǎn)生電連接，高低壓單元之間、襯底直接產(chǎn)生電連接，高低壓單元之間、有源層和襯底層之間的隔離通過反偏有源層和襯底層之間的隔離通過反偏PNPN結(jié)結(jié)完成，而完成，而SOISOI電路的有源層、襯底、高低壓電路的有

30、源層、襯底、高低壓單元之間都通過絕緣層完全隔開，各部分單元之間都通過絕緣層完全隔開，各部分的電氣連接被完全消除。的電氣連接被完全消除。 46SDB (Silicon Direct Bonding)SDB (Silicon Direct Bonding)直接鍵合與直接鍵合與背面腐蝕背面腐蝕BEBE（Back EtchingBack Etching）技術(shù)）技術(shù)SIMOX (Separating by Implanting Oxide )SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔離氧注入隔離Smart CutSmart Cut智能切割智能切割ELTRAN

31、(Epitaxy Layer Transfer)ELTRAN (Epitaxy Layer Transfer)外延層轉(zhuǎn)外延層轉(zhuǎn)移移目前最常用技術(shù)目前最常用技術(shù)47SOS 是是SOI中的一種，襯底是藍(lán)寶石中的一種，襯底是藍(lán)寶石(-Al2O3) ，或尖晶石，或尖晶石(MgO.Al2O3)藍(lán)寶石和尖晶石是藍(lán)寶石和尖晶石是良好的絕緣體良好的絕緣體，以它們作，以它們作為襯底外延生長硅制作集成電路，可以消除為襯底外延生長硅制作集成電路，可以消除集成電路元器件之間的相互作用，不但可以集成電路元器件之間的相互作用，不但可以減少漏電流和寄生電容，增強(qiáng)抗輻射能力和減少漏電流和寄生電容，增強(qiáng)抗輻射能力和降低功耗，還

32、可以提高集成度和雙層布線，降低功耗，還可以提高集成度和雙層布線，是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的理想材料。是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的理想材料。SOS工藝：工藝：SiH4或或SiH2Cl2，約約1000VPE。48第五次課問題第五次課問題影響外延速率的主要因素影響外延速率的主要因素? ?是否硅源濃度越高外延速率就越快是否硅源濃度越高外延速率就越快? ?為什么使用為什么使用VPEVPE工藝難以得到突變結(jié)？工藝難以得到突變結(jié)？舉出兩種能減小外延工藝雜質(zhì)再分布的舉出兩種能減小外延工藝雜質(zhì)再分布的方法？方法？分子束外延（分子束外延（molecular beam epitaxy, MBEmolecular

33、beam epitaxy, MBE）是一種物理汽相外延工藝，多用于外延層薄、是一種物理汽相外延工藝，多用于外延層薄、雜質(zhì)分布復(fù)雜的多層硅外延，也用于雜質(zhì)分布復(fù)雜的多層硅外延，也用于-族、族、-族化合物半導(dǎo)體及合金、多種金屬和氧族化合物半導(dǎo)體及合金、多種金屬和氧化物單晶薄膜的外延生長?；飭尉П∧さ耐庋由L。 50MBE指在超高指在超高真空下，熱分真空下，熱分子束由噴射爐子束由噴射爐噴出，射到潔噴出，射到潔凈的單晶襯底凈的單晶襯底表面，生長出表面，生長出外延層。外延層。 MBE是物理氣是物理氣相外延工藝。相外延工藝。 51MBE硅硅工藝流程：工藝流程：準(zhǔn)備準(zhǔn)備抽真空抽真空 原位清洗原位清洗外延生

34、長外延生長停機(jī)停機(jī)準(zhǔn)備準(zhǔn)備：RCA清洗（清洗（Radio Corporation of AmericaRadio Corporation of America 開發(fā)開發(fā)的一種硅片濕法化學(xué)清洗技術(shù)）、腐蝕、裝片的一種硅片濕法化學(xué)清洗技術(shù)）、腐蝕、裝片抽真空抽真空：外延室基壓：外延室基壓10-8Pa以上以上原位清洗原位清洗：惰性氣體離子束轟擊硅片表面，至其表面：惰性氣體離子束轟擊硅片表面，至其表面濺射濺射清潔，升溫至清潔，升溫至800900退火數(shù)分鐘，再降至退火數(shù)分鐘，再降至650650外延生長外延生長：開噴射爐，控制工作壓力：開噴射爐，控制工作壓力10-4Pa，硅蒸汽壓低，硅蒸汽壓低，黏附系數(shù)黏

