集成電路制造工藝之外延

1、集成電路制造工藝之外延第1頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四如圖所示，CMOS器件是做在很薄的輕摻雜p型的外延層上。與做在體硅上相比，在外延層上制做的CMOS器件有很好的電介質(zhì)完整性和很小的漏電流。外延工藝在CMOS集成電路中的應(yīng)用第2頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四氣相外延的基本原理外延層中的雜質(zhì)分布低壓外延選擇外延SOS技術(shù)MBE（分子束外延）外延層厚度和電阻率的測(cè)量主要內(nèi)容第3頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.1 硅氣相外延的基本原理目前生長(zhǎng)硅外延層主要有四種源：四氯化硅（SiCl4）：早期的集成電路一般采用SiCl

2、4源，使用SiCl4生長(zhǎng)外延層需要很高的溫度，不適應(yīng)現(xiàn)今集成電路工藝的要求，目前主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的外延工藝中。三氯硅烷（SiHCl3，TCS）： SiHCl3與SiCl4特性相似，但SiHCl3源可以在較低的溫度下進(jìn)行外延，且生長(zhǎng)速率較高，可用于生長(zhǎng)厚外延層。二氯硅烷（SiH2Cl2，DCS）：SiH2Cl2廣泛應(yīng)用于在更低溫度下生長(zhǎng)高質(zhì)量薄外延層，外延層的缺陷密度低，是選擇外延常用的一種硅源。 硅烷（SiH4）：可在低于900度的溫度下生長(zhǎng)很薄的外延層，而且可得到高淀積率。 硅源第4頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.1.2 外延薄膜的生長(zhǎng)模型 同質(zhì)外延層是生長(zhǎng)在完整晶

3、體的某個(gè)晶面上，晶面的構(gòu)造特征描述為：平臺(tái)、扭轉(zhuǎn)、臺(tái)階，是切割硅片時(shí)偏離了晶向產(chǎn)生的，這樣的表面稱為近晶面。平臺(tái)Kink單原子層階梯階梯原子平臺(tái)空位Adatom第5頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四1 反應(yīng)劑被生長(zhǎng)的表面吸附。2 發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成硅和副產(chǎn)物，副產(chǎn)物立即排出，硅原子始終保持被表面吸附的狀態(tài)，稱為吸附原子。外延生長(zhǎng)過程3 二維層狀生長(zhǎng)過程（晶格匹配體系）如果一個(gè)吸附硅原子處于平臺(tái)上的A位置，有幾種可能發(fā)生： 如果吸附原子A保持不動(dòng)，其他硅原子可以被吸附過來，形成硅串或硅島。大量的硅串在合并時(shí)，必定會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的缺陷或形成多晶薄膜。第6頁，共63頁，2022年，

4、5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 如果吸附原子具有比較高的能量，那么這個(gè)原子更傾向于沿著表面遷移，如果遷移到一個(gè)臺(tái)階邊緣的位置，如圖B位置，由于Si-Si鍵的相互作用，位置B比位置A更穩(wěn)定，吸附原子就有很大的可能性保持在此位置。吸附原子最穩(wěn)定的位置是所謂的扭轉(zhuǎn)位置（kink position），如圖中的位置C。當(dāng)吸附原子到達(dá)一個(gè)扭轉(zhuǎn)位置時(shí)，形成了一半的Si-Si鍵，進(jìn)一步的遷移就不太可能發(fā)生了。在繼續(xù)生長(zhǎng)過程中，更多的吸附原子必定會(huì)遷移到扭轉(zhuǎn)位置，從而加入到生長(zhǎng)的薄膜中。第7頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 薄膜生長(zhǎng)是依靠晶體表面臺(tái)階的橫向運(yùn)動(dòng)進(jìn)行的，即為二維層狀生長(zhǎng)模型

5、。 高質(zhì)量的外延生長(zhǎng)需要非常清潔的硅表面。因?yàn)橥庋邮菣M向生長(zhǎng)的，晶體表面的雜質(zhì)會(huì)阻礙生長(zhǎng)，進(jìn)而在薄膜上產(chǎn)生層錯(cuò)或位錯(cuò)缺陷。第8頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四在高生長(zhǎng)速率的情況下，吸附原子沒有足夠的時(shí)間遷移到扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，會(huì)形成多晶；隨溫度升高，硅原子表面遷移率增強(qiáng)，在與其他吸附原子形成硅串之前就已經(jīng)到達(dá)了扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，易形成單晶。 在固定淀積溫度下，存在一個(gè)最大淀積率。超過最大淀積率，會(huì)生成多晶薄膜；低于最大淀積率，生成單晶外延層。 高溫低生長(zhǎng)速率時(shí)，易生長(zhǎng)單晶；而低溫高生長(zhǎng)率易生成多晶。 最大淀積率 如果吸附原子的遷移過程受到抑制，就有可能生成多晶薄膜，與淀積速率和溫度有關(guān)。第

