北京大學(xué)出版社外延

第七章外延外延定義Epitaxy:在…上排列(希臘語)外延:單晶襯底上淀積一層薄的單晶層.(新生單晶層是按襯底晶向延伸生長(zhǎng)的,稱為外延層;長(zhǎng)了外延層的襯底稱為外延片)外延分類襯底與外延層阻值不同正向外延反向外延襯底與外延層材料同質(zhì)外延異質(zhì)外延向襯底輸送原子方式氣相外延液相外延固相外延硅氣相外延的基本原理-硅源SiCl4SiHCl3SiCl2H2SiH4主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的外延工藝中生長(zhǎng)速度快，1um/min，用于厚外延層的制備生長(zhǎng)高質(zhì)量的薄外延層，外延層的缺陷密度低于SiCl4和SiH4。生長(zhǎng)很薄的外延層，且得到高淀積率。生長(zhǎng)外延層需要很高的溫度可以在較低的溫度下外延用在更低的溫度下在低于900度下生長(zhǎng)外延層近晶面外延生長(zhǎng)示意圖吸附原子臺(tái)階邊緣扭轉(zhuǎn)位置下平臺(tái)上平臺(tái)ACBA結(jié)論１．吸附原子的遷移過程受到抑制，就可能生成多晶薄膜．２．淀積速率和溫度影響吸附原子的遷移．特定的淀積溫度下，存在一個(gè)最大淀積率，超過最大淀積率，生成多晶薄膜；低于最大淀積層，生成單晶外延層．特定的淀積速率下，溫度越高，易生長(zhǎng)單晶；溫度越低，易生成多晶．原因：高生長(zhǎng)速率的情況下，吸附原子沒有足夠的時(shí)間遷移到扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，因而會(huì)形成多晶．當(dāng)溫度升高時(shí)，表面遷移率上升，由于硅原子遷移速率的加快，在與其他吸附原子形成硅串前已經(jīng)到達(dá)扭轉(zhuǎn)點(diǎn)．一旦到達(dá)扭轉(zhuǎn)點(diǎn)，薄膜開始橫向生長(zhǎng)．單晶外延生長(zhǎng)與硅自擴(kuò)散的機(jī)制是相同的．化學(xué)反應(yīng)過程ＳiＣl４氫還原法的總反應(yīng)：ＳiＣl４＋Ｈ２Ｓis＋４ＨＣl總反應(yīng)包括下列中間反應(yīng)ＳiＣl４＋Ｈ２ＳiＨＣl３＋ＨＣlＳiＣl４＋Ｈ２ＳiＣl２＋２ＨＣlＳiＨＣl３＋Ｈ２ＳiＨ２Ｃl２＋ＨＣlＳiＨＣl３ＳiＣl２＋ＨＣlＳiＨ２Ｃl２ＳiＣl２＋Ｈ２

硅的析出反應(yīng)：ＳiCl２＋Ｈ２Ｓis＋２ＨＣl２ＳiＣl２Ｓis＋ＳiＣl４生長(zhǎng)速率與溫度間的關(guān)系１．生長(zhǎng)率依賴于所選用的硅烷，生長(zhǎng)率ＳiＨ４＞ＳiＨ２Ｃl２＞ＳiＨＣl３

＞ＳiＣl４２．高溫區(qū)（Ｂ），生長(zhǎng)速率對(duì)溫度的變化不敏感，生長(zhǎng)速率由氣相質(zhì)量輸運(yùn)控制，并且對(duì)反應(yīng)室的幾何形狀和氣流有很大的依賴性；低溫區(qū)（Ａ），生長(zhǎng)速率對(duì)溫度的變化非常敏感，生長(zhǎng)速率完全由表面化學(xué)反應(yīng)控制．生長(zhǎng)速率與溫度間擴(kuò)散關(guān)系原因：高溫區(qū)：表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)很大，決定外延生長(zhǎng)速率的主要因素是單位時(shí)間內(nèi)反應(yīng)劑輸運(yùn)到襯底表面的數(shù)量，或是化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物通過擴(kuò)散方式離開襯底表面的速率．低溫區(qū)：化學(xué)反應(yīng)的快慢決定生長(zhǎng)速率，控制反應(yīng)速率的機(jī)制在所有的情況下是相同的．現(xiàn)象解釋：反應(yīng)表面對(duì)氫的解吸

