納米薄膜的外延生長(zhǎng)課件

第六章外延生長(zhǎng)（EpitaxialGrowth）納米薄膜的外延生長(zhǎng)外延生長(zhǎng)（EpitaxialGrowth）工藝■?概述■?氣相外延生長(zhǎng)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(shū)中的圖號(hào)）納米薄膜的外延生長(zhǎng)外延層界面襯底一、概述

按襯底晶相延伸生長(zhǎng)的新生單晶薄層——

外延層。長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)單晶薄膜的技術(shù)。2、外延工藝的分類：(1)按材料納米薄膜的外延生長(zhǎng)三種外延工藝的示意圖(2)按晶格畸變程度納米薄膜的外延生長(zhǎng)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)按工藝原理納米薄膜的外延生長(zhǎng)二、氣相外延生長(zhǎng)的熱動(dòng)力學(xué)與氧化模型類似，假設(shè)粒子穿過(guò)氣體邊界層的流量與薄膜生長(zhǎng)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(zhǎng)速率可寫(xiě)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：納米薄膜的外延生長(zhǎng)1)Deal模型是一個(gè)半定量模型，但它將外延生長(zhǎng)過(guò)程過(guò)于簡(jiǎn)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(guò)程b.存在大量的、影響外延生長(zhǎng)（促進(jìn)或阻礙）的過(guò)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(guò)程會(huì)阻礙硅外延層的生長(zhǎng)；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(guò)將VPE過(guò)程分成幾個(gè)連續(xù)步驟，來(lái)建立描述VPE的更精確的模型。說(shuō)明納米薄膜的外延生長(zhǎng)6）反應(yīng)副產(chǎn)物的解吸附。1)VPE步驟包括：1）氣相分解；3）吸附；2）傳輸?shù)焦杵砻妫?）擴(kuò)散；5）分解；2、連續(xù)步驟模型描述生長(zhǎng)過(guò)程的更精確的模型注意：VPE中的每一步驟都可能影響外延生長(zhǎng)的速率，其中進(jìn)行得最慢的一步是關(guān)鍵限制因素。納米薄膜的外延生長(zhǎng)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)納米薄膜的外延生長(zhǎng)該臨界尺寸可寫(xiě)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。納米薄膜的外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)速率b.化學(xué)反應(yīng)納米薄膜的外延生長(zhǎng)圖14.6生長(zhǎng)速率與SiCl4的函數(shù)關(guān)系，當(dāng)Cl濃度高時(shí)出現(xiàn)硅的刻蝕現(xiàn)象。納米薄膜的外延生長(zhǎng)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(zhǎng)；當(dāng)超飽和度為負(fù)時(shí)，系統(tǒng)不飽和，——

刻蝕過(guò)程。超飽和度是描述外延生長(zhǎng)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：納米薄膜的外延生長(zhǎng)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/氯平衡比率納米薄膜的外延生長(zhǎng)(3)估算SiCl4濃度的飽和度的例子外延生長(zhǎng)使用SiCl4，生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)狀態(tài)。納米薄膜的外延生長(zhǎng)a.Cl的含量增加后，超飽和度下降，當(dāng)SiCl4含量為20％～30％時(shí)，

由外延生長(zhǎng)轉(zhuǎn)為刻蝕。b.當(dāng)SiCl4含量為10％左右時(shí)，外延生長(zhǎng)速率有一個(gè)最大值？超飽和度模型未能預(yù)測(cè)，因?yàn)榈蜐舛认峦庋由L(zhǎng)速率是受氣相質(zhì)量輸運(yùn)限制的。c.超飽和度的值過(guò)大，會(huì)影響單晶薄膜的質(zhì)量（與薄膜生長(zhǎng)模式有關(guān)）。結(jié)論納米薄膜的外延生長(zhǎng)4、薄膜生長(zhǎng)的三種模式：(1)逐層生長(zhǎng)（LayerGrowth）理想的外延生長(zhǎng)模式(2)島式生長(zhǎng)（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(zhǎng)。(3)逐層+島式生長(zhǎng)（LayersandIslandsGrowth）納米薄膜的外延生長(zhǎng)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(guò)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。納米薄膜的外延生長(zhǎng)圖14.8不同硅源外延淀積速率與溫度的關(guān)系納米薄膜的外延生長(zhǎng)三、外延層的摻雜與缺陷(1)無(wú)意識(shí)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(guò)程中的擴(kuò)散決定了外延層-襯底分界面

附近的雜質(zhì)分布。當(dāng)外延生長(zhǎng)速率時(shí)，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(lái)，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(dá)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(wú)意摻雜與有意識(shí)摻雜。納米薄膜的外延生長(zhǎng)(2)有意摻雜：最常用的摻雜源B2H6

AsH3PH3外延層摻雜的雜質(zhì)分布示意圖納米薄膜的外延生長(zhǎng)(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(guò)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(zhǎng)缺陷(2)外延層的圖形漂移：

外延生長(zhǎng)速率與晶向有關(guān)，{111}面的圖形漂移最嚴(yán)重。納米薄膜的外延生長(zhǎng)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(zhǎng)速率的主要因素：3、外延層的質(zhì)量：納米薄膜的外延生長(zhǎng)(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(lái)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(lái)有效去除金屬離子沾污SC-3的主要作用是去除有機(jī)物（主要是殘留光刻膠），利用

H2SO4的強(qiáng)氧化性來(lái)破壞有機(jī)物中的碳?xì)滏I結(jié)4、硅外延前的清洗工藝：去除表面氧化層、雜質(zhì)（有機(jī)物、無(wú)機(jī)物金屬離子等）和顆粒納米薄膜的外延生長(zhǎng)DHF的主要作用是去除自然氧化層b.外延生長(zhǎng)：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(zhǎng)1μm厚度硅外延層的典型溫度/時(shí)間過(guò)程(2)硅外延加工工藝的過(guò)程a.預(yù)清洗：H2、H2/HCl混合氣氛或真空中去除自然氧化層納米薄膜的外延生長(zhǎng)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：納米薄膜的外延生長(zhǎng)a.鹵化物GaAs氣相外延：HCl+AsH3氣體流過(guò)加熱的固體Ga源，生成GaCl氣體，輸運(yùn)至圓片表面生成GaAs。b.

金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積（MOCVD）：用于生長(zhǎng)高質(zhì)量（具有原子層級(jí)的突變界面）III－V族化合物c.

分子束外延（MBE）技術(shù)：生長(zhǎng)厚度精度為原子層級(jí)，膜質(zhì)量為器件級(jí)的外延層(4)其他外延工藝納米