6、9頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 維持單晶生長(zhǎng)的最大淀積率隨溫度升高呈指數(shù)上升，如圖，可求出激活能為5eV。 5eV的激活能相當(dāng)于硅的自擴(kuò)散激活能。由此，我們可以說單晶外延生長(zhǎng)與硅自擴(kuò)散的機(jī)制是相同的。第10頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)CVD二氧化硅的特性和沉積方法低溫CVD SiO2硅烷與氧氣反應(yīng)制備二氧化硅，LPCVD硅烷和N2O反應(yīng)，PECVDTEOS為源，PECVD SiO2可以對(duì)深寬比為0.8的溝槽實(shí)現(xiàn)無空隙填充。2. 中溫LPCVD SiO2在中等溫度下（680-730范圍），以TEOS為源LPCVD淀積的SiO2

7、薄膜有更好的保形性。第11頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四3. TEOS與臭氧混合源的二氧化硅淀積加入臭氧(O3)做為反應(yīng)劑可以得到很高的淀積速率。由TEOS/O3方法淀積的二氧化硅薄膜有非常好的保形性，可以很好地填充深寬比大于6:1的溝槽，以及間距為0.35m金屬線之間的間隙，而不形成空隙。 上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)三層絕緣結(jié)構(gòu)：在TEOS/O3淀積之前，先用PECVD方法淀積一層薄的SiO2層，以保證有相同的沉積速率（淀積速率依賴于薄膜淀積的表面材料）；在TEOS/O3淀積SiO2層；再用PECVD方法淀積一層SiO2作為保護(hù)層，避免氧化層中含有的Si-OH鍵吸收水汽。第12

8、頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)CVD摻雜二氧化硅 1. 磷硅玻璃PSG在高溫下可以流動(dòng)，從而可以形成更為平坦的表面，使隨后淀積的薄膜有更好的臺(tái)階覆蓋?；亓髌教够瘻囟?000-1100 。磷最好限制在6-8wt。 2. 硼磷硅玻璃可以獲得850 以下的玻璃回流平坦化，比PSG回流平坦化溫度低，降低了淺結(jié)中的雜質(zhì)擴(kuò)散。第13頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)CVD氮化硅的特性及沉積方法 氮化硅薄膜是無定形的絕緣材料，在集成電路中可以作為：鈍化層：強(qiáng)掩蔽力（Na、水汽），保形覆蓋，針孔較少低溫PECVD:選擇性氧化的掩蔽膜：

9、氧很難透過Si3N4，SiO2作為緩沖層應(yīng)力補(bǔ)償LPCVD氮化硅：第14頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)鎢的化學(xué)氣相沉積在集成電路互連系統(tǒng)中，鎢主要用途有兩個(gè)方面：填充通孔和接觸孔：對(duì)于特征尺寸小于1m的工藝，由于深寬比太大，PVD鋁無法完全填充，而CVD鎢能夠完全填充。局部互連材料：由于鎢的電導(dǎo)率較低，只能用于短程互連線，而鋁和銅仍然用于全局互連。 覆蓋式化學(xué)氣相沉積鎢與回刻第15頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)CVD 鎢的化學(xué)反應(yīng) （反應(yīng)自停止）以上兩個(gè)反應(yīng)提供鎢核層沉積較厚的鎢薄膜第16頁，共63頁，2022年，

10、5月20日，1點(diǎn)30分，星期四上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)硅化鎢的化學(xué)氣相沉積ploycide（多晶硅/難熔金屬硅化物）多層?xùn)沤Y(jié)構(gòu) 采用DCS和WF6反應(yīng)生成WSix薄膜的臺(tái)階覆蓋好一些，且碎裂剝落也不太嚴(yán)重，因而用DCS取代了SiH4進(jìn)行CVD硅化鎢。第17頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)TiN的化學(xué)氣相沉積 在ULSI互連系統(tǒng)中，使用鋁合金、銅、鎢等金屬作為互連線或者填充接觸孔和通孔，在這層金屬下面要先淀積一層TiN薄膜。其作用是：對(duì)于鋁合金層，它作為擴(kuò)散阻擋層防止在金屬互連層之間形成接觸點(diǎn)；對(duì)于鎢或銅的覆蓋層，它既作為擴(kuò)散阻擋層又作為附著層，稱為襯墊。CVD的Ti

