薄膜淀積與外延技術(shù)

.,微電子工藝學(xué)MicroelectronicProcessing第五章薄膜淀積與外延技術(shù),張道禮教授Email:zhang-daoliVoice:87542894,.,超薄膜:10nm薄膜:50nm10mm典型薄膜:50nm1mm厚膜:10mm100mm,單晶薄膜多晶薄膜無序薄膜,5.1概述,采用一定方法，使處于某種狀態(tài)的一種或幾種物質(zhì)（原材料)的基團以物理或化學(xué)方式附著于襯底材料表面，在襯底材料表面形成一層新的物質(zhì)，這層新物質(zhì)就是薄膜。,薄膜分類,.,（1）物態(tài),（2）結(jié)晶態(tài)：,（3）化學(xué)角度,5.1概述,.,（4）組成,（5）物性,厚度，決定薄膜性能、質(zhì)量通常，膜厚ks，則CsCG,這種情況為表面反應(yīng)控制過程有2、如果hG10cm的寬束離子源用于濺射鍍膜。,優(yōu)點：轟擊離子的能量和束流密度獨立可控，基片不直接接觸等離子體，有利于控制膜層質(zhì)量。,缺點：速度太慢，不適宜鍍制工件，工業(yè)上應(yīng)用很難,5.3物理氣相沉積,.,三、離子成膜,1.離子鍍及其原理：,真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的鍍膜技術(shù)，在鍍膜的同時，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時進行的鍍膜技術(shù)。即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時，將膜層材料蒸發(fā)，一部分物質(zhì)被離化，在電場作用下轟擊襯底表面（清洗襯底），一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，沉積于襯底表面成膜。,5.3物理氣相沉積,.,真空度放電氣體種類與壓強蒸發(fā)源物質(zhì)供給速率與蒸汽流大小襯底負偏壓與離子電流襯底溫度襯底與蒸發(fā)源的相對距離。,主要影響因素：,5.3物理氣相沉積,.,真空蒸鍍、濺射、離子鍍?nèi)N不同的鍍膜技術(shù)，入射到基片上的沉積粒子所帶的能量不同。,真空蒸鍍：熱蒸鍍原子約0.2eV濺射：濺射原子約1-50eV離子鍍：轟擊離子約幾百到幾千eV,離子鍍的目的：提高膜層與基片之間的結(jié)合強度。離子轟擊可消除污染、還能形成共混過渡層、實現(xiàn)冶金結(jié)合、涂層致密。,5.3物理氣相沉積,蒸鍍和濺射都可以發(fā)展為離子鍍。,例如，蒸鍍時在基片上加上負偏壓，即可產(chǎn)生輝光放電，數(shù)百eV能量的離子轟擊基片，即為二極離子鍍。見下圖。,.,2離子鍍的類型和特點,離子鍍設(shè)備在真空、氣體放電的情況下完成鍍膜和離子轟擊過程，離子鍍設(shè)備由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等部分組成。,（1）空心陰極離子鍍（HCD）,國內(nèi)外常見的設(shè)備類型如下,HCD法利用空心熱陰極的弧光放電產(chǎn)生等離子體（空心鉭管為陰極，輔助陽極）鍍料是陽極弧光放電時，電子轟擊陽極鍍料，使其熔化而實現(xiàn)蒸鍍蒸鍍時基片上加負偏壓即可從等離子體中吸引Ar離子向基片轟擊，實現(xiàn)離子鍍,5.3物理氣相沉積,.,5.3物理氣相沉積,.,（2）多弧離子鍍,原理：多弧離子鍍是采用電弧放電的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬，裝置無需熔池，原理如圖所示。電弧的引燃依靠引弧陽極與陰極的觸發(fā)，弧光放電僅僅在靶材表面的一個或幾個密集的弧斑處進行。,5.3物理氣相沉積,弧斑直徑小于100um；弧斑電流密度105-107A/cm2；溫度8000-40000K,弧斑噴出的物質(zhì)包括電子、離子、原子和液滴。大部分為離子。,特點：直接從陰極產(chǎn)生等離子體，不用熔池，陰極靶可根據(jù)工件形狀在任意方向布置，使夾具大為簡化。,.,（3）離子束輔助沉積,低能的離子束1用于轟擊靶材，使靶材原子濺射并沉積在基底上；離子束2起轟擊（注入）作用，同時，可在室溫或近似室溫下合成具有良好性能的合金、化合物、特種膜層，以滿足對材料表面改性的需要。,5.3物理氣相沉積,.,.,5.4外延膜沉積技術(shù),外延是指沉積膜與基片之間存在結(jié)晶學(xué)關(guān)系時，在基片上取向或單晶生長同一物質(zhì)的方法。