納米薄膜的外延生長

1、納米薄膜的外延生長第1頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二外延生長（Epitaxial Growth）工藝 概述 氣相外延生長的熱動力學(xué) 外延層的摻雜與缺陷 硅氣相外延工藝 小結(jié)參考資料：微電子制造科學(xué)原理與工程技術(shù)第14章（電子講稿中出現(xiàn)的圖號是該書中的圖號）第2頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二外延層界面襯底一、概述 按襯底晶相延伸生長的新生單晶薄層 外延層。 長了外延層的襯底 外延片。 同質(zhì)外延： 異質(zhì)外延： 摻入雜質(zhì)可改變外延 層的電學(xué)特性。 交替生長不同的外延 層可制作超晶格結(jié)構(gòu)。1、外延工藝的定義：在單晶襯底上生長單晶薄膜的技術(shù)。2、 外延

2、工藝的分類：(1) 按材料第3頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二三種外延工藝的示意圖(2) 按晶格畸變程度第4頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二a. 氣相外延工藝（Vpor-Phase Epitaxy）b. 液相外延工藝（Liquid-Phase Epitaxy）超高真空蒸發(fā)3、 外延層的作用：獨立控制薄膜晶體結(jié)構(gòu)（組分）、厚度、 雜質(zhì)種類及摻雜分布(1) 雙極工藝：器件隔離、解決集電極高擊穿電壓與串連電阻的矛盾(2) CMOS工藝：減小閂鎖（Latch-up）效應(yīng)(3) GaAs工藝：形成特定的器件結(jié)構(gòu)層(4) 其他：制作發(fā)光二極管、量子效應(yīng)器件等

3、d. 其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、離子束外延等等c. 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）(3) 按工藝原理第5頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二二、氣相外延生長的熱動力學(xué)與氧化模型類似，假設(shè)粒子穿過氣體邊界層的流量與薄膜生長表面化學(xué)反應(yīng)消耗的反應(yīng)劑流量相等。其中，hg是質(zhì)量傳輸系數(shù)，Ks是表面反應(yīng)速率系數(shù)，Cg和Cs分別是 氣流中和圓片表面的反應(yīng)劑濃度。外延薄膜生長速率可寫為：其中，N是硅原子密度（51023cm-3）除以反應(yīng)劑分子中的硅原子數(shù)。Ks hg時， R由氣相質(zhì)量傳輸決定Ks 0因此，系統(tǒng)處于外延生長狀態(tài)。第15頁，共30頁，

4、2022年，5月20日，10點8分，星期二a. Cl的含量增加后，超飽和度下降，當SiCl4含量為2030時， 由外延生長轉(zhuǎn)為刻蝕。b. 當SiCl4含量為10左右時，外延生長速率有一個最大值？超飽和度模型未能預(yù)測，因為低濃度下外延生長速率是受氣相質(zhì)量輸運限制的。c. 超飽和度的值過大，會影響單晶薄膜的質(zhì)量（與薄膜生長模式 有關(guān)）。結(jié) 論第16頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二4、薄膜生長的三種模式：(1) 逐層生長（Layer Growth）理想的外延生長模式(2) 島式生長（Island Growth）超飽和度值越大，吸附分子主要在臺面中心結(jié)團生長。(3) 逐層+島式

5、生長（Layers and Islands Growth）第17頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二5、硅片表面的化學(xué)反應(yīng)(1) 在化學(xué)反應(yīng)限制區(qū)，不同硅源的化學(xué)反應(yīng)激活能是相似的。(2) 一般認為，硅外延速率受限于H從硅片表面的解吸附過程。(3) 硅片表面的主要反應(yīng)劑是SiCl2，反應(yīng)劑是以物理方式吸附 在硅片表面。第18頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二圖14.8 不同硅源外延淀積速率與溫度的關(guān)系第19頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二三、外延層的摻雜與缺陷(1) 無意識摻雜源：襯底固態(tài)源、氣態(tài)自摻雜。a. 襯底固態(tài)源在外延過