11、N薄膜保形性好，可以形成理想的填充LPCVD：沉積溫度高，600度以上，超過了Al能承受的范圍，只能用于接觸孔的淀積。MOCVD：淀積溫度低， 400度以下，在接觸孔和通孔中都能使用。第18頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)優(yōu)點(diǎn)：CVD鋁對(duì)接觸孔有很好的填充性； 較低的電阻率(與鎢相比)； 一次完成填充和互連。MOCVD Al：沉積溫度低200度Al的有機(jī)化合物有毒、易燃、接觸水會(huì)爆炸，必須密封保存，合理操作?；瘜W(xué)性質(zhì)活潑，必須低溫保存，進(jìn)入反應(yīng)室前，采取措施以保持穩(wěn)定性CVD鋁抗電遷移能力差：CVD鋁銅合金 制備復(fù)合層（CVD鋁+PVD鋁銅）鋁的化學(xué)氣相沉

12、積第19頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四上節(jié)課內(nèi)容小結(jié)外延：是指在單晶襯底(如硅片)上，按襯底晶向生長(zhǎng)單晶薄膜的工藝過程。同質(zhì)外延：生長(zhǎng)的外延層和襯底是同一種材料。異質(zhì)外延：外延生長(zhǎng)的薄膜與襯底材料不同，或者生長(zhǎng)化學(xué)組分、物理結(jié)構(gòu)與襯底完全不同的外延層，如SOS 技術(shù)（在藍(lán)寶石或尖晶石上生長(zhǎng)硅）。根據(jù)向襯底輸送原子的方式，外延生長(zhǎng)分為三種類型：氣相外延(VPE)、液相外延(LPE)和固相外延(SPE)。在硅工藝中主要采用氣相外延技術(shù)，能夠很好地控制外延層厚度、雜質(zhì)濃度、晶體完整性。缺點(diǎn)是必須在高溫下進(jìn)行，加重了擴(kuò)散效應(yīng)和自摻雜效應(yīng)，影響對(duì)外延層摻雜的控制。 第20頁，共

13、63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.1.3 化學(xué)反應(yīng)過程 生長(zhǎng)硅外延層的硅源有很多種，研究發(fā)現(xiàn)每種源的反應(yīng)過程都存在很多中間產(chǎn)物。以SiCl4為例， 總反應(yīng)：發(fā)現(xiàn)反應(yīng)室有四種物質(zhì)存在：SiCl4，SiHCl3，SiH2Cl2和HCl。 中間反應(yīng)：以上反應(yīng)均為氣相反應(yīng)，產(chǎn)物SiCl2吸附于襯底表面生成固態(tài)Si原子。第21頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四如圖所示， SiCl4濃度隨水平距離的增加而減小，其他三種成份濃度隨離入氣口的水平距離增加而上升 。 相比之下，用SiCl4作為硅源生長(zhǎng)外延層的激活能（）最高，SiHCl3（）和SiH2Cl2（）的激活能依

14、次減小。 反應(yīng)都是先形成SiCl2，最終生成硅。 SiCl2被認(rèn)為是氣相外延中的最主要反應(yīng)劑。第22頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 所有的反應(yīng)都是可逆的，在適當(dāng)?shù)臒崃W(xué)條件下，反應(yīng)可以逆向進(jìn)行。硅也會(huì)在氯硅烷環(huán)境中被腐蝕掉。 右圖給出的是SiCl4氫還原法外延過程中生長(zhǎng)速率與溫度的關(guān)系。 腐蝕在高溫和低溫時(shí)發(fā)生，而外延生長(zhǎng)只有在中間溫度才會(huì)發(fā)生。第23頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.1.4 生長(zhǎng)速率與溫度之間的關(guān)系 如圖是采用不同的硅源時(shí)，外延層生長(zhǎng)速率與溫度的關(guān)系。生長(zhǎng)速率與硅源有關(guān)，相同溫度下，生長(zhǎng)速率從高到低為：SiH4、SiH2Cl

15、2、 SiHCl3和SiCl4。存在兩個(gè)生長(zhǎng)區(qū)域：（Grove模型）高溫區(qū)(B區(qū)) ：生長(zhǎng)速率與攜帶氣體中所含反應(yīng)劑的分壓近似成線性關(guān)系，對(duì)溫度變化不敏感，生長(zhǎng)速率由氣相質(zhì)量輸運(yùn)控制。隨著溫度上升，生長(zhǎng)速率略有增加，是因?yàn)闅庀嘀蟹磻?yīng)劑的擴(kuò)散能力隨溫度上升有微弱增加。 第24頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四低溫區(qū)(A區(qū))：生長(zhǎng)速率對(duì)溫度變化非常地敏感。生長(zhǎng)速率是由表面化學(xué)反應(yīng)控制，化學(xué)反應(yīng)激活能約為1.5eV，與所使用的硅源無關(guān)，說明控制反應(yīng)速率的機(jī)制相同。研究認(rèn)為限制機(jī)制是反應(yīng)表面對(duì)氫的解吸。氫占據(jù)硅表面位置，如果不被排除，會(huì)阻止新的硅原子加入到生長(zhǎng)薄膜中。實(shí)際外延溫度

