納米薄膜的外延生長課件

第六章外延生長（EpitaxialGrowth）外延生長（EpitaxialGrowth）工藝■?概述■?氣相外延生長的熱動(dòng)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(hào)是該書中的圖號(hào)）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?！?/p>

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、外延工藝的分類：(1)按材料a.?

氣相外延工藝（Vpor-PhaseEpitaxy）b.?

液相外延工藝（Liquid-PhaseEpitaxy）超高真空蒸發(fā)3、外延層的作用：獨(dú)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d.?

其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、離子束外延等等c.?

分子束外延（MolecularBeamEpitaxy）(3)按工藝原理二、氣相外延生長的熱動(dòng)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（5×1023cm-3）除以反應(yīng)劑分子中的硅原子數(shù)。Ks>>hg時(shí)，R由氣相質(zhì)量傳輸決定Ks

<<hg時(shí)，R由表面反應(yīng)速率決定（以硅外延為例）1、Deal模型：1)Deal模型是一個(gè)半定量模型，但它將外延生長過程過于簡單化處理：a.外延與氧化不同，襯底表面和氣相中存在多種化學(xué)反應(yīng)過程b.存在大量的、影響外延生長（促進(jìn)或阻礙）的過程例如：在Si－H－Cl系統(tǒng)（SiH2Cl2+H2）中，I）

SiCl2、SiCl4、SiH2等含硅粒子在襯底表面的形成過程會(huì)阻礙硅外延層的生長；II）

Cl的存在會(huì)刻蝕吸附在襯底表面的硅原子或襯底表面本身的硅原子。2)因此，需要采用與CVD技術(shù)中類似的方法，通過將VPE過程分成幾個(gè)連續(xù)步驟，來建立描述VPE的更精確的模型。說明a.總反應(yīng)式：

優(yōu)點(diǎn)：可在低溫下進(jìn)行反應(yīng)

缺點(diǎn)：氣相成核嚴(yán)重，嚴(yán)重影響薄膜質(zhì)量b.氣相成核速率：隨SiH4分氣壓提高而急劇上升。當(dāng)氣相中形成的硅固體顆粒尺寸很小時(shí)，由于其表面能量高而極不穩(wěn)定，因此，尺寸小于某個(gè)臨界值的顆粒會(huì)發(fā)生收縮而消失。2)硅烷熱分解（600～800℃）中的同質(zhì)化學(xué)反應(yīng)該臨界尺寸可寫為：其中，U是表面的界面自由能，V是原子體積，σ0是反應(yīng)劑的分氣壓與平衡氣壓的比值（稱為飽和度）。I)氣相中顆粒的產(chǎn)生限制了工藝溫度下SiH4的最大分氣壓。一般采用H2將SiH4稀釋到1％～5％。II)一般的硅外延工藝采用H2稀釋SiHxCl4-x（x=1,2,3）作為饋氣。含Cl越少，工藝溫度越低。目前最常用的反應(yīng)源是SiH2Cl2。結(jié)論最先使用的SiCl4的反應(yīng)溫度在1150℃以上，已經(jīng)不再使用。圖14.5一個(gè)大氣壓下，Cl:H比為0.06時(shí)，Si-Cl-H系統(tǒng)的平衡氣壓。a.混合氣體成分：H2、HCl和SiCl2

，

SiCl2是最主要的反應(yīng)劑。c.生長速率(在反應(yīng)速率限制區(qū))，其中的c1和c2分別是正向反應(yīng)速率系數(shù)和逆向反應(yīng)速率系數(shù)。3）Si-Cl-H系統(tǒng)的生長速率b.化學(xué)反應(yīng)3、超飽和度（supersaturation）模型(1)超飽和度的定義：當(dāng)超飽和度為正時(shí)，系統(tǒng)為超飽和，——外延生長；當(dāng)超飽和度為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)不飽和，——刻蝕過程。超飽和度是描述外延生長工藝的重要的一級(jí)近似。a.計(jì)算反應(yīng)進(jìn)氣中的硅/氯分壓比。b.用查圖法求出反應(yīng)溫度下的硅/氯平衡分壓比。(2)超飽和度的計(jì)算：先計(jì)算反應(yīng)腔中Cl－H的比率，再查圖讀取Si－Cl比率。圖14.7一個(gè)大氣壓下硅/氯平衡比率(3)估算SiCl4濃度的飽和度的例子外延生長使用SiCl4，生長溫度為1270℃，SiCl4/H2=0.05/0.95。計(jì)算系統(tǒng)的超飽和度，并確定是刻蝕還是外延生長狀態(tài)？

解：1、進(jìn)氣中Si/Cl比為0.25，2、溫度T＝1270＋273＝1543K，由SiCl4/H2=0.05/0.95可知Cl/H＝0.05×4/0.95×2＝0.113、查圖14.7得到：(Psi/PCl)eq≈0.164、系統(tǒng)的超飽和度σ=0.25－0.14=0.11>0因此，系統(tǒng)處于外延生長狀態(tài)。4、薄膜生長的三種模式：(1)逐層生長（LayerGrowth）理想的外延生長模式(2)島式生長（IslandGrowth）超飽和度值越大，吸附分子主要在臺(tái)面中心結(jié)團(tuán)生長。(3)逐層+島式生長（LayersandIslandsGrowth）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(rèn)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。圖14.8不同硅源外延淀積速率與溫度的關(guān)系(2)有意摻雜：最常用的摻雜源B2H6

AsH3PH3外延層摻雜的雜質(zhì)分布示意圖(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(cuò)與位錯(cuò)，由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(jìn)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(yán)重。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(jìn)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：DHF的主要作用是去除自然氧化層b.外延生長：SiH2Cl2＋H2c.冷卻：惰性氣體沖洗腔室，降溫到維持溫度。圖14.25在VPE反應(yīng)腔內(nèi)生長1μm厚度硅外延層的典型溫度/時(shí)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a.快速熱處理工藝：SiH2Cl2在高溫下進(jìn)行短時(shí)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14.26ARTCVD外延系統(tǒng)示意圖(3)先進(jìn)的硅外延工藝：