6、程中的擴散決定了外延層-襯底分界面 附近的雜質(zhì)分布。當外延生長速率時，外延層雜質(zhì)分布服從余誤差分布。b. 氣相自摻雜：襯底中雜質(zhì)從圓片表面解吸出來，在氣相中 傳輸，并再次吸附到圓片表面。其雜質(zhì)分布的表達式為：其中，f 是陷阱密度，Nos 是表面陷阱數(shù)，xm 是遷移寬度。1、外延層的摻雜：無意摻雜與有意識摻雜。第20頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二(2) 有意摻雜：最常用的摻雜源B2H6 AsH3 PH3外延層摻雜的雜質(zhì)分布示意圖第21頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二(1) 外延層中的缺陷種類：體內(nèi)缺陷與表面缺陷 a. 體內(nèi)缺陷：堆跺層錯與位錯，由

7、襯底缺陷延伸或外延工藝引入 b. 表面缺陷：表面凸起尖峰、麻坑、霧狀缺陷等 通過改進襯底制備工藝、清洗工藝和外延工藝條件，可極大 改善上述缺陷密度。2、外延生長缺陷(2) 外延層的圖形漂移： 外延生長速率與晶向有關(guān)，111面的圖形漂移最嚴重。第22頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二四、硅的氣相外延工藝1、 反應(yīng)原理：外延工藝一般在常壓下進行氫還原反應(yīng)：硅烷分解反應(yīng)：反應(yīng)溫度、反應(yīng)劑濃度、氣體流速、反應(yīng)腔形狀結(jié)構(gòu)、襯底晶向等。低缺陷密度、厚度及其均勻性、摻雜雜質(zhì)的再分布最小2、 影響外延生長速率的主要因素：3、 外延層的質(zhì)量：第23頁，共30頁，2022年，5月20日，10

8、點8分，星期二(1) 化學(xué)清洗工藝：高純度化學(xué)溶液清洗高純度去離子水沖洗 高純度N2甩干SC-1的主要作用是去除微顆粒，利用NH4OH的弱堿性來活化硅 的表面層，將附著其上的微顆粒去除SC-2的主要作用是去除金屬離子，利用HCl與金屬離子的化合作 用來有效去除金屬離子沾污SC-3的主要作用是去除有機物（主要是殘留光刻膠），利用 H2SO4的強氧化性來破壞有機物中的碳氫鍵結(jié)4、硅外延前的清洗工藝：去除表面氧化層、雜質(zhì)（有機物、無機物金屬離子等）和顆粒第24頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二DHF的主要作用是去除自然氧化層b. 外延生長：SiH2Cl2H2c. 冷卻：惰性氣體

9、沖洗腔室，降溫到維持溫度。圖14.25 在VPE反應(yīng)腔內(nèi)生長1m厚度硅外延層的典型溫度/時間過程(2) 硅外延加工工藝的過程a. 預(yù)清洗：H2、H2/HCl混合氣氛或真空中去除自然氧化層第25頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二a. 快速熱處理工藝：SiH2Cl2在高溫下進行短時外延b. 超高真空CVD外延： 低溫低氣壓下，硅烷分解形成硅外延層圖14.26A RTCVD外延系統(tǒng)示意圖(3) 先進的硅外延工藝：第26頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二a. 鹵化物GaAs氣相外延：HCl+AsH3氣體流過加熱的固體Ga源， 生成GaCl氣體，輸運至圓片表面生成GaAs。b. 金屬有機物化學(xué)氣相淀積（MOCVD）：用于生長高質(zhì)量 （具有原子層級的突變界面）IIIV族化合物c. 分子束外延（MBE）技術(shù)：生長厚度精度為原子層級，膜質(zhì) 量為器件級的外延層(4) 其他外延工藝第27頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二圖14.14 各種外延生長技術(shù)的溫度和氣壓范圍第28頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二 硅的氣相外延技術(shù)： VPE的熱動力學(xué)：Deal模型與連續(xù)步驟模型。 SiC