外延工藝-SYGJPIE

1、Jerryl 外延工藝簡(jiǎn)述l CVD基礎(chǔ)l 外延摻雜l 外延缺陷 Epi外延含意是在單晶襯底上，按襯底晶向生長(zhǎng)一層新的單晶薄膜的工藝技術(shù)。 應(yīng)用: 雙極器件與電路： 輕摻雜的外延層-較高的擊穿電壓； 重?fù)诫s的襯底降低集電區(qū)的串聯(lián)電阻。 CMOS電路： a.避免了閂鎖效應(yīng)； b.降低漏電流； c.外延Si表面損傷小。在雙極晶體管（電路）中的應(yīng)用 高阻的外延層可提高集電結(jié)的擊穿電壓 低阻的襯底（或埋層）可降低集電極的串聯(lián)電阻在CMOS器件（電路）中的應(yīng)用 高減小PNPN寄生閘流管效應(yīng) 降低漏電流外延的分類： 按工藝分類：氣相外延（VPE， Vapor Phase Epitaxy ）：硅的主要外延工

2、藝，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。液相外延（LPE， Liquid Phase Epitaxy）：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(guò)程。此法廣泛應(yīng)用于III-V族化合半導(dǎo)體的生長(zhǎng)；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。外延的分類：固相外延（SPE， Solid Phase Epitaxy）：半導(dǎo)體單晶上的非晶層在低于該材料的熔點(diǎn)或共晶點(diǎn)溫度下，通過(guò)退火等手段,在單晶襯底上生長(zhǎng)出新的單晶層的過(guò)程。固相外延襯底溫度低，雜質(zhì)擴(kuò)散小，有利于制造突變摻雜界面的外延層。分子束外延（MBE，Mol

3、ecular Beam Epitaxy）：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(diǎn)：生長(zhǎng)時(shí)襯底溫度低，外延膜的組分、摻雜濃度以及分布可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的精確控制。按材料分類同質(zhì)外延：外延層與襯底的材料相同，如 Si上外延Si，GaAs上外延GaAs；異質(zhì)外延：外延層與襯底的材料不相同，如 Si上外延SiGe 或 SiGe上外延Si；按壓力分類常壓外延（ATM） ；低壓（減壓）外延：40-60torr;（RP）外延的反應(yīng)步驟：a. 加熱并通入HCL吹掃反應(yīng)器基座。b. 冷卻到850度并把干凈的硅片裝入反應(yīng)室。c. 充

4、入氫氣并趕走氮?dú)狻. 加熱到氫氣烘烤溫度以除去自然氧化層。e. 冷卻到沉積溫度f(wàn). 引入硅原料和摻雜劑以沉積所要的薄膜g. 吹入氫氣以去除硅原料和摻雜劑，冷卻，降溫到850度,unload wafer。h. 吹走氫氣并重新充入氮?dú)?。取出硅片?化學(xué)氣相沉積（Chemical vapor deposition)簡(jiǎn)稱CVD技術(shù)，指把含有構(gòu)成薄膜元素的氣態(tài)反應(yīng)劑或液態(tài)反應(yīng)劑的蒸氣及反應(yīng)所需其它氣體引入反應(yīng)室，在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成薄膜的過(guò)程。 簡(jiǎn)單說(shuō)，就是將兩種或兩種以上的氣態(tài)原材料導(dǎo)入到一個(gè)反應(yīng)室內(nèi)，然后他們相互之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成一種新的材料，沉積到基體表面上。 化學(xué)氣相沉積的主要過(guò)程，

5、大致分五個(gè)主要 步驟：主氣流區(qū)主氣流區(qū)(a) 反應(yīng)劑從主氣流區(qū)以擴(kuò)散方式通過(guò)邊界層到達(dá)硅片表面。（主氣流區(qū)：又稱平流，氣體流速不變；）(b)反應(yīng)劑被吸附到硅表面(c) 吸附原子（分子）在襯底發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)物質(zhì)和氣體副產(chǎn)物，固態(tài)物淀積。(d) 氣態(tài)副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)劑擴(kuò)散通過(guò)界面邊界層。(e) 進(jìn)入主氣流里，并離開系統(tǒng) boundary layer界面邊界層邊界層：又稱滯留層，主氣流區(qū)與硅片表面之間氣流速度受擾動(dòng) 的氣體薄層化學(xué)氣相沉積的優(yōu)點(diǎn)：好的臺(tái)階覆蓋能力填充高的深寬比間隙的能力好的厚度均勻性高純度、高密度可控制的化學(xué)組分高度的結(jié)構(gòu)完整性和低的膜應(yīng)力。好的電學(xué)特性對(duì)襯底材料或下層膜

