第五章-硅外延生長課件

半導體材料

半導體材料2第五章硅外延生長

5.1外延生長概述外延生長用來生長薄層單晶材料，即薄膜外延生長：在一定條件下，在單晶襯底上，生長一層合乎要求的單晶層的方法。生長的這層單晶叫外延層。（厚度為幾微米）2第五章硅外延生長5.1外延生長概3外延生長分類根據(jù)外延層性質正外延：器件制作在外延層上反外延：器件制作在襯底上同質外延：外延層與襯底同種材料如Si/Si、GaAs/GaAs、GaP/GaP;異質外延：外延層與襯底不同材料如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；3外延生長分類根據(jù)外延層性質正外延：器件制作在外延層上反4根據(jù)外延生長方法：直接外延間接外延是用加熱、電子轟擊或外加電場等方法使生長的材料原子獲得能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外延生長.如真空淀積，濺射，升華等是利用化學反應在襯底表面上沉積生長外延層，廣義上稱為化學氣相淀積（chemicalvapordeposition,CVD）CVD生長的薄膜未必是單晶，所以嚴格講只有生長的薄膜是單晶的CVD才是外延生長。CVD設備簡單，生長參數(shù)容易控制，重復性好，是目前硅外延生長的主要方法4根據(jù)外延生長方法：直接外延間接外延是用加熱、電子轟擊或外加5根據(jù)向襯底輸運外延材料的原子的方法不同真空外延、氣相外延、液相外延根據(jù)相變過程氣相外延、液相外延、固相外延、對于硅外延，應用最廣泛的是氣相外延以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,為反應氣體,在一定的保護氣氛下反應生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等

液相外延（LPE）法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。5根據(jù)向襯底輸運外延材料的原子的方法不同真空外延、氣相外延、6

675.2硅的氣相外延對外延片的質量要求：電阻率及其均勻性、厚度及其均勻性、位錯和層錯密度等。按照反應類型可分為氫氣還原法和直接熱分解法。氫還原法，利用氫氣還原產生的硅在基片上進行外延生長。直接熱分解法，利用熱分解得到Si。5－2－1硅外延生長用的原料75.2硅的氣相外延對外延片的質量要求：電阻率及其均勻性、厚8氣相外延法生長Si半導體膜所用原料氣體、反應式、生長溫度及所屬反應類型8氣相外延法生長Si半導體膜所用原料氣體、反應式、生長溫度及9各種硅源優(yōu)缺點：SiHCL3,SiCL4

常溫液體，外延生長溫度高，但是生長速度快，易純制，使用安全。是較通用的硅源。SiH2CL2,SiH4

常溫氣體，SiH2CL2使用方便，反應溫度低,應用越來越廣。SiH4反應溫度低，無腐蝕性氣體，但是會因漏氣產生外延缺陷。9各種硅源優(yōu)缺點：SiHCL3,SiCL410四部分組成：氫氣凈化系統(tǒng)、氣體輸運及凈化系統(tǒng)、加熱設備和反應室根據(jù)反應室的結構，由水平式和立式，后者又分為平板式和桶式加熱反應器，提高溫度，有利于硅的淀積，加熱方式有高頻感應加熱和紅外輻射加熱。

5－2－2硅外延生長設備10四部分組成：5－2－2硅外延生長設備115-2-3外延工藝順序把干凈的硅片裝入反應室吹入惰性氣體并充入氫氣（LPVCD：抽真空）加熱到氫氣烘烤溫度（1200℃）以除去氧化層（該步驟能去除50-100A的SiO2層）a)加熱到HCl刻蝕溫度；b)引入無水HCl(或SF6)以刻蝕表面的硅層；c)吹氣以除去系統(tǒng)中的雜質和HCla)冷卻到沉積溫度；b)引入硅原料和摻雜劑以沉積所要的薄膜；c)吹入氫氣以去除硅原料和摻雜劑冷卻到室溫吹走氫氣并重新充入氮氣取出硅片115-2-3外延工藝順序把干凈的硅片裝入反應室12原理：SiCl4+2H2