35、附系數(shù)1( 1(化學(xué)吸附原子數(shù)化學(xué)吸附原子數(shù)/ /入射原子數(shù)入射原子數(shù)) )，到達(dá)襯底原，到達(dá)襯底原子被物理吸附子被物理吸附遷移至結(jié)點遷移至結(jié)點化學(xué)吸附，化學(xué)吸附，生長速率約生長速率約0.1m/min摻雜摻雜：選黏附系數(shù)大、停留時間長的雜質(zhì)：選黏附系數(shù)大、停留時間長的雜質(zhì)：Sb、Ga、Al53MBE系統(tǒng)主要部分系統(tǒng)主要部分生長室加熱站緩沖室襯底裝填口空氣鎖轉(zhuǎn)運工具 監(jiān)控系統(tǒng)真空系統(tǒng)噴射爐四極質(zhì)譜儀四極質(zhì)譜儀，用以監(jiān)測分子束的流量和殘余氣體，用以監(jiān)測分子束的流量和殘余氣體俄歇電子能量分析器俄歇電子能量分析器(AES)(AES)，用來測定表面的化學(xué)，用來測定表面的化學(xué)成份成份離子槍離子槍，用于襯底

36、表面外延前和外延表面實時清，用于襯底表面外延前和外延表面實時清潔潔高能電子衍射儀高能電子衍射儀(HEED)(HEED)，由電子槍和熒光屏組成，由電子槍和熒光屏組成, ,電子束以小角度（電子束以小角度（1-21-2）投向襯底。電子束被所）投向襯底。電子束被所生長外延層表面原子反射后，生成二維衍射圖像生長外延層表面原子反射后，生成二維衍射圖像，包含有關(guān)表面上整體構(gòu)造和原子排列的信息，包含有關(guān)表面上整體構(gòu)造和原子排列的信息 54超高真空度超高真空度達(dá)達(dá)10-910-11Torr ，外延過程污染，外延過程污染少，外延層潔凈。少，外延層潔凈。溫度低溫度低，(100)Si 最低外延溫度最低外延溫度4008

37、00 ，所以無雜質(zhì)的再分布現(xiàn)象。所以無雜質(zhì)的再分布現(xiàn)象。外延分子外延分子由噴射爐噴出，速率可調(diào)，由噴射爐噴出，速率可調(diào)，易于控易于控制制，可瞬間開，可瞬間開/停，能生長極薄外延層，厚停，能生長極薄外延層，厚度可薄至度可薄至量級。量級。55設(shè)備上有多個噴射口，可生長設(shè)備上有多個噴射口，可生長多層、雜質(zhì)多層、雜質(zhì)分布復(fù)雜的外延層分布復(fù)雜的外延層，最多層數(shù)可達(dá)，最多層數(shù)可達(dá)104層。層。在整個外延過程中在整個外延過程中全程監(jiān)控全程監(jiān)控，外延層質(zhì)量，外延層質(zhì)量高。高。MBE多用于外延結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外延層薄的異多用于外延結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外延層薄的異質(zhì)外延。質(zhì)外延。設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴，生產(chǎn)效率低設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴，

38、生產(chǎn)效率低563.4.1 3.4.1 液相外延液相外延3.4.2 固相外延固相外延3.4.3 先進(jìn)外延技術(shù)及發(fā)展趨勢先進(jìn)外延技術(shù)及發(fā)展趨勢57液相外延是利用溶液的飽和溶解度隨溫度的液相外延是利用溶液的飽和溶解度隨溫度的變化而變化，使溶液結(jié)晶析出在襯底上進(jìn)行變化而變化，使溶液結(jié)晶析出在襯底上進(jìn)行外延的方法。外延的方法。硅的液相外延是采用硅的液相外延是采用低熔點金屬作為溶劑低熔點金屬作為溶劑，常用的溶劑有常用的溶劑有錫、鉍、鉛及其合金錫、鉍、鉛及其合金等。等。 硅的液相外延是將硅溶入錫中，在硅的液相外延是將硅溶入錫中，在949949時時溶液飽和，當(dāng)降低溫度溶液飽和，當(dāng)降低溫度10-3010-30時

39、溶液過飽時溶液過飽和，硅析出，在單晶硅襯底上生長出外延層。和，硅析出，在單晶硅襯底上生長出外延層。 5859 通用水平滑動式通用水平滑動式LPE系統(tǒng)示意圖系統(tǒng)示意圖相對于相對于VPE和和MBE而而言，言，LPE生長速率快，生長速率快，安全性高；工藝溫度安全性高；工藝溫度低、互擴(kuò)散效應(yīng)也就低、互擴(kuò)散效應(yīng)也就不嚴(yán)重，而且沒有自不嚴(yán)重，而且沒有自摻雜效應(yīng)，所以雜質(zhì)摻雜效應(yīng)，所以雜質(zhì)再分布現(xiàn)象弱。再分布現(xiàn)象弱。相對于相對于MBE而言設(shè)備而言設(shè)備簡單，工藝成本較低，簡單，工藝成本較低，在制備厚的硅外延層在制備厚的硅外延層時常被采用。時常被采用。外延表面形貌一般。外延表面形貌一般。固相外延固相外延 是將晶

