《外延片的制備》課件

第四章外延片的制備4.1硅外延工藝概述

定義:外延(epitaxy)是在一定條件下，在一片表面經(jīng)過細致加工的單晶襯底上，沿其原來的結(jié)晶軸方向，生長一層導(dǎo)電類型、電阻率、厚度和晶格結(jié)構(gòu)完整性都符合要求的新單晶層的過程。

新生單晶層按襯底晶相延伸生長，并稱此為外延層。長了外延層的襯底稱為外延片。

1精選ppt第四章外延片的制備4.1硅外延工藝概述1精選ppt

同質(zhì)外延：生長的外延層與襯底材料相同異質(zhì)外延：外延層在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)上與襯底材料不同外延分類:氣相外延(VPE)－－常用液相外延(LPE)－－ⅢⅤ固相外延(SPE)－－熔融在結(jié)晶分子束外延(MBE)－－超薄2精選ppt同質(zhì)外延：生長的外延層與襯底材料相同2精選ppt4.2外延生長動力學(xué)原理

外延時，通入含有一定硅源的氫氣流，并流經(jīng)被高頻感應(yīng)加熱的硅片表面，當(dāng)條件適當(dāng)時便會在其上外延成膜.硅外延反應(yīng)器3精選ppt4.2外延生長動力學(xué)原理外延時，通入含有一定硅4.2.1一般過程H2還原SiCl4法的化學(xué)反應(yīng)式為：在生長表面得到游離態(tài)的Si原子，析出的Si原子在高溫下攜帶大量的熱能，便沿著表面滑動（擴散）到適當(dāng)位置，按照一定的晶向加接到晶格點陣上，并釋放能量，固定成為晶格點陣的新成員。4精選ppt4.2.1一般過程4精選ppt外延生長包括下列連續(xù)步驟：1.反應(yīng)劑質(zhì)量從氣相轉(zhuǎn)移到生長層表面2.反應(yīng)劑分子被吸附在生長層表面3.在生長層表面進行化學(xué)反應(yīng)，得到Si原子和其他副產(chǎn)物4.副產(chǎn)物分子脫離生長層表面的吸附5.解吸的副產(chǎn)物從生長表面轉(zhuǎn)移到氣相，隨主流氣體逸出反應(yīng)室6.Si原子加接到晶格點陣上其中1和5為物理擴散過程，2和4為吸附和解吸過程，3為表面化學(xué)反應(yīng)過程5精選ppt外延生長包括下列連續(xù)步驟：5精選ppt在開管外延中，系統(tǒng)維持在較高的常壓（0.1MPa）狀態(tài)，俗稱常壓外延。吸附和解吸的速度相當(dāng)快，因此，混合氣氛中各組分在樣品表面的吸附狀況可看作一定。這時，外延層的生長速率將主要取決于質(zhì)量傳輸和表面化學(xué)反應(yīng)。在低于一個大氣壓系統(tǒng)中進行的外延生長，稱為低壓外延。在這種情況下生長速率主要受混合氣氛中各組分在樣品表面的吸附及其表面化學(xué)反應(yīng)控制。6精選ppt在開管外延中，系統(tǒng)維持在較高的常壓（0.1MPa）狀態(tài)4.2.2生長動力學(xué)假設(shè)：反應(yīng)器空間和基座的幾何尺度比較起來可視為無限大，且溫度均勻。既可以忽略反應(yīng)器壁的邊界效應(yīng)，又可以認為反應(yīng)室內(nèi)氣體的性質(zhì)（如密度、擴散系數(shù)等）處處是一樣的。速度附面層：在接近基座表面的一薄層流體中，速度有較大的變化，把這個速度分布受到擾動的區(qū)域稱為速度附面層自由流體：速度附面層區(qū)域以外的流體7精選ppt4.2.2生長動力學(xué)7精選ppt滯流層：因附面層里流體的速度滯慢于其外面的自由流體，故常將速度附面層稱為滯流層從附面層到其外流動區(qū)域速度的分布是連續(xù)變化的，如圖，通常把附面層的厚度