當(dāng)外延膜在同一種材料上生長時，稱為同質(zhì)外延，如果外延是在不同材料上生長則稱為異質(zhì)外延。外延用于生長元素、半導(dǎo)體化合物和合金薄結(jié)晶層。這一方法可以較好地控制膜的純度、膜的完整性以及摻雜級別。,.,外延特點：生成的晶體結(jié)構(gòu)良好；摻入的雜質(zhì)濃度易控制；可形成接近突變pn結(jié)的特點,5.4外延膜沉積技術(shù),外延分類：,按工藝分類,A氣相外延（VPE）：利用硅的氣態(tài)化合物或者液態(tài)化合物的蒸汽，在加熱的硅襯底表面和氫發(fā)生反應(yīng)或自身發(fā)生分解還原出硅。,B液相外延（LPE）：襯底在液相中，液相中析出的物質(zhì)并以單晶形式淀積在襯底表面的過程。此法廣泛應(yīng)用于III-V族化合半導(dǎo)體的生長。原因是化合物在高溫下易分解，液相外延可以在較低的溫度下完成。,.,C固相外延（SPE）D分子束外延（MBE）：在超高真空條件下，利用薄膜組分元素受熱蒸發(fā)所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射到襯底表面，并在其上形成外延層的技術(shù)。特點：生長時襯底溫度低，外延膜的組分、摻雜濃度以及分布可以實現(xiàn)原子級的精確控制。,5.4外延膜沉積技術(shù),按導(dǎo)電類型分類,n型外延：n/n,n/p外延；p型外延：p/n,p/p外延,按反應(yīng)室形式,臥式：產(chǎn)量大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單；但是生成的外延層的厚度和電阻率的均勻性較差，外延生長時易出現(xiàn)滑移位錯及片子彎曲。立式：維護容易，外延層的厚度和電阻率的均勻性及自摻雜效應(yīng)能得到較好的控制；但設(shè)備大型話，制造難度大。桶式：較好的防止外延滑移位錯，外延層的厚度和電阻率的均勻性好；但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維護。,.,按材料異同分類,同質(zhì)外延（autoepitaxy）：外延層和襯底為同種材料例如硅上外延硅。異質(zhì)外延（heteroepitaxy）：外延層和襯底為不同種材料。例如SOI(絕緣體上硅)是一種特殊的硅片，其結(jié)構(gòu)的主要特點是在有源層和襯底層之間插入絕緣層埋氧層來隔斷有源層和襯底之間的電氣連接),5.4外延膜沉積技術(shù),按電阻率高低分類,正外延：低阻襯底上外延高阻層n/n+反外延：高阻襯底上外延低阻層,.,硅的氣相外延,（1）原理：在氣相外延生長過程中，有兩步：,質(zhì)量輸運過程反應(yīng)劑輸運到襯底表面,表面反應(yīng)過程在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出硅原子,外延的過程,5.4外延膜沉積技術(shù),外延反應(yīng)劑,通常用的外延反應(yīng)劑：,SiCl4(*)、SiH2Cl2、SiH4、SiHCl3,.,SiCl4外延反應(yīng),H2的作用：運載和稀釋氣體；還原劑,上述兩個反應(yīng)的綜合結(jié)果外延生長的同時伴隨有襯底的腐蝕。,5.4外延膜沉積技術(shù),.,原理圖：,5.4外延膜沉積技術(shù),.,（2）外延生長速率,控制外延速率很關(guān)鍵,過快可能造成：多晶生長；外延層中有過多的堆跺層錯；夾渣,5.4外延膜沉積技術(shù),.,影響外延生長速率的因素,A反應(yīng)劑的濃度,工業(yè)典型條件Y=0.005-0.01,5.4外延膜沉積技術(shù),.,影響外延生長速率的因素,B外延的溫度,在實際生產(chǎn)中：外延溫度選擇在B區(qū)原因有二。a）B區(qū)的溫度依賴型強；b）淀積的硅原子也需要足夠的能量和遷移能力，高溫,5.4外延膜沉積技術(shù),.,影響外延生長速率的因素,C氣體流速,由于1200高溫下到達襯底表面的不會堆積：因此流速越大，外延層的生長速率越快。,5.4外延膜沉積技術(shù),.,系統(tǒng)要求,氣密性好；溫度均勻；氣流均勻；反應(yīng)劑和摻雜劑的濃度和流量精確可控；外延前能對襯底做氣相拋光；,5.4外延膜沉積技術(shù),.,（3）系統(tǒng)及工序,5.4外延膜沉積技術(shù),.,分子束外延（MBE)分子束外延是在超高真空條件下精確控制原材料的中性分子束強度，并使其在加熱的基片上進行外延生長的一種技術(shù)。