氫會(huì)占據(jù)硅的表面位置，如果不被排除，將會(huì)阻止新的硅原子加入到生長(zhǎng)的薄膜中．生長(zhǎng)速率與溫度間的關(guān)系過渡溫度取決于：１．源的摩爾分?jǐn)?shù)２．淀積系統(tǒng)的類型３．氣流速率４．源氣體的選用外延溫度選在高溫區(qū)：１．生長(zhǎng)速率處于質(zhì)量輸運(yùn)控制范圍，溫度的微小波動(dòng)不會(huì)影響生長(zhǎng)速率顯著變化．２．淀積在表面的硅原子具有足夠的能量和遷移能力，易找到合適的位置形成單晶．生長(zhǎng)速率與反應(yīng)劑濃度的關(guān)系外延生長(zhǎng)速率由以下兩因素較慢一個(gè)決定：１氫還原ＳiＣl４析出硅原子２被釋放出來的硅原子在襯底上生成單晶層分析：１．ＳiＣl４濃度較小，ＳiＣl４被氫還原析出硅原子的速度遠(yuǎn)小于被釋放出來的硅原子在襯底上生成單晶硅速度，化學(xué)反應(yīng)速度控制外延層的生長(zhǎng)速率．２．增加ＳiＣl４濃度，化學(xué)反應(yīng)速率加快，生長(zhǎng)速度提高．濃度大到一定程度，化學(xué)反應(yīng)釋放硅原子速度大于硅原子在襯底表面的排列生長(zhǎng)速度．３．進(jìn)一步增大ＳiＣl４濃度（Ｙ＝０.１）生長(zhǎng)速率減?。划?dāng)Ｙ＝０.２７時(shí)，逆向反應(yīng)發(fā)生硅被腐蝕．４．反向腐蝕越嚴(yán)重，生長(zhǎng)速率下降，當(dāng)Ｙ＞０.２８時(shí)，只存在腐蝕反應(yīng)．生長(zhǎng)速率與氣體流速的關(guān)系１．氣體流速越大，邊界層越薄，相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)移到單位襯底表面上的反應(yīng)劑數(shù)量越多，外延層生長(zhǎng)速率也越快．２．當(dāng)氣流大到一定程度時(shí)，外延層的生長(zhǎng)速率基本不隨氣體流量增大而加快．因?yàn)榇藭r(shí)邊界層厚度很薄，輸運(yùn)到襯底表面的反應(yīng)劑數(shù)量可能超過外延溫度下的化學(xué)表面反應(yīng)需要的數(shù)量，此時(shí)生長(zhǎng)速率由化學(xué)反應(yīng)速率決定．襯底晶向?qū)ιL(zhǎng)速率的影響不同晶面的鍵密度不同，鍵合能力存在差別，會(huì)對(duì)生長(zhǎng)速率產(chǎn)生一定影響．１．共價(jià)鍵密度小，鍵合能力差，生長(zhǎng)速率慢．（１１１）２．共價(jià)鍵密度大，鍵合能力強(qiáng)，生長(zhǎng)速率快．（１００）外延層中的雜質(zhì)分布外延工藝與其他工藝相比的優(yōu)勢(shì)?1.完美的晶體結(jié)構(gòu)2.精確地控制厚度,導(dǎo)電類型及電阻率(摻雜濃度)3.外延層與襯底間有突變的雜質(zhì)分布.ＳiＣl４在高溫下生成外延層中的雜質(zhì)分布-摻雜原理外延層中的雜質(zhì)原子是在外延生長(zhǎng)過程中被結(jié)合到外延層的晶格中.-----1雜質(zhì)淀積的過程中,由于質(zhì)量輸運(yùn)和表面化學(xué)反應(yīng)控制,摻雜效率與綜合因素有關(guān)(生長(zhǎng)溫度,生長(zhǎng)速率,氣流中摻雜劑相對(duì)于硅源的摩爾數(shù),反應(yīng)室的情況…)-----2外延層的生長(zhǎng)速度也依賴于摻雜劑的類型和濃度;外延薄膜中所吸收的雜質(zhì)數(shù)量又取決于外延層的生長(zhǎng)速度.外延層中的雜質(zhì)分布-擴(kuò)散效應(yīng)外延中,摻雜渠道-擴(kuò)散效應(yīng);自摻雜效應(yīng)擴(kuò)散效應(yīng):襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì),在外延生長(zhǎng)時(shí)互相擴(kuò)散,引起襯底與外延層界面附近雜質(zhì)濃度的緩慢變化.擴(kuò)散效應(yīng)對(duì)雜質(zhì)分布的影響因素:1.溫度,襯底和外延層的摻雜情況2.雜質(zhì)類型及擴(kuò)散系數(shù)3.外延層的生長(zhǎng)速度和缺陷外延層中的雜質(zhì)分布-自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng):在外延生長(zhǎng)過程中,襯底和外延層中的雜質(zhì)因熱蒸發(fā),或因化學(xué)反應(yīng)的副產(chǎn)物對(duì)襯底或外延層的腐蝕,都會(huì)使襯底和外延層中的雜質(zhì)進(jìn)入邊界層中,改變了邊界層中的摻雜成分和濃度,從而導(dǎo)致了外延層中雜質(zhì)的實(shí)際分布偏離理想情況.