微电子工艺课件第七章.ppt

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1,第七章外延,外延：

是指在单晶衬底（如硅片）上，按衬底晶向生长单晶薄膜的工艺过程。

生长有外延层的硅片称为外延片。

同质外延：

生长的外延层和衬底是同一种材料。

异质外延：

外延生长的薄膜与衬底材料不同，或者生长化学组分、物理结构与衬底完全不同的外延层，如SOS技术。

（在蓝宝石或尖晶石上生长硅）根据向衬底输送原子的方式，外延生长分为三种类型：

气相外延（VPE）、液相外延（LPE）和固相外延（SPE）。

在硅工艺中主要采用气相外延技术，能够很好地控制外延层厚度、杂质浓度、晶体完整性。

缺点是必须在高温下进行，加重了扩散效应和自掺杂效应，影响对外延层掺杂的控制。

基本概念,2,如图所示，CMOS器件是做在很薄的轻掺杂p型的外延层上。

与做在体硅上相比，在外延层上制做的CMOS器件有很好的电介质完整性和很小的漏电流。

外延工艺在CMOS集成电路中的应用,3,7.1硅气相外延的基本原理7.2外延层中的杂质分布7.3低压外延7.4选择外延7.5硅烷热分解法外延7.6SOS技术7.7分子束外延7.8层错、图形漂移及利用层错法测量厚度7.9外延层厚度和电阻率的测量,目录,4,7.1硅气相外延的基本原理,目前生长硅外延层主要有四种源：

四氯化硅（SiCl4）：

早期的集成电路一般采用SiCl4源，使用SiCl4生长外延层需要很高的温度，不适应现今集成电路工艺的要求，目前主要应用在传统的外延工艺中。

三氯硅烷（SiHCl3，TCS）：

SiHCl3与SiCl4特性相似，但SiHCl3源可以在较低的温度下进行外延，且生长速率较高，可用于生长厚外延层。

二氯硅烷（SiH2Cl2，DCS）：

SiH2Cl2广泛应用于在更低温度下生长高质量薄外延层，外延层的缺陷密度低，是选择外延常用的一种硅源。

硅烷（SiH4）：

可在低于900度的温度下生长很薄的外延层，而且可得到高淀积率。

7.1.1硅源,5,7.1.2外延薄膜的生长模型,同质外延层是生长在完整晶体的某个晶面上，晶面的构造特征描述为：

平台、扭转、台阶，是在切割硅片偏离了晶向产生的，这样的表面称为近晶面。

6,1反应剂被生长的表面吸附。

2发生化学反应，生成硅和副产物，副产物立即排出，硅原子始终保持被表面吸附的状态，称为吸附原子。

一、外延生长过程,3二维层状生长过程（晶格匹配体系）如果一个吸附硅原子处于平台上的A位置，有几种可能发生：

如果吸附原子A保持不动，其他硅原子可以被吸附过来，形成硅串或硅岛。

大量的硅串在合并时，必定会产生严重的缺陷或形成多晶薄膜。

7,如果吸附原子具有比较高的能量，那么这个原子更倾向于沿着表面迁移，如果迁移到一个台阶边缘的位置，如图B位置，由于Si-Si键的相互作用，位置B比位置A更稳定，吸附原子就有很大的可能性保持在此位置。