16、是選在高溫區(qū)(B區(qū))：在高溫區(qū)外延，表面Si原子有足夠的能量和遷移能力，運(yùn)動(dòng)到扭轉(zhuǎn)的位置，易生成單晶。第25頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.1.5 生長(zhǎng)速率與反應(yīng)劑濃度的關(guān)系 SiCl4氫還原法外延過程中，生長(zhǎng)速率主要受兩個(gè)過程控制： 氫還原SiCl4析出硅原子過程； 硅原子在襯底上生成單晶層的過程。速度中較慢的一個(gè)將決定外延生長(zhǎng)速率。 當(dāng)SiCl4濃度較小時(shí)， SiCl4被氫還原析出硅原子的速度遠(yuǎn)小于Si原子在襯底上生成單晶的速度，因此化學(xué)反應(yīng)速度控制著外延層的生長(zhǎng)速率。 SiCl4濃度增加時(shí)，化學(xué)反應(yīng)速度加快，生長(zhǎng)速率提高。第26頁，共63頁，2022年，5月2

17、0日，1點(diǎn)30分，星期四 當(dāng)SiCl4濃度大到一定程度時(shí)，化學(xué)反應(yīng)釋放硅原子速度大于硅原子在襯底表面的排列生長(zhǎng)速度，此時(shí)生長(zhǎng)速率受硅原子在襯底表面排列生長(zhǎng)的速度控制。 進(jìn)一步增大 SiCl4濃度，也就是當(dāng)y值達(dá)到0.1時(shí)，生長(zhǎng)速率就開始減小。當(dāng)SiCl4的濃度增長(zhǎng)到0.27時(shí)，逆向反應(yīng)發(fā)生，硅被腐蝕。當(dāng)氫氣中SiCl4的摩爾分?jǐn)?shù)大于0.28時(shí)，只存在腐蝕反應(yīng)。典型生長(zhǎng)速率為1m/min，如圖所示。第27頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.1.6 生長(zhǎng)速率與氣體流速的關(guān)系 SiCl4氫還原法外延溫度一般在1200度左右的高溫下，到達(dá)襯底表面的反應(yīng)劑會(huì)立即發(fā)生反應(yīng)，薄膜生長(zhǎng)

18、速率受反應(yīng)劑以擴(kuò)散方式穿越邊界層的質(zhì)量輸運(yùn)過程控制。 氣體流速越大，外延層生長(zhǎng)速率越快。 當(dāng)氣體流量大到一定程度時(shí)，外延層生長(zhǎng)速率基本不隨氣體流量增大而加快，這時(shí)的生長(zhǎng)速率則由化學(xué)反應(yīng)速率所決定。第28頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.1.7 襯底晶向?qū)ιL(zhǎng)速率的影響 襯底表面的取向?qū)ν庋由L(zhǎng)速率也有一定的影響。 不同晶面的鍵密度不同，鍵合能力就存在差別，因而對(duì)生長(zhǎng)速率就會(huì)產(chǎn)生一定的影響。 硅的(111)晶面的雙層原子面之間的共價(jià)鍵密度最小，鍵合能力差，故外延層生長(zhǎng)速率就慢。(110)晶面之間的原子鍵密度大，鍵合能力強(qiáng)，外延層生長(zhǎng)速率就相對(duì)地快。第29頁，共63頁，2

19、022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.2、外延層中的雜質(zhì)分布外延工藝不僅要求外延層具有完美的晶體結(jié)構(gòu)，還要求： 精確控制外延層摻雜濃度； 外延層與襯底之間具有突變型的雜質(zhì)分布。SiCl4氫還原法的外延溫度高，導(dǎo)致： 襯底中雜質(zhì)蒸發(fā)，改變了氣相中的雜質(zhì)成份和濃度 襯底中雜質(zhì)與外延層中雜質(zhì)互擴(kuò)散，使界面處雜質(zhì)分布變緩第30頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四原位摻雜：雜質(zhì)原子是在外延生長(zhǎng)過程中摻入到外延層晶格中的，雜質(zhì)源使外延生長(zhǎng)過程變得更為復(fù)雜。摻雜劑：B2H6，PH3，AsH3，稀釋后與生長(zhǎng)外延層的反應(yīng)劑一同輸送到反應(yīng)室。 右圖是幾種摻雜劑的摻入效率與生長(zhǎng)溫度的關(guān)系。