減小自摻雜效應(yīng)措施:1.在保證外延質(zhì)量和速度的前提下,盡量降低外延生長(zhǎng)溫度.2.對(duì)n型襯底,使用蒸汽壓低,擴(kuò)散速率也低的雜質(zhì)作為埋層雜質(zhì).3.對(duì)重?fù)诫s的襯底,需要使用輕摻雜的硅來密封重?fù)诫s襯底的底面和側(cè)面,進(jìn)而減少雜質(zhì)的外逸.4.外延系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)工作在低壓條件下(氣態(tài)的雜質(zhì)原子在低壓下的擴(kuò)散速度比常壓情況下高,由襯底外逸的大部分雜質(zhì)就可以被主氣流帶出反應(yīng)室)5.可以使用經(jīng)過離子注入的埋層來降低襯底表面的雜質(zhì)濃度.6.可以在埋層或襯底上先生長(zhǎng)未摻雜的薄膜避免襯底中的雜質(zhì)外逸,之后再進(jìn)行原位摻雜.7避免在高溫下采用HCl對(duì)襯底進(jìn)行腐蝕,或在腐蝕后用低溫氣流除去因腐蝕外逸的雜質(zhì).低壓外延目的:減小自摻雜效應(yīng)原因:低壓情況下,氣體分子密度變稀,分子平均自由程增大,雜質(zhì)的擴(kuò)散速度加快,所以襯底逸出的雜質(zhì)能快速地穿過邊界層被排出反應(yīng)室,重新進(jìn)入外延層的機(jī)會(huì)減小,降低了自摻雜效應(yīng)對(duì)外延層中雜質(zhì)濃度和分布的影響.壓力:1×103~2×104Pa之間優(yōu)點(diǎn):1縮小多層外延之間的過渡區(qū)2改善電阻率的均勻性3減小埋層圖形的漂移和畸變4給硅源濃度的變化提供了更大的幅度低壓外延低壓對(duì)自摻雜影響的兩種效應(yīng):壓力變低,邊界層厚度增加,襯底逸出的雜質(zhì)穿過邊界層的時(shí)間變長(zhǎng),加重自摻雜效應(yīng).(次要因素)壓力變低,雜質(zhì)穿過邊界層進(jìn)入主氣流的時(shí)間比常壓外延短(主要因素)低壓外延對(duì)反應(yīng)室的要求:能承受內(nèi)外的壓力差(水平圓形管和立式鐘罩型)反應(yīng)室的密封性要好低壓外延異于常壓外延的參數(shù)影響壓力的影響硅源的摩爾濃度相同時(shí),生長(zhǎng)速率一般要下降.原因:反應(yīng)劑的分壓變小及生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)控制過程的變化.低壓外延層的厚度和電阻率有明顯的改善.原因:低壓時(shí),反應(yīng)管內(nèi)的氣流以層流形式流動(dòng),在熱基座和冷壁間不存在因溫度差引起的旋渦型氣流.低壓外延層的晶體完整性要受到一定影響.原因:反應(yīng)系統(tǒng)漏氣基座與襯底間溫差大基座,反應(yīng)室等在減壓時(shí)釋放出吸附氣體外延生長(zhǎng)溫度低低壓外延異于常壓外延的參數(shù)影響溫度的影響壓力降低,生長(zhǎng)外延層的溫度下限下降,生長(zhǎng)速率可隨溫度的升高而增加;當(dāng)溫度達(dá)到某個(gè)值的時(shí)候,生長(zhǎng)速率不隨溫度上升而變化.原因:生長(zhǎng)過程由表面化學(xué)反應(yīng)控制轉(zhuǎn)為質(zhì)量輸運(yùn)控制.選擇外延定義:利用外延生長(zhǎng)的基本原理,以及硅在絕緣體上很難核化成膜的特性,在硅表面的特定區(qū)域生長(zhǎng)外延層而其他區(qū)域不生長(zhǎng)的技術(shù).基本原理:硅在襯底上核化的可能性SiO2(異質(zhì)外延)<Si3N4(異質(zhì)外延)<Si(同質(zhì)外延),落在絕緣體上的原子因不易成核而遷移到更易成核的硅單晶區(qū).(在Si-SiO2界面會(huì)產(chǎn)生較大的晶格失配,與Si-Si同質(zhì)外延相比其晶核形成能增高;另一方面,要進(jìn)行外延生長(zhǎng)的地方是窗口內(nèi)或者硅表面的凹陷處,這些地方將降低核能)選擇外延提高原子活動(dòng)性的因素:1.氧化物表面的高清潔度2.源中存在足夠的氯(HCl)原因:氯可以抑制在氣相中和掩膜層表面處成核,通過調(diào)節(jié)Si/Cl的比率,可以從非選擇性生長(zhǎng)向選擇性生長(zhǎng)和腐蝕方向變化.