吸附原子最稳定的位置是所谓的扭转位置（kinkposition），如图中的位置C。

当吸附原子到达一个扭转位置时，形成了一半的Si-Si键，进一步的迁移就不太可能发生了。

在继续生长过程中，更多的吸附原子必定会迁移到扭转位置，从而加入到生长的薄膜中。

8,薄膜生长是依靠晶体表面台阶的横向运动进行的，即为二维层状生长模型。

高质量的外延生长需要非常清洁的硅表面。

因为外延是横向生长的，晶体表面的杂质会阻碍生长，进而在薄膜上产生层错或位错缺陷。

9,在高生长速率的情况下，吸附原子没有足够的时间迁移到扭转点，会形成多晶；随温度升高，硅原子表面迁移率增强，在与其他吸附原子形成硅串之前就已经到达了扭转点。

在固定淀积温度下，存在一个最大淀积率。

超过最大淀积率，会生成多晶薄膜；低于最大淀积率，生成单晶外延层。

高温低生长速率时，易生长单晶；而低温高生长率易生成多晶。

二、最大淀积率,如果吸附原子的迁移过程受到抑制，就有可能生成多晶薄膜，与淀积速率和温度有关。

10,维持单晶生长的最大淀积率随温度指数上升，如图，可求出激活能为5eV。

5eV的激活能相当于硅的自扩散激活能。

由此，我们可以说单晶外延生长与硅自扩散的机制是相同的。

11,7.1.3化学反应过程,生长硅外延层的硅源有很多种，研究发现每种源的反应过程都存在很多中间产物。

以SiCl4为例，总反应：

发现反应室有四种物质存在：

SiCl4，SiHCl3，SiH2Cl2和HCl。

中间反应：

以上反应均为气相反应，产物SiCl2吸附于衬底表面生成固态Si原子。

12,如图所示，SiCl4浓度随水平距离的增加而减小，其他三种成份浓度随离入气口的水平距离增加而上升。

相比之下，用SiCl4作为硅源生长外延层的激活能（1.6-1.7eV）最高，SiHCl3（0.8-1.0eV）和SiH2Cl2（0.3-0.6eV）的激活能依次减小。

反应都是先形成SiCl2，最终生成硅。

SiCl2被认为是气相外延中的最主要反应剂。

13,所有的反应都是可逆的，在适当的热力学条件下，反应可以逆向进行。

硅也会在氯硅烷环境中被腐蚀掉。

下图给出的是SiCl4氢还原法外延过程中生长速率与温度的关系。

腐蚀在高温和低温时发生，而外延生长只有在中间温度才会发生。

14,7.1.4生长速率与温度之间的关系,如图是采用不同的硅源时，外延层生长速率与温度的关系。

生长速率与硅源有关，相同温度下，生长速率从高到低为：

SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。

存在两个生长区域：

（Grove模型）高温区（B区）：

生长速率对温度变化不敏感。

生长速率由气相质量输运控制，与携带气体中所含反应剂的分压近似成线性关系。

随着温度上升，生长速率略有增加，是因为气相中反应剂的扩散能力随温度上升有微弱增加。

15,低温区（A区）：

生长速率对温度的变化非常敏感。

生长速率是由表面化学反应控制，化学反应激活能约为1.5eV，与所使用的硅源无关，说明控制反应速率的机制相同。

研究认为限制机制是反应表面对氢的解吸。

氢占据硅表面位置，如果不被排除，会阻止新的硅原子加入到生长薄膜中。

实际外延温度是选在高温区（B区）：

在高温区外延，表面Si原子有足够的能量和迁移能力，运动到扭转的位置，易生成单晶。

生长速率一般为1m/min。

16,7.1.5生长速率与反应剂浓度的关系,如下图所示。

SiCl4氢还原法外延过程中，生长速率主要受两个过程控制：

氢还原SiCl4析出硅原子过程；硅原子在衬底上生成单晶层的过程。

速度中较慢的一个将决定外延生长速率。

当SiCl4浓度较小时，SiCl4被氢还原析出硅原子的速度远小于Si原子在衬底上生成单晶的速度，因此化学反应速度控制着外延层的生长速率。

SiCl4浓度增加时，化学反应速度加快，生长速率提高。

17,当SiCl4浓度大到一定程度时，化学反应释放硅原子速度大于硅原子在衬底表面的排列生长速度，此时生长速率受硅原子在衬底表面排列生长的速度控制。

进一步增大SiCl4浓度，也就是当y值达到0.1时，生长速率就开始减小。

当SiCl4的浓度增长到0.27时，逆向反应发生，硅被腐蚀。

当氢气中摩尔分数大于0.28时，只存在腐蚀反应。

典型生长速率为1m/min，如图所示。

18,7.1.6生长速率与气体流速的关系,SiCl4氢还原法外延温度一般在1200度左右的高温下，到达衬底表面的反应剂会立即发生反应，薄膜生长速率受反应剂以扩散方式穿越边界层的质量输运过程控制，外延层生长速率与边界层厚度成反比。

气体流速越大，边界层越薄，外延层生长速率越快。

当气体流量大到一定程度时，外延层生长速率基本不随气体流量增大而加快，这时的生长速率则由化学反应速率所决定。

19,7.1.7衬底晶向对生长速率的影响,衬底表面的取向对外延生长速率也有一定的影响。

不同晶面的键密度不同，键合能力就存在差别，因而对生长速率就会产生一定的影响。

硅的（111）晶面的双层原子面之间的共价键密度最小，键合能力差，故外延层生长速率就慢。

（110）晶面之间的原子键密度大，键合能力强，外延层生长速率就相对地快。

20,7.2外延层中的杂质分布,外延工艺不仅要求外延层具有完美的晶体结构，还要求：

精确控制外延层掺杂浓度；外延层与衬底之间具有突变型的杂质分布；SiCl4氢还原法的外延温度高；衬底中杂质蒸发，改变了气相中的杂质成份和浓度；衬底中杂质与外延层中杂质互扩散，使界面处杂质分布变缓。