6、有好的粘附性 氣相外延（Vapor-Phase Epitaxy , VPE）是集成電路制造工藝中最普遍使用的外延工藝，實(shí)際是一種高溫 CVD 工藝。 與 CVD 工藝相同，氣相外延過(guò)程也可分為5個(gè)連續(xù)的步驟。反應(yīng)氣體從反應(yīng)室入口處向硅片附近輸運(yùn)，通過(guò)同質(zhì)反應(yīng)生成系列次生分子，次生分子擴(kuò)散穿過(guò)滯流層到達(dá)硅片表面并被吸附，在硅片表面發(fā)生異質(zhì)反應(yīng)生成單晶硅，氣體副產(chǎn)物解吸附并被排出系統(tǒng)。 1966年Grove建立了一個(gè)簡(jiǎn)單的CVD淀積速率模型；雖然簡(jiǎn)單，但Gvove模型解釋了CVD過(guò)程中的許多現(xiàn)象并準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)了薄膜淀積速率。將CVD過(guò)程簡(jiǎn)化成兩個(gè)部分：1）氣相過(guò)程（反應(yīng)劑在邊界層中的輸運(yùn)）2）表面過(guò)

7、程（反應(yīng)劑在表面的化學(xué)反應(yīng)） 根據(jù)次模型，外延膜的生長(zhǎng)速率 R 可表為：sggsgk hCJRNkhN式中，Cg 代表主氣流中的反應(yīng)劑濃度， N 表示單位體積的薄膜含有的硅原子 的數(shù)量，對(duì)于硅，N的值為51022原子/厘米3 Hg 表示氣相質(zhì)量運(yùn)輸系數(shù)， Ks表示化學(xué)表面反應(yīng)速率。此公式顯示了沉積速率正比于氣體濃度此公式顯示了沉積速率正比于氣體濃度 sggsgk hCJRNkhN 當(dāng)溫度較低時(shí)，hg ks ，生長(zhǎng)速率由表面反應(yīng)速率常數(shù) ks 決定 ；當(dāng)溫度較高時(shí)，hg ks ，生長(zhǎng)速率由氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù) hg 決定。 實(shí)際生產(chǎn)中外延溫度在高溫區(qū)，生長(zhǎng)速率由氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù) hg 決定，這時(shí)溫度

8、的微小變動(dòng)不會(huì)對(duì)生長(zhǎng)速率造成顯著的影響，因此外延對(duì)溫度控制精度的要求不是太高。 在高溫區(qū)進(jìn)行外延生長(zhǎng)時(shí)，到達(dá)硅片表面的硅原子有足夠的能量和遷移能力，可在硅片表面運(yùn)動(dòng)而到達(dá)晶格位置，從而外延出單晶薄膜。溫度太低或太高，都會(huì)形成多晶薄膜。溫度太高還會(huì)導(dǎo)致雜質(zhì)的擴(kuò)散加重。 硅的氣相外延多利用硅氯化物 SiHxCl4-x ( x = 0、1、2、3 )與 H2 的反應(yīng)來(lái)淀積單晶硅 。反應(yīng)氣體分子中氯原子數(shù)越少 ，所需的化學(xué)反應(yīng)激活能就越小，反應(yīng)溫度就越低。最早使用的是 SiCl4，激活能為 1.6 1.7 eV，反應(yīng)溫度在 1150oC 以上?，F(xiàn)在普遍使用的是 SiH2Cl2 ，激活能為 0.3 0.

9、6 eV。 此處以SiCl4 為例，來(lái)說(shuō)明生長(zhǎng)速率與反應(yīng)劑濃度的關(guān)系。 所有的氯硅烷都有相似的反應(yīng)途徑，先通過(guò)同質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生氣態(tài)的次生反應(yīng)物 SiCl2 和 HCl，然后再發(fā)生以下可逆反應(yīng) SiCl2 + H2 Si + 2 HCl 以 SiCl4 為例，當(dāng)反應(yīng)劑濃度較低時(shí) ，SiCl2 和 HCl 的濃度都較低 ，正向反應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率隨反應(yīng)劑濃度的提高而加快 。由于 HCl 濃度比 SiCl2 濃度提高得更快 ，當(dāng)反應(yīng)劑濃度達(dá)到某值時(shí)，生長(zhǎng)速率達(dá)到最大，之后隨反應(yīng)劑濃度的提高而變慢。當(dāng)反應(yīng)劑濃度繼續(xù)提高到某值時(shí)，逆向反應(yīng)占優(yōu)勢(shì)，發(fā)生對(duì)硅的腐蝕，且腐蝕速率隨反應(yīng)劑濃度的提高而加