20、硅的生長(zhǎng)速率保持恒定時(shí)，硼的摻入量隨生長(zhǎng)溫度上升而增加，而磷和砷卻隨溫度上升而下降。 實(shí)際摻雜效率還與摻雜劑的類型和濃度、外延層的生長(zhǎng)速率、襯底的取向等因素有關(guān)。7.2.1 摻雜原理第31頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.2.2 擴(kuò)散效應(yīng)擴(kuò)散效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)，在外延生長(zhǎng)時(shí)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。 當(dāng)雜質(zhì)的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于外延層的生長(zhǎng)速度時(shí)，外延層中的雜質(zhì)濃度分布由下式給出：式中“+”和“-”分別對(duì)應(yīng) n/n+ (p/p+) 和 p/n+ (n/p+)型外延片。第32頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7

21、.2.3 自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng)：在外延生長(zhǎng)過程中，襯底或外延層中的雜質(zhì)進(jìn)入邊界層中，改變了邊界層的摻雜成份和濃度，導(dǎo)致外延層中雜質(zhì)的實(shí)際分布偏離理想情況。 在摻雜襯底上生長(zhǎng)摻雜外延層時(shí)，因?yàn)樽該诫s效應(yīng)，外延層中的雜質(zhì)濃度分布為：式中Cs為襯底中均勻分布的雜質(zhì)濃度，Ce0為無限厚處外延層的雜質(zhì)濃度。“+”和“-”分別對(duì)應(yīng) n/n+ (p/p+) 和 p/n+ (n/p+)型外延片。第33頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 在重?fù)诫s襯底上生長(zhǎng)含有相同導(dǎo)電類型的輕摻雜外延層時(shí)，雜質(zhì)濃度分布右圖中(a)所示。 在輕摻雜襯底上，生長(zhǎng)不同導(dǎo)電類型的重?fù)诫s外延層，雜質(zhì)分布情況如圖中(b

22、)所示。由圖可見，在外延過程中由于自摻雜效應(yīng)的影響，引起pn結(jié)位置的移動(dòng)。 由圖可以看到，雜質(zhì)濃度的突變型分布是不能實(shí)現(xiàn)的。第34頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 同時(shí)考慮擴(kuò)散效應(yīng)和自摻雜效應(yīng)，在重?fù)诫s襯底上生長(zhǎng)輕摻雜外延層時(shí)，襯底與外延層之間過渡區(qū)的雜質(zhì)分布如圖。 緊靠近襯底的外延層(A區(qū))，摻雜濃度高，這是因?yàn)樵谕庋由L(zhǎng)過程中摻雜劑從襯底擴(kuò)散到外延層中。 與擴(kuò)散速度相比外延生長(zhǎng)速度要大得多，因此很快就抑制了這種影響。B區(qū)是自摻雜效應(yīng)對(duì)過渡區(qū)的影響。 當(dāng)外延層生長(zhǎng)一定厚度時(shí)，自摻雜效應(yīng)影響也降低，外延層中雜質(zhì)濃度達(dá)到期望值。同時(shí)考慮擴(kuò)散效應(yīng)和自摻雜效應(yīng)的雜質(zhì)濃度分布第

23、35頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四(1) 為了減小B的自摻雜，保證外延質(zhì)量和速度前提下，盡量降低外延生長(zhǎng)溫度。但對(duì)于As雜質(zhì)無效，As的自摻雜程度隨著溫度的降低而增強(qiáng)。(2) 對(duì)于n型襯底，應(yīng)該使用蒸氣壓低并且擴(kuò)散速率也低的雜質(zhì)作為埋層雜質(zhì)。如用Sb替代高蒸氣壓的As和高擴(kuò)散速率的P。(3) 對(duì)于重?fù)诫s的襯底，需要使用輕摻雜的硅來密封重?fù)诫s襯底的底面和側(cè)面，進(jìn)而減少雜質(zhì)的外逸。(4) 為了減小自摻雜，外延系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)工作在低壓條件下，此時(shí)氣態(tài)雜質(zhì)原子的擴(kuò)散速率高，由襯底逸出的大部分雜質(zhì)被主氣流帶出反應(yīng)室。對(duì)As和P的效果顯著，而對(duì)B的作用不明顯。減小自摻雜效應(yīng)影響的方法第