21,7.2.1掺杂原理,原位掺杂：

杂质原子是在外延生长过程中掺入到外延层晶格中的。

杂质的淀积也存在质量输运和表面化学反应控制两个区域，杂质源使外延生长过程变得更为复杂。

掺杂剂：

B2H6，PH3，AsH3，稀释后与生长外延层的反应剂一同输送到反应室。

右图是几种掺杂剂的掺入效率与生长温度的关系。

硅的生长速率保持恒定时，硼的掺入量随生长温度上升而增加，而磷和砷却随温度上升而下降。

实际掺杂效率还与掺杂剂的类型和浓度、外延层的生长速率、衬底的取向等因素有关。

22,7.2.2扩散效应,扩散效应：

衬底中的杂质与外延层中的杂质，在外延生长时互相扩散，引起衬底与外延层界面附近的杂质浓度缓慢变化。

如右图所示。

当杂质的扩散速度远小于外延层的生长速度时，外延层中的杂质浓度分布由下式给出：

式中“+”和“-”分别对应n/n+（p/p+）和p/n+（n/p+）型外延片。

23,7.2.3自掺杂效应,自掺杂效应：

在外延生长过程中，衬底或外延层中的杂质进入边界层中，改变了边界层的掺杂成份和浓度，导致外延层中杂质的实际分布偏离理想情况。

在掺杂衬底上生长掺杂外延层时，因为自掺杂效应，外延层中的杂质浓度分布为：

式中Cs为衬底中均匀分布的杂质浓度，Ceo为无限厚处外延层的杂质浓度。

“+”和“-”分别对应n/n+（p/p+）和p/n+（n/p+）型外延片。

24,在重掺杂衬底上生长含有相同导电类型的轻掺杂外延层时，杂质浓度分布右图中（a）所示。

由图可以看到，杂质浓度的突变型分布是不能实现的。

在轻掺杂衬底上，生长不同导电类型的重掺杂外延层，杂质分布情况如图中（b）所示。

由图可见，在外延过程中由于自掺杂效应的影响，引起pn结位置的移动。

25,一、同时考虑扩散效应和自掺杂效应的杂质浓度分布,同时考虑扩散效应和自掺杂效应，在重掺杂衬底上生长轻掺杂外延层时，衬底与外延层之间过渡区的杂质分布如右图。

紧靠近衬底的外延层（A区），掺杂浓度高，这是因为在外延生长过程中掺杂剂从衬底扩散到外延层中。

与扩散速度相比外延生长速度要大得多，因此很快就抑制了这种影响。

B区是自掺杂效应对过渡区的影响。

当外延层生长一定厚度时，自掺杂效应影响也降低，外延层中杂质浓度达到期望值。

26,

（1）为了减小B的自掺杂，在保证外延质量和速度的前提下，尽量降低外延生长温度；但对于As杂质无效，As的自掺杂程度随着温度的降低而增强。

（2）对于n型衬底，应该使用蒸气压低并且扩散速率也低的杂质作为埋层杂质。

如用Sb替代高蒸气压的As和高扩散速率的P。

（3）对于重掺杂的衬底，需要使用轻掺杂的硅来密封重掺杂衬底的底面和侧面，进而减少杂质的外逸。

（4）为了减小自掺杂，外延系统应当工作在低压条件下，此时气态杂质原子的扩散速率高，由衬底逸出的大部分杂质被主气流带出反应室。

对As和P的效果显著，而对B的作用不明显。

二、减小自掺杂效应影响的方法,27,（5）可以使用经过离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度。

（6）可以在埋层或者衬底上先生长未掺杂的薄膜来避免衬底中的杂质外逸，之后再进行原位掺杂。

（7）应当避免在高温下采用HCl对衬底进行腐蚀，或者在腐蚀之后使用低温气流除去因腐蚀外逸的杂质。

28,7.3低压外延,为了减小自掺杂效应，发展了低压外延工艺。

低压外延的压力一般在11032104Pa之间。

在低压情况下，杂质的扩散速度加快，由衬底逸出的杂质能快速穿越边界层而被排除到反应室，从而降低了自掺杂效应对外延层中杂质浓度和分布的影响，可以得到陡峭的杂质分布。

当压力变低时，边界层厚度增加，似乎会延长杂质穿越边界层的时间，但比较而言，扩散速度加快的影响是主要的，虽然边界层增厚，但杂质穿过边界层进入主气流所需时间同常压外延相比，还是大大缩短了。

29,7.4选择性外延（SEG,SelectiveEpitaxialGrow