10、快。 生長(zhǎng)速率太快也會(huì)導(dǎo)致形成多晶層。生長(zhǎng)速率太快也會(huì)導(dǎo)致形成多晶層。 定義氣體的超飽和度為SiSiClClFeedEqpppp 當(dāng) 為正時(shí)發(fā)生外延生長(zhǎng)，當(dāng) 為負(fù)時(shí)發(fā)生硅的腐蝕。反應(yīng)劑濃度反應(yīng)劑濃度生生長(zhǎng)長(zhǎng)速速率率多晶多晶單晶單晶腐蝕腐蝕0 氣體流速將影響滯流層（邊界層）的厚度。滯流層平均厚度與氣體流速之間的關(guān)系是 01v 一般的外延工藝條件下，生長(zhǎng)速率由氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù) hg 決定，生長(zhǎng)速率隨氣體流速的增加而增加。但當(dāng)氣體流速很大時(shí)，滯流層厚度很薄，hg 變得很大，使外延生長(zhǎng)由反應(yīng)劑輸運(yùn)限制過(guò)渡到化學(xué)反應(yīng)速率限制，這時(shí)生長(zhǎng)速率由化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù) ks 決定而與氣體流速的關(guān)系不大。 按器件對(duì)外

11、延導(dǎo)電性和電阻率的要求，在外延的同時(shí)摻入適量的雜質(zhì)，這稱為有意摻雜。 典型的摻雜劑通常為氫化物：例如：N型為PH3 、 AsH3 P型為B2H6都劇毒 對(duì)于雜質(zhì)來(lái)說(shuō)，也存在氣相質(zhì)量輸運(yùn)限制和化學(xué)反應(yīng)速率限制，只是情況更為復(fù)雜。例如，硼的摻入量隨外延溫度的上升而增加，而磷和砷的摻入量卻隨外延溫度的上升而下降。 另外，由于摻雜劑和硅之間存在競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)，對(duì)生長(zhǎng)速率也會(huì)產(chǎn)生一定的影響。例如，當(dāng)進(jìn)行砷的高濃度摻雜時(shí)，大量的砷會(huì)占據(jù)表面位置而阻礙硅的正常生長(zhǎng)，但自身又不成膜。 無(wú)意摻雜又分為自摻雜與固態(tài)外擴(kuò)散。 自摻雜-襯底雜質(zhì)通過(guò)蒸發(fā)和襯底的腐蝕而進(jìn)入滯流層，然后再進(jìn)入外延膜中。 氣相自摻雜也能起因于從硅

12、片的邊緣和背面蒸發(fā)出來(lái)的原子以及從覆蓋了重?fù)诫s材料的支架蒸發(fā)出來(lái)的原子。 固態(tài)外擴(kuò)散-高溫時(shí)雜質(zhì)原子從襯底擴(kuò)散到正在 生長(zhǎng)的薄膜中。 雜質(zhì)分布曲線:（其中N（x）=N1 (x) + N2 (x) ）固態(tài)外擴(kuò)散和自摻雜可被認(rèn)為是增加了過(guò)渡層(從摻雜的襯底到均勻摻雜層)的厚度。 在接近襯底處，襯底的固態(tài)擴(kuò)散是優(yōu)勢(shì)效應(yīng)，形成一個(gè)較寬的過(guò)渡剖面(圖中的A區(qū))。相對(duì)于擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)來(lái)說(shuō)，快的薄膜生長(zhǎng)速率限制了這種效應(yīng)。然而，過(guò)渡區(qū)受到氣相中的摻雜劑的進(jìn)入作用的控制。被特意引入的原子時(shí)，形成了自摻雜尾巴(圖中的B區(qū))。 由于高濃度的埋層很快就被輕摻雜的材料所覆蓋，自摻雜效應(yīng)中止，所期望的濃度也達(dá)到了。 1、降低