規(guī)定為：在該處的流速已到達自由流體流速U0

的99%，其中U表示流體的流速。8精選ppt滯流層：因附面層里流體的速度滯慢于其外面的自由流體，在氣體—生長層界面上的反應(yīng)劑濃度和外延生長速率為：9精選ppt在氣體—生長層界面上的反應(yīng)劑濃度和外延生長速9精選ppt4.2.3生長速率討論表面反應(yīng)控制當(dāng)時，化學(xué)反應(yīng)進行得慢，反應(yīng)劑可以充分供給，因此在附面層中反應(yīng)劑濃度幾乎是分布均勻的；外延生長速率主要取決于表面化學(xué)反應(yīng)進行得快慢，所以10精選ppt4.2.3生長速率討論10精選ppt質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制當(dāng)時，在外延層表面上的化學(xué)反應(yīng)進行得相當(dāng)快，凡是轉(zhuǎn)移到表面上的反應(yīng)劑分子瞬間就可以變成硅，因此表面上的反應(yīng)劑幾乎為零，外延生長速率主要取決于反應(yīng)劑由氣相轉(zhuǎn)移到生長表面的快慢，所以11精選ppt質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制11精選ppt4.3影響外延生長速率的因數(shù)反應(yīng)劑濃度:為兼顧結(jié)晶的完美性和其他要求，反應(yīng)劑濃度不宜太大。12精選ppt4.3影響外延生長速率的因數(shù)12精選ppt溫度：B區(qū)高溫區(qū)（常選用），A區(qū)低溫區(qū)

較高溫度下，速率與溫度的關(guān)系不明顯。較低溫度下，速率隨絕對溫度的增加呈指數(shù)急增。13精選ppt溫度：B區(qū)高溫區(qū)（常選用），A區(qū)低溫區(qū)13精選ppt氣體流速:氣體流速大生長加快流量較小時，生長速率與流量的平方根成正比14精選ppt氣體流速:氣體流速大生長加快14精選ppt生長速率還與反應(yīng)腔橫截面形狀和襯底取向有關(guān)：矩形腔的均勻性較圓形腔好。晶面間的共價鍵數(shù)目越多，生長速率越慢。15精選ppt生長速率還與反應(yīng)腔橫截面形狀和襯底取向有關(guān)：矩形腔的均勻性較4.4系統(tǒng)與工藝流程系統(tǒng)示意圖16精選ppt4.4系統(tǒng)與工藝流程16精選ppt工藝流程

a.把干凈的硅片裝入反應(yīng)室2-4minb.N2預(yù)沖洗260L/min4minc.H2預(yù)沖洗260L/min5min（吹入惰性氣體并充入氫氣，如使用低壓外延也需抽真空）d.升溫1850oC5mine.升溫21170oC5min（加熱到氫氣烘烤溫度，以去除氧化層，該步驟能去除50-100埃的二氧化硅層）

17精選ppt工藝流程17精選pptf.HCl腐蝕10L/min10min（刻蝕表面的硅層）g.HCl排空1.3L/min1min（吹氣去除系統(tǒng)中的摻雜劑和HCl）h.冷卻到淀積的溫度，引入硅原料和摻雜劑以淀積所要的薄膜10min

18精選pptf.HCl腐蝕10L/minh.H2沖洗260L/min1min（去除硅原料和摻雜劑）i.降溫6min（冷卻到室溫）

j.N2沖洗3-5min（吹走氫氣）k.取出硅片19精選ppth.H2沖洗260L/m4.5

外延中的摻雜及其雜質(zhì)再分布4.5.1摻雜原理外延層中的雜質(zhì)原子是在外延生長時加入到晶格點陣中去的。因而摻雜的動力學(xué)原理和外延生長相似。最終的雜質(zhì)濃度將涉及反應(yīng)劑和摻雜劑兩者的化學(xué)動力學(xué)性質(zhì)以及溫度，氣流等多種因素。20精選ppt4.5外延中的摻雜及其雜質(zhì)再分布20精選ppt4.5.2摻雜劑氫化物:PH3，AsH3，B2H6氯化物:POCl3，AsCl3

和硅外延生長相似，混合氣氛中的摻雜劑通過擴散向生長表面輸運，在表面附近PH3被分解出游離態(tài)的磷原子，化學(xué)反應(yīng)方程式為析出來的磷原子加入到硅晶體的晶格點陣，并離化成帶正電的施主離子，隨著外延生長的進行繼續(xù)向襯底深處擴散。