24、36頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四(5) 可以使用經(jīng)過離子注入的埋層來降低襯底表面的雜質(zhì)濃度。(6) 可以在埋層或者襯底上生長(zhǎng)未摻雜的薄膜（本征層）來避免襯底中的雜質(zhì)外逸，之后再進(jìn)行原位摻雜。(7) 應(yīng)當(dāng)避免在高溫下采用HCl對(duì)襯底進(jìn)行腐蝕，或者在腐蝕之后使用低溫氣流除去因腐蝕外逸的雜質(zhì)。第37頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.3 低壓外延 為了減小自摻雜效應(yīng)，發(fā)展了低壓外延工藝。低壓外延的壓力一般在1103-2104Pa之間。 在低壓情況下，雜質(zhì)的擴(kuò)散速度加快，由襯底逸出的雜質(zhì)能快速穿越邊界層而被排出反應(yīng)室，從而降低了自摻雜效應(yīng)對(duì)外延層中雜

25、質(zhì)濃度和分布的影響，可以得到陡峭的雜質(zhì)分布。 當(dāng)壓力變低時(shí)，邊界層厚度增加，似乎會(huì)延長(zhǎng)雜質(zhì)穿越邊界層的時(shí)間，但比較而言，擴(kuò)散速度加快的影響是主要的，雖然邊界層增厚，但雜質(zhì)穿過邊界層進(jìn)入主氣流所需時(shí)間同常壓外延相比，還是大大縮短了。 第38頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.4 選擇性外延(SEG, Selective Epitaxial Growth)選擇外延： 利用硅在絕緣體上很難核化成膜的特性，以SiO2或Si3N4為掩膜，在硅表面特定區(qū)域生長(zhǎng)外延層的技術(shù)。存在問題： 窗口邊緣生長(zhǎng)速率比中心的生長(zhǎng)速率高，其比值取決于窗口的大小，降低生長(zhǎng)速率可以在一定程度上控制這個(gè)比

26、值。第39頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 Si在SiO2或Si3N4上是異質(zhì)外延，存在較大晶格失配，不易形成晶核。 對(duì)于選擇外延，要進(jìn)行外延的地方是窗口內(nèi)或硅表面的凹陷處，這些地方的成核能較低。具有選擇性的原因：提高硅淀積選擇性的因素：選擇減壓反應(yīng)系統(tǒng)；提高淀積溫度；減少氣流中硅源的摩爾分?jǐn)?shù)；保證硅片和系統(tǒng)的清潔。第40頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 當(dāng)選擇外延生長(zhǎng)的薄膜超過SiO2的臺(tái)階高度時(shí)，外延不但繼續(xù)垂直生長(zhǎng)，而且也沿橫向生長(zhǎng)，如圖所示。 橫向與縱向生長(zhǎng)速率之比取決于窗口或臺(tái)階的高度以及襯底的取向。橫向超速外延(ELO)第41頁，共6

27、3頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.5 硅烷熱分解法外延硅烷熱分解法外延的化學(xué)反應(yīng)式為優(yōu)點(diǎn)：反應(yīng)是不可逆的，沒有鹵化物產(chǎn)生，不存在反向腐蝕效應(yīng)。反應(yīng)溫度較低，600以上即可發(fā)生分解反應(yīng)，減弱了自摻雜效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng)，使界面兩邊的雜質(zhì)濃度接近突變型分布。硅烷熱分解法外延過程中雜質(zhì)玷污較少，硅烷純度很高時(shí)可制備高電阻率的外延層。 第42頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四存在的問題： SiH4可以在氣相中自行分解，造成過早核化，對(duì)外延層的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，甚至生成多晶。加大氣體流量，選定合適溫度，在反應(yīng)氣氛中加入適量的HCl，都可以減少氣相核化的影響。同其他氯

28、的硅化物相比，SiH4非常容易氧化形成硅粉。盡量避免氧化物質(zhì)和水汽的存在，否則就會(huì)影響外延層的質(zhì)量。 SiH4熱分解生長(zhǎng)的外延層，其缺陷密度常常比SiCl4氫還原法外延的高。對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)要求高。 硅烷熱分解法外延雖然有上述問題，目前還是得到較為廣泛的應(yīng)用。第43頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.6 SOS技術(shù) SOS是“Silicon on Sapphire”和“Silicon on Spinel”的縮寫，是指在藍(lán)寶石(-Al2O3)或尖晶石(MgOAl2O3)的襯底上進(jìn)行硅外延的技術(shù)，并把電路作在硅外延層上。 SOS是SOI (Silicon on Insulator