Si+4HCl5-2-4硅外延生長的基本原理和影響因素以SiCl4為例12原理：SiCl4+2H2Si+4HCl5-213生長過程：13生長過程：141.SiCl4濃度對生長速率的影響隨著濃度增加,生長速率先增大后減小.141.SiCl4濃度對生長速率的影響隨著濃度增加,生長速152.溫度對生長速率的影響溫度較低時,生長速率隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律上升較高溫度區(qū),生長速率隨溫度變化較平緩.152.溫度對生長速率的影響溫度較低時,生長速率隨溫度升高呈163.氣流速度對生長速率的影響生長速率與總氫氣流速的平方根成正比4.襯底晶向的影響生長速率<100>><110>><111>163.氣流速度對生長速率的影響生長速率與總氫氣流速的平方根175-2-5硅外延生長動力學過程兩個模型:氣-固表面復相化學反應模型,氣相均質反應模型175-2-5硅外延生長動力學過程兩個模型:18邊界層：P110在接近基座表面的流體中出現(xiàn)一個流體速度受到干擾而變化的薄層，而在薄層外的流速不受影響，稱此薄層為邊界層，也叫附面層，停滯層，滯流層。邊界層厚度與流速平方根成反比

氣-固表面復相化學反應模型18邊界層：P110在接近基座表面的流體中出現(xiàn)一個流體速度受19此模型認為硅外延生長包括下列步驟:1.反應物氣體混合向反應區(qū)輸運2.反應物穿過邊界層向襯底表面遷移3.反應物分子被吸附在高溫襯底表面上4.在襯底表面發(fā)生化學反應，生成生長晶體的原子和氣體副產物，原子進入晶格格點位置形成晶格點陣，實現(xiàn)晶體生長5.副產物氣體從表面脫附并穿過邊界層向主氣流中擴散6.氣體副產物和未反應的反應物，離開反應區(qū)被排出系統(tǒng)19此模型認為硅外延生長包括下列步驟:20

氣相均質反應模型

這個模型認為：外延生長反應不是在固－氣界面上，而是在距襯底表面幾微米的空間中發(fā)生。反應生成的原子或原子團再轉移到襯底表面上完成晶體生長。20氣相均質反應模型這個模型認為：215－3硅外延層電阻率的控制不同器件對外延層的電參數(shù)要求是不同的，這就需要在外延生長過程中，精確控制外延層中的雜質濃度和分布來解決215－3硅外延層電阻率的控制不同器件對外延層的電參數(shù)要求是225－3－1外延層中的雜質及摻雜1.外延層中的雜質外延層中雜質來源很多，總的載流子濃度N總可以表示為：N總＝N襯底N氣N鄰片N擴散N基座N系統(tǒng)N襯底：襯底中揮發(fā)出來的雜質摻入外延層中的雜質濃度分量N氣：外延層中來自混合氣體的雜質濃度分量N鄰片：外延層中來自相鄰襯底的雜質濃度分量N擴散：襯底中雜質經固相擴散進入外延層的雜質濃度分量N基座：來自基座的雜質濃度分量N系統(tǒng)：除上述因素外整個生長系統(tǒng)引入的雜質濃度分量225－3－1外延層中的雜質及摻雜1.外延層中的雜質23N氣，N基座，N系統(tǒng)，雜質不是來源襯底片，因此稱為外摻雜N擴散，N襯底，N鄰片的雜質來源于襯底片，通稱為自摻雜2.外延生長的摻雜外延用PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3做N型摻雜劑，用BCL3,BBr3，B2H6做P型摻雜劑23N氣，N基座，N系統(tǒng)，雜質不是來源襯底片，因此稱為外摻雜245-3-2外延中雜質的再分布外延層中含有和襯底中的雜質不同類型的雜質，或者是同一種類型的雜質，但是其濃度不同。通常希望外延層和襯底之間界面處的摻雜濃度梯度很陡，但是由于高溫下進行外延生長，襯底中的雜質會進入外延層，使得外延層和襯底處的雜質濃度變平245-3-2外延中雜質的再分布外延層中含有和襯底中的雜質不25注意：外延層的實際界面外延層中雜質分布是兩者的總和襯底擴散造成的雜質分布外部摻入的雜質濃度分布25注意：外延層的實際界面外延層中雜質分布是兩者的總和襯底擴265－3－3外延層生長中的自摻雜自摻雜效應：襯底中的雜質進入氣相中再摻入外延層抑制自摻雜的途徑：一：減少雜質由襯底逸出

1.使用蒸發(fā)速度較小的雜質做襯底和埋層中的雜質

2.外延生長前高溫加熱襯底，使硅襯底表面附近形成一雜質耗盡層，再外延時雜質逸出速度減少可降低自摻雜3.采用背面封閉技術，即將背面預先生長高純SiO2或多晶硅封閉后再外延，可抑制背面雜質的蒸發(fā)而降低自摻雜。