21精選ppt4.5.2摻雜劑21精選ppt4.5.3外延過程中的雜質(zhì)再分布摻入外延層中的雜質(zhì)一般與襯底雜質(zhì)不同，即使相同，濃度也不一樣。同型雜質(zhì)異型雜質(zhì)22精選ppt4.5.3外延過程中的雜質(zhì)再分布22精選ppt硅外延工藝在高溫下進行，因此雜質(zhì)的再擴散不可忽視。一方面，由外部摻入到外延層中的雜質(zhì)繼續(xù)向襯底深處擴散；另一方面，襯底中的雜質(zhì)又不斷地向生長著的外延層擴散?？偟臄U散濃度是它們各自擴散的共同結(jié)果。同一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)取正號，相反類型的雜質(zhì)取負號23精選ppt硅外延工藝在高溫下進行，因此雜質(zhì)的再擴散不可忽視。234.6自摻雜效應(yīng)4.6.1自摻雜效應(yīng)及其來源在外延生長期間，襯底雜質(zhì)將不斷擴散并從其表面蒸發(fā)出來，這種蒸發(fā)效應(yīng)主要發(fā)生在生長初期，而后由于外延層的有效阻擋雜質(zhì)將難以逸出，生長速率越慢，雜質(zhì)能逸出表面的有效時間就越長。24精選ppt4.6自摻雜效應(yīng)24精選ppt對于發(fā)生在襯底背面的蒸發(fā)效應(yīng)，由于它與加熱基座直接接觸，溫度較高，蒸發(fā)將更甚，這種蒸發(fā)效應(yīng)在整個淀積過程中都存在，特別在生長的后期，成為主要的蒸發(fā)源。25精選ppt對于發(fā)生在襯底背面的蒸發(fā)效應(yīng)，由于它與加熱基座直接接觸，溫度雜質(zhì)從襯底片正面和背面的蒸發(fā)，不僅發(fā)生在生長期間，而且還發(fā)生在外延層正式開始生長之前的熱處理過程中，如等待升溫，氣流穩(wěn)定期間等，廣義講，這種蒸發(fā)是由于對樣品進行預(yù)烘焙引起的。26精選ppt雜質(zhì)從襯底片正面和背面的蒸發(fā)，不僅發(fā)生在生長期間，而且還發(fā)生如果進行氣相腐蝕，隨著硅的去除，大量的雜質(zhì)被釋放出來，也會使積蓄在附面層里的雜質(zhì)大大增加。這樣從樣品表面蒸發(fā)和腐蝕出來的雜質(zhì)進入氣相中，將起著摻雜劑的作用，重新進入外延層。27精選ppt如果進行氣相腐蝕，隨著硅的去除，大量的雜質(zhì)被釋放出來，也會使除此之外，加熱基座、外延系統(tǒng)和輸入氣體中沾污的雜質(zhì)也會進入外延層中。外延層中的雜質(zhì)除了人為的摻入以外，還存在著襯底和其它雜質(zhì)非人為地摻入，統(tǒng)稱為自摻雜效應(yīng)。28精選ppt除此之外，加熱基座、外延系統(tǒng)和輸入氣體中沾污的雜質(zhì)也會進入外

在外延淀積過程中，摻雜劑從襯底上重摻雜的區(qū)域通過兩種方式進入到正在生長的薄膜中：一方面是由襯底雜質(zhì)的固態(tài)外擴散引起的;另一方面是由上述各種原因引起的氣相自摻雜所致。29精選ppt在外延淀積過程中，摻雜劑從襯底上重摻雜的區(qū)域通過兩種方4.6.2氣相自摻雜摻雜劑從襯底中蒸發(fā)出來，繼而再次合成到正在生長的薄膜中去。氣相自摻雜要求蒸發(fā)出的原子應(yīng)被氣相邊界層所捕獲。在具有埋層結(jié)構(gòu)的襯底上進行外延生長，不僅在埋層的正上方，而且在埋層之外的襯底上方也存在著自摻雜效應(yīng)。通常稱前者為縱向自摻雜，后者為橫向自摻雜。30精選ppt4.6.2氣相自摻雜30精選ppt由于襯底的雜質(zhì)濃度比埋層區(qū)低得多，因此襯底雜質(zhì)的外擴可以忽略。橫向自摻雜主要是由氣相自摻雜引起的。埋層雜質(zhì)從正面的蒸發(fā)是引起其氣相自摻雜的主要原因，這種效應(yīng)主要是發(fā)生在埋層表面被充分覆蓋之前。31精選ppt由于襯底的雜質(zhì)濃度比埋層區(qū)低得多，因此襯底雜質(zhì)的外擴可外擴散和自摻雜可被認為是增加了過渡層（從重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)擴散是優(yōu)勢效應(yīng)，形成一個較寬的過度剖面圖中的A區(qū)。相對于擴散運動來說，快的薄膜生長速率限制了這種效應(yīng)。32精選ppt外擴散和自摻雜可被認為是增加了過渡層32精選ppt然而，過渡區(qū)受到氣相中的摻雜劑的進入作用的控制圖中的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。自摻雜在襯底與外延層交界面處的濃度最大，隨著離開界面距離的增加，濃度逐漸降低。33精選ppt然而，過渡區(qū)受到氣相中的摻雜劑的進入33精選ppt34精選ppt34精選ppt