13、外延溫度； 2、在HCl刻蝕之后采用一個(gè)低溫吹氣的工藝以保證刻蝕時(shí)被涉及的摻雜劑被帶出系統(tǒng)； 3、兩步外延法； 4、用 SiO2、Si3N4、多晶硅等封閉襯底背面和基座； 5、盡量選用擴(kuò)散系數(shù)低和蒸汽壓低的雜質(zhì)做襯底的摻雜雜質(zhì)（例如以銻代替砷(高蒸氣壓)或磷(高擴(kuò)散率) ； 6、采用低壓外延。 外延生長(zhǎng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生某些缺陷，這些缺陷將直接或間接導(dǎo)致集成電路的失效。 缺陷種類: a.存在于襯底中并延伸到外延層中的位錯(cuò)； b.襯底表面的析出雜質(zhì)或殘留的氧化物， 吸附的碳氧化物導(dǎo)致的層錯(cuò)； c.外延工藝引起的外延層中析出雜質(zhì)； d.與工藝或與表面加工(拋光面劃痕、損傷)，碳沾污等有關(guān)，形成的表面錐體缺陷

14、(如角錐體、圓錐體、三棱錐體、小丘)； e.襯底堆垛層錯(cuò)的延伸； 這些缺陷源于：a)反應(yīng)室的沾污；b)硅片的預(yù)處理；c)襯底的不完美性。 值得一提的概念是外延層的晶體質(zhì)量不會(huì)超過(guò)襯底的質(zhì)量。因而在硅片預(yù)處理時(shí)必須非常小心。 c.外延工藝引起的外延層中析出雜質(zhì)； d.與工藝或與表面加工(拋光面劃痕、損傷)，碳沾污等有關(guān)，形成的表面錐體缺陷(如角錐體、圓錐體、三棱錐體、小丘)； e.襯底堆垛層錯(cuò)的延伸； 這些缺陷源于：a)反應(yīng)室的沾污；b)硅片的預(yù)處理；c)襯底的不完美性。 值得一提的概念是外延層的晶體質(zhì)量不會(huì)超過(guò)襯底的質(zhì)量。因而在硅片預(yù)處理時(shí)必須非常小心。 外延膜中位錯(cuò)的產(chǎn)生有幾種機(jī)制，包括：

15、a)襯底中的位錯(cuò)線到達(dá)襯底表面時(shí)增殖進(jìn)入正在生長(zhǎng)的薄 膜。(位錯(cuò)多的襯底導(dǎo)致了位錯(cuò)多的薄膜。因而應(yīng)當(dāng)采用無(wú)位錯(cuò)的襯底材料)； b)在薄膜和襯底之間存在著大的晶格參數(shù)的差異(例如，襯底重?fù)诫s而外延層輕摻雜)，這導(dǎo)致了失配位錯(cuò)。外延膜中靠近襯底處形成的失配位錯(cuò)釋放了這種失配； c)由超過(guò)硅的屈服強(qiáng)度的熱應(yīng)力引起，并造成滑移位錯(cuò)-slip。 由于原子排列次序發(fā)生錯(cuò)亂而產(chǎn)生的缺陷；產(chǎn)生原因包括： a)襯底上微小的表面臺(tái)階； b)襯底上或反應(yīng)室本身的雜質(zhì),如顆粒，襯底上殘留的氧化層。 層錯(cuò)形貌分為單線，開口，正三角形，套疊三角形和其他組態(tài) 1.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

16、般由于氫氣純度低，含水過(guò)多，或氣相拋光濃度過(guò)大，生長(zhǎng)溫度太低等引起的。2. 角錐體（hillock）：又稱三角錐或乳突。形狀像沙丘，用肉眼可以看到。37霧狀表面缺陷霧圈 白霧 殘跡 花霧霧圈 白霧 殘跡 花霧 角錐體：又稱三角錐或乳突 1、仔細(xì)地拋光、清洗硅襯底，做到表面光潔度好、清潔、無(wú)劃痕和損傷、無(wú)沾污。 ； 2、采用超純石墨基座，最好采用CVD涂覆碳化硅的石墨基座，以減少來(lái)源于基座的金屬雜質(zhì)影響。 ； 3、對(duì)外延用襯底C和O含量進(jìn)行控制； 4、對(duì)外延襯底進(jìn)行外吸除； 5、要減少金屬雜質(zhì)對(duì)外延片的沾污,首先要對(duì)各種沾污源進(jìn)行控制和防護(hù)。例如選用低金屬含量的襯底;加強(qiáng)襯底硅片的清洗,經(jīng)常對(duì)外延基座和反應(yīng)室進(jìn)行高溫腐蝕處理等。 淀積在埋層上的外延層中的臺(tái)階圖形時(shí)，有時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)它的位置相對(duì)于它在埋層中的位置發(fā)生了移動(dòng)(或變形甚至是備沖壞了)。這些效應(yīng)被分別稱為圖形移動(dòng)、圖形變形和圖形沖壞。外延過(guò)程中外延生長(zhǎng)速率在不同晶面上的差異。SHI