選擇順序:SiCl4,SiHCl3,SiH2Cl2,SiH4選擇外延的三種類型(1)waferSiO2SiO2waferSiO2SiO2外延硅waferSiO2SiO2外延硅Poly-SiPoly-SiwaferSiO2SiO2缺點(diǎn):在窗口邊緣進(jìn)行選擇外延時(shí),在窗口邊緣不但具有較高的生長(zhǎng)速率,而且生長(zhǎng)速率也不規(guī)則.原因:到達(dá)窗口內(nèi)的反應(yīng)劑,如果不能成核,會(huì)在襯底表面做遷移運(yùn)動(dòng),直到到達(dá)窗口邊緣并淀積,窗口邊緣的生長(zhǎng)速率比中心的生長(zhǎng)速率高改善:降低生長(zhǎng)速率選擇外延的三種類型(2)在這種外延生長(zhǎng)過程中，晶面取向不同表現(xiàn)出不同的生長(zhǎng)特性．回填材料的導(dǎo)電類型一般與襯底相反．硅的選擇回填中，ＳiＨ４／ＨＣl／Ｈ２生長(zhǎng)體系在（１００）取向襯底上得到最好的平面生長(zhǎng)．因?yàn)檫@個(gè)體系的生長(zhǎng)速率與溫度的關(guān)系沒有ＳiＣl／Ｈ２那樣密切，可以通過調(diào)節(jié)氣相Ｃl／Ｓi比，使表面上的生長(zhǎng)速率為零．waferSiO2SiO2waferSiO2SiO2waferSiO2SiO2選擇外延的三種類型(３)在這種工藝中，依靠氣相摻雜，可使溝槽內(nèi)的導(dǎo)電類型與襯底相反而建立多重Ｐ－Ｎ結(jié)，這種結(jié)構(gòu)的外延層多用于太陽能電池和其他器件．waferwaferwafer選擇外延提高硅淀積選擇特性的其他因素：１選擇減壓反應(yīng)系統(tǒng)２提高淀積溫度３減少氣流中硅源的摩爾分?jǐn)?shù)４保證硅片和系統(tǒng)的清潔橫向超速外延（ＥＬＯ）當(dāng)選擇外延生長(zhǎng)的薄膜超過ＳiＯ２的臺(tái)階高度時(shí)，外延不但繼續(xù)垂直生長(zhǎng)，而且也沿橫向生長(zhǎng)橫向與縱向生長(zhǎng)速率之比取決于窗口或臺(tái)階的高度以及襯底的取向．ＳiＯ２ＳiＯ２ＳiＯ２垂直選擇外延橫向超速外延硅烷熱分解法外延SiCl4SiHCl3SiCl2H2SiH4主要應(yīng)用在傳統(tǒng)的外延工藝中生長(zhǎng)速度快，1um/min，用于厚外延層的制備生長(zhǎng)高質(zhì)量的薄外延層，外延層的缺陷密度低于SiCl4和SiH4。生長(zhǎng)很薄的外延層，且得到高淀積率。生長(zhǎng)外延層需要很高的溫度可以在較低的溫度下外延用在更低的溫度下在低于900度下生長(zhǎng)外延層硅烷熱分解法外延化學(xué)反應(yīng)式:SiH4Si(固)+2H2(氣)優(yōu)點(diǎn):不存在反向腐蝕效應(yīng),對(duì)反應(yīng)室無腐蝕作用.可以在相對(duì)低的溫度下完成(600C分解;650-900C產(chǎn)生外延層)減弱了自摻雜效應(yīng)和擴(kuò)散效應(yīng).提高外延層電阻率的均勻性,有利于薄層外延生長(zhǎng).雜質(zhì)玷污較少,硅烷純度高.可以精確控制流量,外延層生長(zhǎng)的重復(fù)性好.硅烷熱分解法外延生長(zhǎng)過程:(1)SiH4分子靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)穿過邊界層到達(dá)硅表面被吸附.(2)SiH4在硅表面分解,釋放出硅原子和氫分子.(3)氫分子靠擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)離開界面并隨主氣流被排除.硅原子在襯底(或外延層)表面運(yùn)動(dòng),并定位于適當(dāng)?shù)木Ц裎恢蒙?存在的問題:(1)SiH4能在氣相中自行分解,造成過早核化.對(duì)外延層的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響,甚至生成多晶.(解決措施:1加大氣體流量,選定合適溫度并準(zhǔn)確控制.2在反應(yīng)中加入適量的HCl)(2)同其他氯的硅化物相比,SiH4容易氧化形成硅粉.(避免氧化物質(zhì)和水汽的存在)

(3)外延層的缺陷密度比SiCl4氫還原法外延高.(4)對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)要求高.