由于氣相自摻雜，雜質(zhì)分布梯度比僅僅考慮固態(tài)擴散時平坦得多，過渡區(qū)的寬度也大得多，有時甚至起主導(dǎo)作用。這種自摻雜對元件密度高（埋層數(shù)目多）的雙極型大規(guī)模集成電路的薄外延層生長危害很大。35精選ppt由于氣相自摻雜，雜質(zhì)分布梯度比僅僅考35精選ppt4.6.3減少自摻雜的方法1.為避免硼的自摻雜，外延淀積過程應(yīng)在盡可能最低的淀積溫度下進行，這等價于高質(zhì)量的膜和合理的淀積速率（SiH2Cl2可以在比SiCl4低的溫度下淀積）。這只對減少硼的自摻雜有效，因為事實上在較低溫度時砷的自摻雜增加了。36精選ppt4.6.3減少自摻雜的方法36精選ppt2.應(yīng)使用有較低蒸氣壓和低擴散率的襯底和埋層摻雜劑。3.用輕摻雜的硅封住襯底和支架背面4.在降低壓強下操作外延系統(tǒng)以減少橫向自摻雜。由于氣體分子的擴散率在氣壓減少時增加了，使得摻雜原子能迅速到達主氣流并被帶出反應(yīng)室，從而減少橫向自摻雜。只對磷和砷有用，對硼無效。37精選ppt2.應(yīng)使用有較低蒸氣壓和低擴散率的襯底和埋層摻雜劑。37精選5.使用離子注入的埋層以減小襯底表面濃度。6.在HCl刻蝕之后采用一個低溫吹氣的工藝，保證刻蝕時所涉及的摻雜劑被帶出系統(tǒng)。38精選ppt5.使用離子注入的埋層以減小襯底表面濃度。38精選ppt注意外延層的晶體質(zhì)量不應(yīng)該超過襯底的質(zhì)量。因而在硅片預(yù)處理時必須非常小心。外延前硅片的清潔要求從硅片的正面和背面去除顆粒、有機的和無機的沾污。一般地這樣的清潔過程是不夠的，還要求有一個額外的溫度超過1100度的即時的無水HCl的刻蝕來從表面去除剩余的沾污。39精選ppt注意39精選ppt必須小心以避免硅襯底的有效厚度的喪失，因為在高溫時刻蝕的速率很快。如果求較低的溫度（1050），已發(fā)現(xiàn)SF6是即時刻蝕中HCl的合適替代品。40精選ppt必須小心以避免硅襯底的有效厚度的喪失，40精選ppt4.7對VLSI外延淀積的工藝考慮硅的來源淀積溫度（℃）生長速率（微米/分）特點SiCl41150-12500.4-1.5溫度高、選擇性好、膜厚、導(dǎo)致嚴重自摻雜和外擴散SiHCl31100-12000.4-2.0易于還原、淀積溫度高、膜厚，很少用SiH2Cl21000-11000.4-3.0溫度低、外延質(zhì)量好、膜薄、產(chǎn)量大、減少自摻雜和外擴散、缺陷密度低SiH4950-10000.2-0.3溫度低、用于SOS、有氣相淀積問題、無圖形變形、增加清洗次數(shù)、產(chǎn)量低41精選ppt4.7對VLSI外延淀積的工藝考慮硅的來源淀積溫度（℃）生長4.8圖形的移動、變形和沖環(huán)當(dāng)檢查淀積在埋層上的外延層中的臺階圖形時，有時候會發(fā)現(xiàn)它的位置相對于它在埋層中的位置發(fā)生了移動。這些效應(yīng)被分別稱為圖形移動、圖形變形和圖形沖環(huán)。42精選ppt4.8圖形的移動、變形和沖環(huán)42精選ppt這些效應(yīng)取決于基片取向、淀積速率、淀積溫度和硅的原料。晶體取向?qū)D形移動有重要影響。對與<100>取向的硅片，軸的方向上的圖形移動最小，而<111>硅片則在偏離<111>方向20-50、接近<100>方向時，表現(xiàn)出最小的影響。因而通常用于生長<111>取向的外延層的基片有30的偏離。43精選ppt這些效應(yīng)取決于基片取向、淀積速率、淀積溫度和硅的原料。對圖形移動進行研究表明，當(dāng)溫度增加時，移動減小了。對于<111>和<100>方向，淀積速率增加時移動增加。減壓的淀積能大大減少圖形移動。使用SiH4作為硅的來源可消除圖形的移動。Cl2或HCl的存在會誘發(fā)圖形的移動。

