第六章外延片制備

第六章外延片制備第一頁，共64頁。

同質(zhì)外延：生長的外延層與襯底材料相同異質(zhì)外延：外延層在結構、性質(zhì)上與襯底材料不同外延分類:氣相外延(VPE)－－常用液相外延(LPE)－－ⅢⅤ固相外延(SPE)－－熔融再結晶

分子束外延(MBE)－－超薄第二頁，共64頁。4.2外延生長動力學原理

外延時，通入含有一定硅源的氫氣流，并流經(jīng)被高頻感應加熱的硅片表面，當條件適當時便會在其上外延成膜.硅外延反應器第三頁，共64頁。4.2.1一般過程H2還原SiCl4法的化學反應式為：在生長表面得到游離態(tài)的Si原子，析出的Si原子在高溫下攜帶大量的熱能，便沿著表面滑動（擴散）到適當位置，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。第四頁，共64頁。外延生長包括下列連續(xù)步驟：1.反應劑質(zhì)量從氣相轉移到生長層表面2.反應劑分子被吸附在生長層表面3.在生長層表面進行化學反應，得到Si原子和其他副產(chǎn)物4.副產(chǎn)物分子脫離生長層表面的吸附5.解吸的副產(chǎn)物從生長表面轉移到氣相，隨主流氣體逸出反應室6.Si原子加接到晶格點陣上其中1和5為物理擴散過程，2和4為吸附和解吸過程，3為表面化學反應過程第五頁，共64頁。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。吸附和解吸的速度相當快，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，外延層的生長速率將主要取決于質(zhì)量傳輸和表面化學反應。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氣氛中各組分在樣品表面的吸附及其表面化學反應控制。第六頁，共64頁。4.2.2生長動力學假設：反應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。既可以忽略反應器壁的邊界效應，又可以認為反應室內(nèi)氣體的性質(zhì)（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)域稱為速度附面層自由流體：速度附面層區(qū)域以外的流體第七頁，共64頁。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從附面層到其外流動區(qū)域速度的分布是連續(xù)變化的，如圖，通常把附面層的厚度

規(guī)定為：在該處的流速已到達自由流體流速U0

的99%，其中U表示流體的流速。第八頁，共64頁。微流體元及速度分布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)應力（4-1）第九頁，共64頁。

稱為粘滯系數(shù)。在滯流層內(nèi)距原點x處取一垂直于基座表面的微流體元ABCD，它在垂直于紙面方向上有一個單位長度。忽略壓力沿x方向的損失，則該微流體元沿x方向只受到粘性內(nèi)摩擦力的作用。BC面的內(nèi)摩擦力為零，而AD面的內(nèi)摩擦力為與速度在垂直方向上的變化率成正比，即（4-2）（4-3）第十頁，共64頁。

式中負號表示內(nèi)摩擦力沿著x軸負方向。根據(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，從ABC面流進來的流體必然全部要從CD面流出。作為近似，動量的變化可以看作是流體由BC面流入的結果。而單位時間內(nèi)從BC面流入的流體帶入的動量為

質(zhì)量×速度（4-4）第十一頁，共64頁。該動量全部用在克服內(nèi)摩擦力上，故有將式（4-3）和（4-4）帶入上式，得到等式兩邊積分，并取第十二頁，共64頁。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式中稱為平板雷諾數(shù)，是一個無量綱數(shù)，用它可以判斷流體的運動狀態(tài)（4-5）（4-6）第十三頁，共64頁。

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，其厚度可以表示為δN設氣體內(nèi)部和生長表面的反應劑濃度分別為假定在質(zhì)量附面層里反應劑濃度也呈線性分布即（4-7）第十四頁，共64頁。

根據(jù)擴散理論，輸運到外延層表面的反應劑粒子流密度為式中為反應劑在氫氣中的擴散系數(shù)，結合（4-7）式，得式中稱為氣相質(zhì)量轉移系數(shù)，它具有速度的量綱（4-8）（4-9）第十五頁，共64頁。另一方面，在生長層界面上進行化學反應所消耗的粒子流密度為是表面化學反應速率常數(shù)。在穩(wěn)定狀態(tài)下根據(jù)（4-10）（4-11）為硅晶體的原子密度第十六頁，共64頁。在氣體—生長層界面上的反應劑濃度和外延生長速率為：第十七頁，共64頁。4.2.3生長速率討論表面反應控制當時，化學反應進行得慢，反應劑可以充分供給，因此在附面層中反應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反應進行得快慢，所以第十八頁，共64頁。質(zhì)量轉移控制當時，在外延層表面上的化學反應進行得相當快，凡是轉移到表面上的反應劑分子瞬間就可以變成硅，因此表面上的反應劑幾乎為零，外延生長速率主要取決于反應劑由氣相轉移到生長表面的快慢，所以第十九頁，共64頁。4.3影響外延生長速率的因數(shù)反應劑濃度:為兼顧結晶的完美性和其他要求，反應劑濃度不宜太大。在較小的反應劑濃度范圍內(nèi)，生長速率和反應劑濃度成正比，但由于反應生成氯化物如HCL的腐蝕作用逐漸顯著起來，使得生長速率并不能按比例增加，而是趨于飽和，然后下降，一旦濃度超過某一值，腐蝕占了主導地位，會出現(xiàn)與生長相反的過程，襯底表面被剝離。第二十頁，共64頁。溫度：B區(qū)高溫區(qū)（常選用），A區(qū)低溫區(qū)