SOS技術(shù)SOI(SiliconOnInsulator或SemiconductorOnInsulator):在絕緣襯底上進(jìn)行硅的異質(zhì)外延SOS(SiliconOnSapphire或SiliconOnSpinel):在藍(lán)寶石或尖晶石襯底上進(jìn)行硅的外延,是SOI的一種.SOI技術(shù)優(yōu)點(diǎn):1.與制造在體硅或硅的同質(zhì)外延層相比,由于SOI是介質(zhì)隔離,寄生電容小,對(duì)高速和高集成度的電路特別有利,主要體現(xiàn)在更低的功耗和更高的速度上.2.提高了器件抗輻射能力.3.抑制了CMOS電路的閂鎖效應(yīng).4.硅-絕緣體CMOS工藝比體硅CMOS工藝簡(jiǎn)單,還能排除某些在體硅CMOS中存在的危害成品率的因素.

SOS技術(shù)襯底材料考慮因素:外延層與襯底材料的相容性1.晶體結(jié)構(gòu):絕緣體的晶格參數(shù)十分接近于單晶硅晶格參數(shù)2.熱膨脹系數(shù):熱膨脹系數(shù)相近;相差較大在溫度變化時(shí)會(huì)在單晶硅膜內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力,外延層缺陷增多.3.絕緣襯底的質(zhì)量:藍(lán)寶石晶體制備方法1焰熔法2切克勞斯基法3邊緣限定饋給法4.熔點(diǎn),蒸汽壓…分子束外延(MBE)工作原理:利用蒸發(fā)源提供的定向分子束或原子束,撞擊到清潔的襯底表面上生成外延層.MBE設(shè)備組成部分:1.超高真空系統(tǒng)(真空度1.33*10-8Pa以上)2.生長(zhǎng)系統(tǒng)噴射爐:放在不同噴射爐內(nèi)的不同元素按一定比例噴射出來.襯底基座:可以傾斜,旋轉(zhuǎn)一定角度,同時(shí)可以放置,接送和加溫樣品.3.測(cè)量,分析,監(jiān)控系統(tǒng)包括質(zhì)譜儀(監(jiān)視分子束的種類和強(qiáng)度),俄歇電子能譜儀(監(jiān)視表面化學(xué)成分,組分和雜質(zhì)的剖面分布),高能電子衍射儀(檢測(cè)表面原子排列情況),薄膜厚度測(cè)試儀,電子顯微鏡等.分子束外延(MBE)MBE前襯底表面清潔工藝:1.高溫?zé)崽幚砣コr底表面的SiO2.(熱處理溫度太高)SiO2+SiSiO(1200C)2用Ar+濺射,再退火(引起襯底表面的損傷)3利用脈沖激光反復(fù)輻射.外延層的缺陷按所在位置分兩類表面缺陷:顯露在外延層表面的缺陷,可用肉眼或金相顯微鏡觀察到.主要有:云霧狀表面;角錐體;劃痕;星狀體;麻坑等體內(nèi)缺陷:位于外延層內(nèi)部的晶體結(jié)構(gòu)缺陷.主要有:位錯(cuò),層錯(cuò)(也有起源于外延層內(nèi)部,甚至襯底內(nèi)部,但隨外延層生長(zhǎng)一直延伸到外延層表面)層錯(cuò)層錯(cuò):由原子排列次序發(fā)生錯(cuò)亂引起的,也叫堆積層錯(cuò).產(chǎn)生層錯(cuò)的原因:襯底表面的損傷和玷污,外延溫度過低,襯底表面上殘留的氧化物,外延過程中摻雜劑不純,空位或間隙原子的凝聚,外延生長(zhǎng)時(shí)點(diǎn)陣失配,襯底上的微觀表面臺(tái)階,生長(zhǎng)速度過高.