從本質(zhì)上講，分子束外延也屬于真空蒸發(fā)方法。,5.4外延膜沉積技術(shù),.,1、分子束外延,（2）設(shè)備,第4章外延工藝三、其它外延,.,134,134,2、異質(zhì)外延（1）概述,異質(zhì)外延也叫非均勻外延，外延層與襯底材料不相同，如SOS材料就是Si/Al2O3異質(zhì)外延材料，一些薄膜集成電路就是采用的SOS材料。,第4章外延工藝三、其它外延,.,分子束外延（MBE)特點(1)由于系統(tǒng)是超高真空，因此雜質(zhì)氣體(如殘余氣體)不易進人薄膜，薄膜的純度高。(2)外延生長一般可在低溫下進行。(3)可嚴(yán)格控制薄膜成分以及摻雜濃度。(4)對薄膜進行原位檢測分析，從而可以嚴(yán)格控制薄膜的生長及性質(zhì)。當(dāng)然，分子束外延生長方法也存在著一些問題，如設(shè)備昂貴、維護費用高、生長時間過長、不易大規(guī)模生產(chǎn)等。,5.4外延膜沉積技術(shù),.,分子束外延的基本裝置由超高真空室(背景氣壓1.3X10-9Pa),基片加熱塊、分子束盒、反應(yīng)氣體進入管、交換樣品的過渡室組成。外，生長室包含許多其他分析設(shè)備用于原位監(jiān)視和檢測基片表面和膜，以便使連續(xù)制備高質(zhì)量外延生長膜的條件最優(yōu)化。除了具有使用高純元素。,5.4外延膜沉積技術(shù),.,液相外延生長(LPE)液相外延生長原則上講是從液相中生長膜，溶有待鍍材料的溶液是液相外延生長中必需的。當(dāng)冷卻時，待鍍材料從溶液中析出并在相關(guān)的基片上生長。對于液相外延生長制備薄膜，溶液和基片在系統(tǒng)中保持分離。在適當(dāng)?shù)纳L溫度下，溶液因含有待鍍材料而達到飽和狀態(tài)。然后將溶液與基片的表面接觸，并以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，一段時間后即可獲得所要的薄膜，而且，在膜中也很容易引人摻雜物。,5.4外延膜沉積技術(shù),.,熱壁外延生長(HWE)熱壁外延是一種真空沉積技術(shù)，在這一技術(shù)中外延膜幾乎在接近熱平衡條件下生長，這一生長過程是通過加熱源材料與基片材料間的容器壁來實現(xiàn)的。蒸發(fā)材料的損失保持在最小;生長管中可以得到潔凈的環(huán)境;管內(nèi)可以保待相對較高的氣壓;源和基片間的溫差可以大幅度降低。,5.4外延膜沉積技術(shù),.,異質(zhì)外延：異質(zhì)外延也叫非均勻外延，外延層與襯底材料不相同，如SOS材料就是Si/Al2O3異質(zhì)外延材料，一些薄膜集成電路就是采用的SOS材料。,襯底與外延層不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大量的溶解現(xiàn)象襯底與外延層熱力學(xué)參數(shù)相匹配，即熱膨脹系數(shù)接近。以避免生長的外延層由生長溫度冷卻至室溫時，熱膨脹產(chǎn)生殘余應(yīng)力，截面位錯，甚至外延層破裂現(xiàn)象發(fā)生襯底與外延層晶格參數(shù)相匹配，即晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)接近，以避免晶格參數(shù)不匹配引起的外延層與襯底接觸的界面晶格缺陷多和應(yīng)力大的現(xiàn)象,5.4外延膜沉積技術(shù),異質(zhì)外延的相容性,.,異質(zhì)外延的失配率,其中：a外延層參數(shù)；a襯底參數(shù)。有熱膨脹系數(shù)失配率和晶格常數(shù)失配率,5.4外延膜沉積技術(shù),.,異質(zhì)外延的反相疇,又叫反相混亂，例如非極性的Si上生長極性GaAs在生長的初期Si襯底上有的區(qū)域附著Ga，有的區(qū)域附著As，不能形成單相的GaAs層，這就叫反相疇。因此常用MBE法外延GaAs。