較高溫度下，速率與溫度的關系不明顯。較低溫度下，速率隨絕對溫度的增加呈指數(shù)急增。第二十一頁，共64頁。氣體流速: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第二十二頁，共64頁。生長速率還與反應腔橫截面形狀和襯底取向有關。由下圖可知，圓形管沿基座橫向，外延層厚度是中間厚、兩邊??；矩形腔的均勻性較圓形腔好。第二十三頁，共64頁。至于生長速率與襯底取向有關，是因為外延層是襯底表面沿其法線方向沿拓的結果。晶面間相互作用的共價鍵數(shù)目越多，生長速率越慢。V(110)>V(100)>V(111)第二十四頁，共64頁。4.4系統(tǒng)與工藝流程系統(tǒng)示意圖第二十五頁，共64頁。工藝流程

a.把干凈的硅片裝入反應室2-4minb.N2預沖洗260L/min4minc.H2預沖洗260L/min5min（吹入惰性氣體并充入氫氣，如使用低壓外延也需抽真空）d.升溫1850oC5mine.升溫21170oC5min（加熱到氫氣烘烤溫度，以去除氧化層，該步驟能去除50-100埃的二氧化硅層）

第二十六頁，共64頁。f.HCl腐蝕10L/min10min（加熱到HCL的刻蝕溫度，引入無水HCL刻蝕表面的硅層）g.HCl排空1.3L/min1min（吹氣去除系統(tǒng)中的摻雜劑和HCl）h.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10min

第二十七頁，共64頁。h.H2沖洗260L/min1min（去除硅原料和摻雜劑）i.降溫6min（冷卻到室溫）

j.N2沖洗3-5min（吹走氫氣）k.取出硅片第二十八頁，共64頁。4.5

外延中的摻雜及其雜質(zhì)再分布4.5.1摻雜原理外延層中的雜質(zhì)原子是在外延生長時加入到晶格點陣中去的。因而摻雜的動力學原理和外延生長相似。最終的雜質(zhì)濃度將涉及反應劑和摻雜劑兩者的化學動力學性質(zhì)以及溫度，氣流等多種因素。第二十九頁，共64頁。4.5.2摻雜劑氫化物:PH3，AsH3，B2H6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生長表面輸運，在表面附近PH3被分解出游離態(tài)的磷原子，化學反應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。

第三十頁，共64頁。4.5.3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，即使相同，濃度也不一樣。同型雜質(zhì)異型雜質(zhì)第三十一頁，共64頁。硅外延工藝在高溫下進行，因此雜質(zhì)的再擴散不可忽視。一方面，由外部摻入到外延層中的雜質(zhì)繼續(xù)向襯底深處擴散；另一方面，襯底中的雜質(zhì)又不斷地向生長著的外延層擴散?？偟臄U散濃度是它們各自擴散的共同結果。同一導電類型的雜質(zhì)取正號，相反類型的雜質(zhì)取負號第三十二頁，共64頁。4.6自摻雜效應4.6.1自摻雜效應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)出來，這種蒸發(fā)效應主要發(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)能逸出表面的有效時間就越長。第三十三頁，共64頁。對于發(fā)生在襯底背面的蒸發(fā)效應，由于它與加熱基座直接接觸，溫度較高，蒸發(fā)將更甚，這種蒸發(fā)效應在整個淀積過程中都存在，特別在生長的后期，成為主要的蒸發(fā)源。第三十四頁，共64頁。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)是由于對樣品進行預烘焙引起的。第三十五頁，共64頁。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，也會使積蓄在附面層里的雜質(zhì)大大增加。這樣從樣品表面蒸發(fā)和腐蝕出來的雜質(zhì)進入氣相中，將起著摻雜劑的作用，重新進入外延層。第三十六頁，共64頁。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。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)稱為自摻雜效應。第三十七頁，共64頁。