265－3－3外延層生長中的自摻雜自摻雜效應：襯底中的雜質進27二：采用減壓生長技術使已蒸發(fā)到氣相中的雜質盡量不再進入外延層一般在1.3103～2104Pa的壓力下進行。4.采用低溫外延技術和不含有鹵原子的硅源。

5.采用二段外延生長技術即先生長一段很短時間的外延層，然后停止供源，只通氫氣驅除貯存在停滯層中的雜質，再開始生長第二段外延層，直到達到預定厚度27二：采用減壓生長技術使已蒸發(fā)到氣相中的雜質盡量不再進入外285－3－4外延層的夾層外延層的夾層指的是外延層和襯底界面附近出現(xiàn)的高阻層或反型層。分為兩種類型：

一是在檢測時導電類型混亂，擊穿圖形異常，用染色法觀察界面不清晰

二是導電類型異常，染色觀察會看到一條清晰的帶285－3－4外延層的夾層外延層的夾層指的是外延層和襯底界面29外延層產生的原因也有兩種：第一種夾層情況認為P型雜質沾污，造成N型外延層被高度補償

解決辦法：P型雜質主要來源于SiCL4，只要提高SiCL4的純度及做好外延前的清潔處理就可以解決。

第二種情況是由于襯底引起的當襯底中硼的含量大于31016cm－3時，外延層中就容易出現(xiàn)夾層。這是由于高溫時硼擴散的比銻快，結果使得硼擴散到外延層中補償了N型雜質，形成了一個高阻層或反型層。解決辦法：一是提高重摻雜單晶質量；二是在工藝中防止引入P型雜質，降低單晶中B的含量；三是在外延生長時可以先長一層N型低阻層作為過渡層，控制夾層。29外延層產生的原因也有兩種：第一種夾層情況認為P型雜質沾污305－4硅外延層的缺陷分類：

一：表面缺陷，也叫宏觀缺陷如云霧，劃道，亮點，塌邊，角錐，滑移線等

二：內部結構缺陷，也叫微觀缺陷如層錯，位錯305－4硅外延層的缺陷分類：315－4－1外延片的表面缺陷云霧狀表面外延片表面呈乳白色條紋，在光亮處肉眼可以看到。

一般由于氫氣純度低，含水過多，或氣相拋光濃度過大，生長溫度太低等引起的。角錐體：又稱三角錐或乳突。形狀像沙丘，用肉眼可以看到。315－4－1外延片的表面缺陷云霧狀表面32霧狀表面缺陷①霧圈

②白霧

③殘跡④花霧①霧圈②白霧③殘跡④花霧32霧狀表面缺陷①霧圈33角錐體33角錐體34亮點：外形為烏黑發(fā)亮的小圓點塌邊：又叫取向平面，它是外延生長后在片子邊緣部分比中間部分低形成一圈或一部分寬1～2mm左右的斜平面。形成原因：襯底加工時造成片邊磨損偏離襯底片晶向。34亮點：外形為烏黑發(fā)亮的小圓點35劃痕：由機械損傷引起星形線（滑移線）：

35365－4－2外延層的內部缺陷層錯

層錯形貌分為單線，開口，正三角形，套疊三角形和其他組態(tài)位錯

外延層中的位錯主要是由于原襯底位錯延伸引入的另外可能是由于摻雜和異質外延時，由于異類原子半徑的差異或兩種材料晶格參數(shù)差異引入內應力。例如在Si中摻B,P,它們的半徑比Si小，它們占據(jù)硅的位置時，Si的點陣會發(fā)生收縮；當摻入AL,Sb等比Si半徑大的原子時，Si點陣會發(fā)生擴張。也就是產生晶格點陣的失配。365－4－2外延層的內部缺陷層錯37晶格點陣的失配會使外延片呈現(xiàn)彎曲。當彎曲程度超過彈性范圍，為緩和內應力就會出現(xiàn)位錯，稱之為失配位錯。為了消除應力，采用應力補償法，即在外延或擴散時，同時引入兩種雜質，使它們產生的應變正好相反。當兩種雜質原子摻入的比例適當時，可以使應力相互得到補償，減少或避免晶格畸變。從而消除失配位錯的產生。這種方法稱為“雙摻雜技術”。37晶格點陣的失配會使外延片呈現(xiàn)彎曲。當彎曲程度超過彈性范圍385-5硅的異質外延在藍寶石、尖晶石襯底上進行硅的SOS外延生長和在絕緣襯底上進行硅的SOI異質外延。SOS:SilicononSapphireSilicononSpinel