29、 or Semiconductor on Insulator，在絕緣襯底上進(jìn)行硅的異質(zhì)外延) 技術(shù)中比較成熟的一種。SOI技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是：寄生電容小，對(duì)高速和高集成度的電路特別有利。在亞微米器件中，襯底濃度比常規(guī)MOS器件的襯底濃度高，寄生電容更大，因此隨集成電路特征尺寸的縮小，SOI技術(shù)應(yīng)用前景更好。提高了器件的抗輻射能力。抑制了CMOS電路的閂鎖效應(yīng)。工藝比體硅CMOS工藝簡(jiǎn)單。第44頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 在絕緣體上異質(zhì)外延單晶硅的設(shè)備和工藝與硅同質(zhì)外延基本相同。為了得到好的外延層，要求襯底和Si的熱膨脹系數(shù)與晶格常數(shù)相近。熱失配是影響異質(zhì)外延生長(zhǎng)的單

30、晶硅膜的物理和電學(xué)性質(zhì)的主要因素。由于所有絕緣體的熱膨脹系數(shù)均比硅高，在單晶硅膜內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，使外延層缺陷增多，從而影響外延層和器件的性能。 晶格失配將導(dǎo)致外延膜中的缺陷密度非常高，特別是當(dāng)硅膜非常薄時(shí)，缺陷密度更高。 當(dāng)硅膜厚度增加時(shí)，隨著遠(yuǎn)離硅-藍(lán)寶石界面，硅中的缺陷密度單調(diào)下降，也就是說缺陷不會(huì)貫穿整個(gè)外延層。這些缺陷可使界面附近的電阻率、載流子遷移率和壽命降低。第45頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.7 分子束外延 分子束外延(MBE，Molecular Beam Epitaxy)是一種在超高真空下的蒸發(fā)技術(shù)。它是利用蒸發(fā)源提供的定向分子束或原子束，撞擊到清潔的

31、襯底表面上生成外延層的工藝過程。 MBE是由貝爾實(shí)驗(yàn)室在改進(jìn)真空蒸發(fā)工藝的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，首先在GaAs外延生長(zhǎng)中獲得成功。 MBE設(shè)備主要由超高真空系統(tǒng)，生長(zhǎng)系統(tǒng)，測(cè)量、分析、監(jiān)控系統(tǒng)等組成。第46頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四大大降低了反應(yīng)室內(nèi)殘余氣體，保證了外延層的高純度。蒸發(fā)分子的自由程很大，分(原) 子束流可以不經(jīng)散射直接從源到達(dá)襯底表面，對(duì)這樣的束流可以瞬間完成關(guān)斷，提高了對(duì)層厚控制的準(zhǔn)確度，使生長(zhǎng)的界面接近原子級(jí)尺度。超高真空度的環(huán)境可以采用原位分析手段，實(shí)現(xiàn)對(duì)生長(zhǎng)過程的監(jiān)控。超高真空系統(tǒng) 真空度1.3310-8Pa以上，可選用的真空泵主要有機(jī)械泵，吸

32、附泵，離子泵，低溫泵，鈦升華泵，渦輪分子泵等。第47頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四生長(zhǎng)系統(tǒng)包括源和襯底兩部分。源：在MBE系統(tǒng)的生長(zhǎng)室內(nèi)裝有數(shù)目不等的努森箱，即噴射爐，由坩堝、加熱系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)組成。 坩堝由熱解氮化硼或高純石墨制成，用來放置高純?cè)椿驌诫s源； 外繞鎢絲或鉭絲進(jìn)行電阻加熱，或采用電子束加熱； 控溫系統(tǒng)控制加熱溫度，從而控制蒸發(fā)速率。 每個(gè)噴射爐均有一個(gè)快門，控制束流的通斷和大小。 襯底：生長(zhǎng)室內(nèi)的襯底基座，是用來放置樣品的，可以旋轉(zhuǎn)和傾斜一定的角度，通過操作機(jī)構(gòu)控制接送樣品。襯底基座可對(duì)樣品加溫，保證襯底表面處于活性狀態(tài)，溫度范圍一般為400-900。生

33、長(zhǎng)系統(tǒng)第48頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四 MBE裝置中配有比較齊全的測(cè)量、分析、監(jiān)控等設(shè)備，主要包括質(zhì)譜儀，俄歇電子能譜儀，高能電子衍射儀，薄膜厚度測(cè)試儀，電子顯微鏡等。這是MBE的一個(gè)突出特點(diǎn)，正因如此MBE系統(tǒng)才能生長(zhǎng)出高質(zhì)量的外延層。質(zhì)譜儀MS：裝在束流經(jīng)過的路徑上，可以監(jiān)視分(原)子束的種類和強(qiáng)度，還可以測(cè)出真空中的殘留氣體。俄歇電子能譜儀AES：可以提供表面化學(xué)成份的數(shù)據(jù)，測(cè)定外延層組分和雜質(zhì)的剖面分布。高能電子衍射儀HEED：由電子槍和接受電子的熒光屏組成，由電子槍出來的電子束入射到結(jié)晶表面，在熒光屏上顯示出的表面衍射圖像是與表面原子排列情況相對(duì)應(yīng)的圖像