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膜中：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摻雜所致。第三十八頁，共64頁。4.6.3減少自摻雜的方法1.為避免硼的自摻雜，外延淀積過程應在盡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（SiH2Cl2可以在比SiCl4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的自摻雜增加了。第三十九頁，共64頁。2.應使用有較低蒸氣壓和低擴散率的襯底和埋層摻雜劑。3.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流并被帶出反應室，從而減少橫向自摻雜。只對磷和砷有用，對硼無效。第四十頁，共64頁。5.使用離子注入的埋層以減小襯底表面濃度。6.在HCl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)。第四十一頁，共64頁。注意外延層的晶體質(zhì)量不應該超過襯底的質(zhì)量。因而在硅片預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、有機的和無機的沾污。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1100度的即時的無水HCl的刻蝕來從表面去除剩余的沾污。第四十二頁，共64頁。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。如果在較低的溫度（1050），已發(fā)現(xiàn)SF6是即時刻蝕中HCl的合適替代品。第四十三頁，共64頁。4.7對VLSI外延淀積的工藝考慮第四十四頁，共64頁。4.8圖形的移動、變形和沖環(huán)當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中的位置發(fā)生了移動。這些效應被分別稱為圖形移動、圖形變形和圖形沖環(huán)。第四十五頁，共64頁。這些效應取決于基片取向、淀積速率、淀積溫度和硅的原料。晶體取向對圖形移動有重要影響。對與<100>取向的硅片，軸的方向上的圖形移動最小，而<111>硅片則在偏離<111>方向20-50、接近<100>方向時，表現(xiàn)出最小的影響。因而通常用于生長<111>取向的外延層的基片有30的偏離。第四十六頁，共64頁。對圖形移動進行研究表明，當溫度增加時，移動減小了；減壓的淀積能大大減少圖形移動；使用SiH4作為硅的來源可消除圖形的移動。

對于<111>和<100>方向，淀積速率增加時移動增加；Cl2或HCl的存在會誘發(fā)圖形的移動。

第四十七頁，共64頁。對圖形變形進行研究表明，在<111>和<100>基片上都發(fā)生變形，但在<100>基片上更嚴重些。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。另外，使用SiH4作為硅的來源導致了比使用氯基源更多的圖形變形。層厚的增加可以減少變形。第四十八頁，共64頁。

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)驗性的研究結果來調(diào)整外延工藝以減少變形和移動。第四十九頁，共64頁。4.9參數(shù)測量第五十頁，共64頁。4.10外延的用途雙極電路：利用n/n+硅外延，將雙極型高頻功率晶體管制作在n型外延層內(nèi)，n+硅用作機械支撐層和導電層，降低了集電極的串聯(lián)電阻。采用n/p外延片，通過簡單的p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。外延層和襯底中不同類型的摻雜形成的p--n結，它不是通過雜質(zhì)補償作用形成的，其雜質(zhì)分布可接近理想的突變結。第五十一頁，共64頁。外延改善NMOS存儲器電路特性:(1)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n+區(qū)耗盡層寄生電容，并提高器件對襯底中雜散電荷噪聲的抗擾度(3)硅外延片可提供比襯底高的載流子壽命，使半導體存儲器的電荷保持性能提高。第五十二頁，共64頁。器件微型化：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，外延層厚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p-n結隔離或氧化物隔離的橫向擴展尺寸大為減小。第五十三頁，共64頁。工藝多樣化：具有相反導電類型的外延層，在器件工藝中可形成結和隔離區(qū)；薄層外延供器件發(fā)展等平面隔離和高速電路；選擇外延可取代等平面隔離工藝來發(fā)展平面隔離；絕緣襯底上的多層外延工藝可以發(fā)展三維空間電路第五十四頁，共64頁。4.11絕緣體上外延硅（SOI）（異質(zhì)外延）SOI是Silicon-on-Insulator的縮寫，是一種在硅材料與硅集成電路巨大成功的基礎上出現(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。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、噪聲提升、閂鎖效應和短溝道效應等。第五十五頁，共64頁。為克服這些問題，SOI技術應運而生。作為標準CMOS工藝的一種改進技術，SOI技術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。SiO2埋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，不讓多余的電子滲漏到硅襯底上。第五十六頁，共64頁。

SOI器件具有寄生電容小、短溝道效應小、速度快、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。SOI由以下三層構成：1.薄薄的單晶硅頂層，在其上形成刻蝕電路2.相當薄的絕緣二氧化硅中間層3.非常厚的體型襯底硅襯底層，其主要作用是為上面得了兩層提供機械支撐第五