44精選ppt對圖形移動進行研究表明，當(dāng)溫度增加時，移動減小了。對于對圖形變形進行研究表明，在<111>和<100>基片上都發(fā)生變形，但在<100>基片上更嚴重些。不像圖形移動時的情況，溫度增加和淀積速率減少會增加圖形變形。另外，使用SiH4作為硅的來源導(dǎo)致了比使用氯基源更多的圖形變形。層厚的增加可以減少變形。45精選ppt對圖形變形進行研究表明，在<111>和<100>基片上

圖形變形和移動之間的決定因素是相反的，必須采用折衷的、經(jīng)驗性的研究結(jié)果來調(diào)整外延工藝以減少變形和移動。46精選ppt圖形變形和移動之間的決定因素是相反的，必須采用折衷的、經(jīng)4.9參數(shù)測量47精選ppt4.9參數(shù)測量47精選ppt4.10外延的用途雙極電路：利用n/n+硅外延，將雙極型高頻功率晶體管制作在n型外延層內(nèi)，n+硅用作機械支撐層和導(dǎo)電層，降低了集電極的串聯(lián)電阻。采用n/p外延片，通過簡單的p型雜質(zhì)隔離擴散，便能實現(xiàn)雙極集成電路元器件間的隔離。外延層和襯底中不同類型的摻雜形成的p--n結(jié)，它不是通過雜質(zhì)補償作用形成的，其雜質(zhì)分布可接近理想的突變結(jié)。48精選ppt4.10外延的用途48精選ppt外延改善NMOS存儲器電路特性:(1)提高器件的擊穿電壓(2)采用低阻上外延高阻層，可降低源、漏n+區(qū)耗盡層寄生電容，并提高器件對襯底中雜散電荷噪聲的抗擾度(3)硅外延片可提供比襯底高的載流子壽命，使半導(dǎo)體存儲器的電荷保持性能提高。49精選ppt外延改善NMOS存儲器電路特性:49精選ppt器件微型化：提高器件的性能和集成度要求按比例縮小器件的橫向和縱向尺寸。其中，外延層厚和摻雜濃度的控制是縱向微細加工的重要組成部分；薄層外延能使p-n結(jié)隔離或氧化物隔離的橫向擴展尺寸大為減小。50精選ppt器件微型化：50精選ppt工藝多樣化：具有相反導(dǎo)電類型的外延層，在器件工藝中可形成結(jié)和隔離區(qū)；薄層外延供器件發(fā)展等平面隔離和高速電路；選擇外延可取代等平面隔離工藝來發(fā)展平面隔離；絕緣襯底上的多層外延工藝可以發(fā)展三維空間電路51精選ppt工藝多樣化：51精選ppt4.11絕緣體上外延硅（SOI）（異質(zhì)外延）SOI是Silion-on-Insulator的縮寫，是一種在硅材料與硅集成電路巨大成功的基礎(chǔ)上出現(xiàn)、有獨特優(yōu)勢、能突破硅材料與硅集成電路限制的新技術(shù)。隨著芯片特征尺寸跨入納米尺度以后，一些問題接踵而來，如電容損耗、漏電流增大、噪聲提升、閂鎖效應(yīng)和短溝道效應(yīng)等。52精選ppt4.11絕緣體上外延硅（SOI）（異質(zhì)外延）52精選p