,5.4外延膜沉積技術(shù),.,傳統(tǒng)同質(zhì)外延生長，單晶半導(dǎo)體層是生長在單晶的半導(dǎo)體襯底上此半導(dǎo)體層和襯底為相同的材料，有相同的晶格常數(shù)因此同質(zhì)外延是名符其實的晶格匹配外延工藝同質(zhì)外延工藝提供了一種控制摻雜濃度分布的重要方法，使器件和電路表現(xiàn)可以最佳化例如，濃度相對低的n型硅層可以外延生長在n+硅襯底上，此種結(jié)構(gòu)可大幅度降低襯底的串聯(lián)電阻對異質(zhì)外延而言，外延層和襯底是兩種不同的半導(dǎo)體，且外延層的生長必須維持理想的界面結(jié)構(gòu)，這表示穿過界面的化學(xué)鍵必須連續(xù)而不被打斷因此這兩種半導(dǎo)體必須擁有相同的晶格間距，或者可變形去接受一共同間距此兩種情況分別稱為晶格匹配(Iattice-matched)外延和形變層(strain-layer)外延,晶格匹配的構(gòu)造和缺陷,5.4外延膜的構(gòu)造和缺陷,.,圖(a)表示襯底和薄膜有相同晶格常數(shù)的晶格匹配外延一個重要例子是AlxGa1-xAs在砷化鎵襯底上的外延生長，其中x在0至1之間AlxGa1-xAs的晶格常數(shù)和砷化鎵的晶格常數(shù)之間不同程度小于0.13,5.4外延膜的構(gòu)造和缺陷,.,對晶格不匹配的情形，若外延層有較大的晶格常數(shù)且可彎曲它將在生長平面上被壓縮至符合襯底的間距，而彈性力將會強迫它往垂直界面的方向擴展，這種結(jié)構(gòu)形式稱為形變層外延，如圖(b)所示,5.4外延膜的構(gòu)造和缺陷,.,另一方面，若外延層有較小的晶格常數(shù)，它將會在生長平面的方向上擴大，而在垂直界面的方向上被壓縮上述的形變層外延，當(dāng)其厚度增加時，形變或有變形化學(xué)鍵的原子總數(shù)會增加，且在某些點上的位錯會結(jié)核來釋放同質(zhì)形變能量，此厚度稱為系統(tǒng)的臨界層厚度圖(c)表示在界面上有刃位錯的情況,5.4外延膜的構(gòu)造和缺陷,.,一個相關(guān)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)是形變層超晶格(strained-layersuper-lattice，SLS)超晶格是一種人工制造的一維周期性結(jié)構(gòu)，由不同材料所構(gòu)成，且其周期約為10nm右圖表示一SLS，由兩種不同的平衡晶格常數(shù)a1a2的半導(dǎo)體生長出的一具有統(tǒng)一晶格常數(shù)6的結(jié)構(gòu)，其中a1ba2,5.4外延膜的構(gòu)造和缺陷,.,如果此層非常薄，則因為外延中均勻的拉力使之可以承受晶格的不匹配因此在這種情形下，不會有位錯在界面產(chǎn)生，故可獲得高品質(zhì)的晶體材料這些人造結(jié)構(gòu)的材料可以用MBE來生長，這些材料為半導(dǎo)體的研究提供了一個新的領(lǐng)域，而且使一些高速和光學(xué)應(yīng)用的新型固態(tài)器件制造變?yōu)榭赡?5.4外延膜的構(gòu)造和缺陷,.,外延層缺陷,外延層的缺陷會降低器件的性能例如，缺陷會降低遷移率和增加漏電流外延的缺陷可以歸納為以下五種：(1)從襯底來的缺陷這些缺陷會從襯底傳播到外延層。為避免這些缺陷，必須要求無位錯的半導(dǎo)體襯底(2)從界面來的缺陷在襯底和外延層界面的氧化層沉淀或任何形式的污染物都可能形成方向失配的聚集或包含堆垛層錯的結(jié)核這些聚集和堆垛層錯可能會結(jié)合正常的結(jié)核并形成倒金字塔形的薄膜為避免這些缺陷，襯底的表面需徹底地清潔另外，可做臨場回蝕(in-situetchback),5.4外延膜的構(gòu)造和缺陷,.,(3)沉淀(precipitate)或位錯環(huán)它們的形成是因為過飽和的摻雜劑或其他雜質(zhì)造成的含有極高有意、無意的摻雜劑濃度或其他雜質(zhì)的外延層極易有這些缺陷(4)小角晶界和孿晶在生長時，任何不當(dāng)方位的外延薄膜的區(qū)域都可能會相遇結(jié)合而形成這些缺陷(5)刃位錯它們是在兩個晶格常數(shù)不匹配半導(dǎo)體的異質(zhì)外延中形成的如果兩者的晶格均很堅硬，它們將保持原有的晶格間距，界面將含有稱為錯配(misfit)或刃位錯的錯誤鍵結(jié)的原子行刃位錯亦可在形變層厚度大于臨界層厚度時形成,5.4外延膜的構(gòu)造和缺陷,.,薄膜中涉及的研究課題,生長機制和技術(shù)薄膜成分缺陷與位錯表面形態(tài)薄膜中的擴散現(xiàn)象界面的性質(zhì)應(yīng)力引起的應(yīng)變物理性質(zhì)（電學(xué)、光學(xué)、機械等）,.,淀積技術(shù)包括哪兩種？用表格的方式描述二氧化硅、多晶硅、氮化硅的性質(zhì)、用途、淀積方法（包括方程式、APCVD、LPCVD或