在單晶絕緣襯底藍寶石（α－AI2O3）或尖晶石(MgO.AI2O3)上外延生長硅

SOI:SilicononInsulator

SemiconductorOninsulator385-5硅的異質外延在藍寶石、尖晶石襯底上進行硅的SOS外395－5－1SOS技術藍寶石和尖晶石是良好的絕緣體，以它們作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，不但可以減少漏電流和寄生電容，增強抗輻射能力和降低功耗，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。395－5－1SOS技術藍寶石和尖晶石是良好的絕緣401.襯底的選擇選擇異質外延襯底材料時，需要考慮的因素：1.考慮外延層和襯底材料之間的相容性。包括晶體結構，熔點，蒸汽壓、熱膨脹系數(shù)等。2.考慮襯底對外延層的沾污問題。目前最適合硅外延的異質襯底是藍寶石和尖晶石。當前工業(yè)生產上廣泛使用藍寶石做襯底。401.襯底的選擇選擇異質外延襯底材料時，需要考慮的因素：412.SOS外延生長存在問題：自摻雜效應襯底表面的反應：AL2O3+2HCL+H2=2ALCL↑+3H2O

鋁的低價氯化物為氣體，它使襯底被腐蝕，導致外延層產生缺陷。氫氣和淀積的硅也會腐蝕襯底2H2+AL2O3=AL2O+2H2O5Si＋2AL2O3=AL2O＋5SiO+2ALSiCL4對襯底的腐蝕大于SiH4,所以SOS外延生長，采用SiH4熱分解法更有利。在襯底尚未被Si完全覆蓋之前，上述腐蝕反應都在進行為了解決生長和腐蝕的矛盾，可采用雙速率生長和兩步外延等外延生長方法。412.SOS外延生長存在問題：自摻雜效應在襯底尚未被Si完42雙速率生長：先用高的生長速率(1～2um/min),迅速將襯底表面覆蓋(生長100～200nm)。然后再以低的生長速率(約0.3um/min)長到所需求的厚度。

兩步外延法是綜合利用SiH4/H2和SiCI4/H2兩個體系的優(yōu)點。即第一部用SiH4/H2體系迅速覆蓋襯底表面，然后第二步再用SiCI4/H2體系接著生長到所要求的厚度。42雙速率生長：先用高的生長速率(1～2um/min),迅速43SOS技術的缺點及需要解決的問題缺點：1）由于晶格失配（尖晶石為立方結構，藍寶石為六角晶系）問題和自摻雜效應，外延質量缺陷多，但厚度增加，缺陷減小。2）成本高，一般作低功耗器件，近來用SOI代替，可降低成本。需要解決的問題:提高SOS外延層的晶體完整性,降低自摻雜,使其性能接近同質硅外延層的水平并且有良好的熱穩(wěn)定性43SOS技術的缺點及需要解決的問題缺點：1）由于晶格失配445-5-2SOI技術SOI技術是IBM公司首先開發(fā)成功的芯片制造技術在1998年研制成功，于2000年正式應用于其PowerPCRS64IV芯片上的半導體制造技術。SOI硅絕緣技術是指在半導體的絕緣層（如二氧化硅）上，通過特殊工藝，再附著非常薄的一層硅，在這層SOI層之上再制造電子設備。

此工藝可以使晶體管的充放電速度大大加快，提高數(shù)字電路的開關速度。SOI與傳統(tǒng)的半導體生產工藝（一般稱為bulkCMOS）相比可使CPU的性能提高性能25%-35%，降低功耗1.7-3倍。SOI：SiliconOnInsulator絕緣體上的硅445-5-2SOI技術SOI技術是IBM公司首先開45體硅CMOS技術45體硅CMOS技術46SOI(Silicon-On-Insulator:

絕緣襯底上的硅)技術46SOI(Silicon-On-Insulator:

絕47低壓SOI器件體硅SOI雙柵SOI47低壓SOI器件體硅SOI雙柵SOI48SOI的結構特點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。

SOI和體硅在電路結構上的主要差別在于：硅基器件或電路制作在外延層上，器件和襯底直接產生電連接，高低壓單元之間、有源層和襯底層之間的隔離通過反偏PN結完成，而SOI電路的有源層、襯底、高低壓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。

48SOI的結構特點是在有源層和襯底層之間插入埋氧層來隔斷二49為其帶來了寄生效應小、速度快、功耗低、集成度高、抗輻射能力強等諸多優(yōu)點。SOI的結構特點和相同條件下的體硅電路相比，SOI電路的速度可提高25-35%，功耗可下降2/349為其帶來了寄生效應小、速度快、功耗低、集成度高、抗輻射能50SOI技術的挑戰(zhàn)1、SOI材料是SOI技術的基礎SOI技術發(fā)展有賴于SOI材料的不斷進步，材料是SOI技術發(fā)展的主要障礙之一這個障礙目前正被逐漸清除SOI材料制備目前最常用的方法：