40、體襯底上的非晶或多是將晶體襯底上的非晶或多晶薄膜（或區(qū)域）在高溫下退火，使其晶薄膜（或區(qū)域）在高溫下退火，使其轉(zhuǎn)化為單晶轉(zhuǎn)化為單晶 。離子注入時，損傷造成的非晶區(qū)和非晶離子注入時，損傷造成的非晶區(qū)和非晶層經(jīng)退火晶化過程就是固相外延。層經(jīng)退火晶化過程就是固相外延。SPESPE工藝的關(guān)鍵是工藝的關(guān)鍵是工藝溫度和保溫時間工藝溫度和保溫時間。 601 1、超高真空化學(xué)汽相淀積、超高真空化學(xué)汽相淀積19861986年由年由IBMIBM提出，生長室氣壓可達(dá)提出，生長室氣壓可達(dá)10 10 - 7- 7 Pa Pa，源，源SiHSiH4 4，襯底為晶格完好的單晶硅，在，襯底為晶格完好的單晶硅，在6007506

41、00750之間，之間，甚至更低溫度淀積薄膜為單晶硅甚至更低溫度淀積薄膜為單晶硅 優(yōu)勢：優(yōu)勢： 工藝溫度低工藝溫度低，制備雜質(zhì)陡變分布的薄外延層；，制備雜質(zhì)陡變分布的薄外延層； 真空度高真空度高，減少了殘余氣體帶來的污染；，減少了殘余氣體帶來的污染； 設(shè)備操作維護(hù)比較簡單，易于實現(xiàn)設(shè)備操作維護(hù)比較簡單，易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)。目前已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)界目前已廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)界 61例：例：GaAs/SiGaAs/Si外延外延當(dāng)前較成熟的方法是直接生長法，當(dāng)前較成熟的方法是直接生長法，兩步兩步MBE外延工藝過程：外延工藝過程：As氣氛中，約氣氛中，約900熱處理；熱處理；一步生長，一步生長，150-4

42、00是生長厚約是生長厚約20nm的非晶的非晶GaAs緩沖層；緩沖層；二步生長是單晶生長，二步生長是單晶生長，450-600在此期間一步生長的非晶也轉(zhuǎn)化為在此期間一步生長的非晶也轉(zhuǎn)化為單晶單晶 T/t/min一步一步二步二步預(yù)處理預(yù)處理GaAs/Si外延工藝外延工藝2、金屬有機(jī)物汽相外延、金屬有機(jī)物汽相外延Metal organic vapor phase epitaxy （ 金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積MOCVD） 主要制備化合物半導(dǎo)體單晶薄膜主要制備化合物半導(dǎo)體單晶薄膜 623 3、化學(xué)束外延、化學(xué)束外延（chemical beam epitaxy, CBEchemical

43、beam epitaxy, CBE）2020世紀(jì)世紀(jì)8080年代中期，綜合年代中期，綜合MBEMBE的超高真空條件的超高真空條件下的束流外延可以下的束流外延可以原位監(jiān)測原位監(jiān)測及及MOCVDMOCVD的的氣態(tài)源氣態(tài)源等優(yōu)點。等優(yōu)點。與與CBECBE相關(guān)的還有氣態(tài)源分子束外延相關(guān)的還有氣態(tài)源分子束外延 (GSMBE)(GSMBE)和金屬有機(jī)化合物分子束外延和金屬有機(jī)化合物分子束外延(MOMBE)(MOMBE)。 63 外延層質(zhì)量直接關(guān)系到做在它上面外延層質(zhì)量直接關(guān)系到做在它上面的各種器件的性能，所以應(yīng)檢測、分析外的各種器件的性能，所以應(yīng)檢測、分析外延層缺陷及產(chǎn)生原因，并對外延層特征量延層缺陷及產(chǎn)

44、生原因，并對外延層特征量進(jìn)行測試：進(jìn)行測試：3.5.1 3.5.1 外延缺陷類型及分析檢測外延缺陷類型及分析檢測3.5.23.5.2 圖形漂移和畸變現(xiàn)象圖形漂移和畸變現(xiàn)象3.5.3 3.5.3 外延層參數(shù)測量外延層參數(shù)測量64外延層中的缺陷有外延層中的缺陷有表面缺陷表面缺陷和和內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)缺陷缺陷（體內(nèi)缺陷）。通常體內(nèi)缺陷會顯現(xiàn)在（體內(nèi)缺陷）。通常體內(nèi)缺陷會顯現(xiàn)在表面。表面。表面缺陷：云霧狀表面、角錐體、表面突起、劃表面缺陷：云霧狀表面、角錐體、表面突起、劃痕、星狀體、麻坑等。痕、星狀體、麻坑等。體內(nèi)缺陷：體內(nèi)缺陷： 層錯層錯 位錯位錯線缺陷線缺陷外延層外延層（111）襯底）襯底劃痕劃痕點缺陷點缺陷角錐體角錐體層錯層錯65霧狀表面缺陷霧狀表面缺陷霧圈霧圈 白霧白霧 殘跡殘跡 花霧花霧霧圈霧圈 白霧白霧 殘跡殘跡 花霧花霧66l星形線（滑移線）星形線（滑移線）劃痕：由機(jī)械損傷引起劃痕：由機(jī)械損傷引起6768 SiSi各向異性各向異性是是出現(xiàn)漂移和畸變的主要出現(xiàn)漂移和畸變的主要原因：原因： TT漂移漂移；G G 漂移漂移低壓外延，低壓外延，P P 漂移漂移 (100)(100)晶片