34、，解析這個(gè)圖像可以知道外延層的結(jié)晶性能。測(cè)量、分析、監(jiān)控系統(tǒng)第49頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四第50頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四低生長(zhǎng)溫度（400-900），可以：減少系統(tǒng)的放氣；降低了擴(kuò)散效應(yīng)、自摻雜效應(yīng)的影響；降低了襯底雜質(zhì)的再分布以及熱缺陷的產(chǎn)生；可以精確控制層厚、界面。低生長(zhǎng)速率（/s）：給分（原）子提供了足夠的時(shí)間在襯底表面上運(yùn)動(dòng)，為進(jìn)入到晶格位置、生成高質(zhì)量的晶體結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件，每秒一個(gè)原子層的低生長(zhǎng)速度可使控制精度提高。 第51頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.8 層錯(cuò)、圖形漂移及利用層錯(cuò)法測(cè)量厚度

35、 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，因此，檢測(cè)、分析外延層缺陷及產(chǎn)生原因是提高外延質(zhì)量的一個(gè)重要方面。 外延層中的缺陷按其所在位置可分為兩大類：一類是顯露在外延層表面的缺陷，這類缺陷可用肉眼或者金相顯微統(tǒng)觀察到，通常稱為表面缺陷。另一類是存在于外延層內(nèi)部的晶格結(jié)構(gòu)缺陷，也就是體內(nèi)缺陷。實(shí)際上，有些缺陷是起源于外延層內(nèi)部，甚至于是襯底內(nèi)部，隨外延層的生長(zhǎng)一直延伸到外延層表面。表面缺陷主要有：云霧狀表面、角錐體、劃痕、星狀體、麻坑等。體內(nèi)缺陷主要有：位錯(cuò)和層錯(cuò)。第52頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.8.1 層錯(cuò) 層錯(cuò)也稱堆積層錯(cuò)，由原子排列次序發(fā)生錯(cuò)亂引起

36、，隨著外延生長(zhǎng)一直延伸到表面。是外延層的一種特征性缺陷 。 層錯(cuò)界面處的原子排列不規(guī)則，界面兩邊的原子相互結(jié)合較弱，具有較快的化學(xué)腐蝕速率，經(jīng)過適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)腐蝕之后，就會(huì)在層錯(cuò)面與外延層表面交界處出觀三角形腐蝕圖形。第53頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.8.2 層錯(cuò)法測(cè)量外延層的厚度 因?yàn)閷渝e(cuò)一般是由外延層與襯底界面開始，一直延伸到表面，那么缺陷圖形的邊長(zhǎng)與外延層厚度之間就存在一定的比例關(guān)系。因此可以通過測(cè)量缺陷圖形的邊長(zhǎng)l，換算出層錯(cuò)四面體的高度，即外延層的厚度T，達(dá)到測(cè)量外延層厚度的目的。 第54頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.8.3

37、圖形漂移和畸變 在外延生長(zhǎng)之前，因工藝需要在硅面可能存在凹陷圖形，外延生長(zhǎng)之后在表面應(yīng)該重現(xiàn)出完全相同的圖形。但是外延層上的圖形相對(duì)于原掩埋圖形常會(huì)發(fā)生水平漂移，畸變，甚至完全消失，如圖所示。 具體情況依賴于襯底取向、淀積率、反應(yīng)室的工作壓強(qiáng)、反應(yīng)系統(tǒng)的類型、外延溫度和硅源的選擇等。 硅的生長(zhǎng)和腐蝕速率的各向異性是發(fā)生圖形漂移和畸變的根本原因。第55頁，共63頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)30分，星期四7.9 外延層電阻率的測(cè)量 外延層的電阻率及其均勻性也是外延層質(zhì)量的一個(gè)重要參數(shù)。檢測(cè)外延層電阻率的方法很多，擴(kuò)展電阻法是其中的一種。 擴(kuò)展電阻法的最大持點(diǎn)是可以測(cè)量微區(qū)的電阻率或電阻率分布情況。 可以反映10-10cm3體積內(nèi)電阻率的變化，最高分辨半徑可達(dá)200。測(cè)量原理：半導(dǎo)體材料電阻率一般要比金屬材料的