SDBSIMOXSmart-CutELTRAN50SOI技術的挑戰(zhàn)1、SOI材料是SOI技術的基礎目前最常51SDB(SiliconDirectBonding)直接鍵合技術SIMOX(SeparatingbyImplantingOxide)氧注入隔離SmartCut智能切割ELTRAN(EpoxyLayerTransfer)外延層轉移51SDB(SiliconDirectBonding)52

SDB(SiliconDirectBonding)直接鍵合技術，是采用鍵合技術形成SOI結構的核心技術之一。1.SDB將兩片硅片通過表面的SiO2層鍵合在一起,再把背面用腐蝕等方法減薄來獲得SOI結構52SDB(SiliconDirectBondin53當兩個平坦的具有親水性表面的硅片（如被氧化的硅片）相對放置在一起時，即使在室溫下亦回自然的發(fā)生鍵合。親水性是指材料表面與水分子之間有較強的親和力.通常表現(xiàn)為潔凈固體表面能被水所潤濕通常認為，鍵合是由吸附在兩個硅片表面上的OH-在范德瓦爾斯力作用下相互吸引所引起的在室溫下實現(xiàn)的鍵合通常不牢固，所以鍵合后還要進行退火，鍵合的強度隨退火溫度的升高而增加。鍵合后采用機械研磨或化學拋光的方法，將器件層的硅片減薄到預定厚度。53當兩個平坦的具有親水性表面的硅片（如被氧化的硅片）相54鍵合(Bonded)技術優(yōu)缺點：硅膜質量高埋氧厚度和硅膜厚度可以隨意調整適合于大功率器件及MEMS技術硅膜減薄一直是制約該技術發(fā)展的重要障礙鍵合要用兩片體硅片制成一片SOI襯底，成本至少是體硅的兩倍54鍵合(Bonded)技術優(yōu)缺點：555556SDB56SDB57SIMOX(SeparatingbyImplantingOxide)氧注入隔離，是通過氧離子注入到硅片，再經高溫退火過程消除注入缺陷而成.2.SIMOX

57SIMOX(SeparatingbyImplant58O2O258O2O259采用SIMOX技術制備的硅膜均勻性較好，調整氧離子注入劑量可使厚度控制在50～400nm的范圍。但由于需要昂貴的高能大束流離子注入機，還要經過高溫退火過程，所以制備成本很高，價格非常貴。

采用SIMOX技術制備的頂層硅膜通常較薄，為此，人們采用在SIMOX基片上外延的方法來獲得較厚的頂層硅，即所謂的ESIMOX（EpoxySIMOX）技術。但是厚外延將在硅膜中引起較多的缺陷，因此SIMOX技術通常用于制備薄硅膜、薄埋氧層的SOI材料。

59采用SIMOX技術制備的硅膜均勻性較好，調整氧離606061各層性能20世紀90年代今后上層Si的均勻性/埃＜±100

＜±25SiO2埋層厚度/um0.3~0.50.05~0.5SiO2埋層的均勻性±3%±1%平均缺陷密度/cm-2105~104103~102樣品表面的粒子數(shù)注入后/cm-2(粒子大小)＜0.75＜0.016退火后/cm-2(粒子大小)＜0.016＜0.016SIMOX材料現(xiàn)在的水平和今后的需要61各層性能20世紀90年代今后上層Si的均勻性/埃＜±1062SIMOX材料：最新趨勢是采用較小的氧注入劑量顯著改善頂部硅層的質量降低SIMOX材料的成本低注入劑量(~41017/cm2)的埋氧厚度薄：800～1000?退火溫度高于1300℃，制備大面積(300mm)SIMOX材料困難62SIMOX材料：63

SmartCut智能切割兼具有SDB和SIMOX的特點，工藝流程包括熱氧化、注氫、低溫鍵合、熱處理剝離、精密拋光等。這種方法制得的硅片頂部硅膜的均勻性相當好，單片厚度偏差和片間偏差可控制在10nm以內，另外生產成本也可降低，因為不需要昂貴的專用大束流離子注入機和長時間的高溫退火，所以這是一種極有前途的SOI制備技術。特別適用于制備薄硅膜、厚埋氧層材料。

3.SmartCut63