微电子工艺-PRINT

微电子工艺第3章外延(Epitaxy)1第3章外延3.1概述3.2气相外延3.3分子束外延3.4其它外延3.5外延层缺陷及检测23.1概述3.1.1外延概念在微电子工艺中，外延(epitaxy)是指在单晶衬底上，用物理的或化学的方法，按衬底晶向排列（生长）单晶膜的工艺过程。新排列的晶体称为外延层，有外延层的硅片称为（硅）外延片。外延是在晶体上生长晶体，生长出的晶体的晶向与衬底晶向相同，掺杂类型、电阻率、材料可不同。记为：n/n+-Si，n/p/-Si，GaAs/Si。33.1.1外延概念外延生长时掺入杂质的类型、浓度、材料都可以与衬底不同，增加了芯片工艺的灵活性。多次外延工艺得到多层不同掺杂类型、不同杂质含量、不同厚度，甚至不同材料的外延层。43.1.2外延工艺种类按工艺方法划分：气相外延（VPE)，液相外延(LVP)，固相外延(SPE)，分子束外延（MBE)按材料划分：同质外延和异质外延按温度划分：高温外延(1000℃以上)；低温外延(1000℃以下)；变温外延--先低温下成核，再高温下生长外延层按电阻率高低划分：正外延--低阻衬底上外延高阻层；反外延--高阻衬底上外延低阻层按外延层结构分类:普通外延，选择外延，多层外延其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等53.1.3气相外延工艺成熟，可很好的控制薄膜厚度，杂质浓度和晶格的完整性，在硅工艺中一直占主导地位同质外延又称为均匀外延，是外延层与衬底材料相同的外延。异质外延也称为非均匀外延，外延层与衬底材料不相同，甚至物理结构也与衬底完全不同。GaAs/Si、SOI（SOS）等材料就可通过异质外延工艺获得。异质外延的相容性衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量的溶解现象；衬底与外延层热力学参数相匹配，即热膨胀系数接近。以避免外延层由生长温度冷却至室温时，产生残余热应力，界面位错，甚至外延层破裂;衬底与外延层晶格参数相匹配，即晶体结构，晶格常数接近，以避免晶格参数不匹配引起的外延层与衬底接触的界面晶格缺陷多和应力大的现象。6晶格失配率a外延层晶格参数；a′衬底晶格参数。有热膨胀失配系数和晶格常数失配率。%100''aaaf热失配影响单晶薄膜物理和电学性质晶格失配导致外延膜中缺陷密度非常高73.1.3外延工艺用途优势：1.高的集电结击穿电压2.低的集电极串联电阻8双极型晶体管利用外延技术的pn结隔离是早期双极型集成电路常采用的电隔离方法。P-Si衬底n+埋层n-Si外延层p+隔离墙SiO29pn结隔离3.1.3外延工艺用途将CMOS电路制作在外延层上比制作在体硅抛光片上有以下优点：①避免了闩锁效应；②避免了硅层中SiOx的沉积；③硅表面更光滑，损伤最小。P阱n阱10制作在外延层上的双阱CMOS3.1.3外延工艺用途微波器件需要有突变杂质分布的复杂多层结构衬底材料。可采用多层外延工艺来实现这类衬底材料的制备。SOS／CMOS电路，外延衬底为绝缘的蓝宝石，能有效防止元件间的漏电流，抗辐照闩锁；且结构尺寸比体硅CMOS电路小，因SOS结构不用隔离环，元件制作在硅外延层小岛上，岛与岛之间的隔离距离只要满足光刻工艺精度，就能电隔离，所以元件间的间距很小，电路的集成度也就提高了。113.1.3外延工艺用途3.2气相外延硅气相外延(vaporphaseepitaxy，VPE)，指含Si外延层材料的物质以气相形式输运至衬底，在高温下分解或发生化学反应，在单晶衬底上生长出与衬底取向一致的单晶。VPE与CVD（ChenmicalVaporDeposition，化学汽相淀积）类似，是广义上的CVD工艺。12外延工艺常用的硅源四氯化硅SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也是研究最多的硅源--------主要应用于传统外延工艺三氯硅烷SiHCl3(TCS)，和SiCl4类似但温度有所降低----常规外延生长二氯硅烷SiH2Cl2(DCS)----更低温度，选择外延硅烷SiH4，更适应薄外延层和低温生长要求，得到广泛应用。新硅源：二硅烷Si2H6-----低温外延133.2.1硅的气相外延工艺卧式气相外延设备示意图141、工艺步骤及流程以SiCl4为硅源进行工艺介绍：SiCl4（H2）+H2→Si+4HCl工艺步骤有两个：准备，生长准备阶段：硅片准备和基座去硅处理基座去硅的工艺流程：N2预冲洗→H2预冲洗→升温至850℃→升温至1170℃→HCl排空→HCl腐蚀→H2冲洗→降温→N2冲洗15生长工艺流程：N2预冲洗→H2预冲洗→升温至850℃→升温至1170℃→HCl排空→HCl抛光→H2冲洗附面层→外延生长（通入反应剂及掺杂剂）→H2冲洗1170℃→降温→N2冲洗1、工艺步骤及流程16HCl抛光是将硅基片表面残存的氧化物（SiOx）及晶格不完整的硅腐蚀去掉，露出新鲜和有完整晶格的硅表面，利于硅外延成核，使衬底硅和外延层硅之间键合良好，避免衬底硅表面缺陷向外延层中延伸。硅源SiCl4是液态，装在源瓶中用稀释气体携带进入反应器与反应剂H2在衬底反应，外延硅掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如PH3、B2H6、AsH3等掺杂剂的反应为：B2H6（H2）2B+4H2↑2PH3（H2）2P+5H2↑掺杂剂也用氢气稀释至十~五十倍。171、工艺步骤及流程2、SICL4-H2系统反应方程SiCl2+H2Si+2HCl2SiCl2Si+SiCl418SiCl4+H2↔SiHCl3+HClSiCl4+H2↔SiCl2+2HClSiHCl3+H2↔SiH2Cl2+HClSiHCl3↔SiCl2+HClSiH2Cl2↔SiCl2+H23.2.2气相外延原理19以SiH4热分解为例：SiH4→Si(s)+2H2(g)反应是不可逆的，外延温度一般是650-900℃将外延过程分解为气相质量传递过程和表面外延过程来分析外延机理H2是指硅烷气相输运到达衬底表面这一过程。依据流体动力学原理分析：外延反应室气体压力：常压~低压（133.3Pa)气体是粘滞性的，判据：气体处于层流状态，判据：压力驱动层流状态粘滞性气体的流动应为泊松流流速为抛物线型，基座表面气体流速为零201、气相质量传递过程PdkT22ddvRe临界雷诺数1、气相质量传递过程基座表面边界层示意图21边界层指基座表面垂直于气流方向上，气流速度、反应剂浓度、温度受到扰动的薄气体层SiH4是扩散穿越边界层，SiH4扩散流密度Jg：211vδ∞dydcDJgg0cccdydcgα=3~10°δ2表面外延过程•SiH4表面外延过程实质上包含了吸附、分解、迁移、解吸这几个环节。•Si迁移到达衬底的低能量突出部位--称为结点位置暂时固定下来，被覆盖表面外延过程示意图SiH4=Si+2H2222表面外延过程外延过程表明外延生长是横向进行，在衬底台阶的结点位置发生111晶向外延用硅片，在由晶锭切割制备硅片时，表面实际偏离（111）晶面约3°衬底高温可保证被吸附外延剂的化学反应在表面进行，且利于迁移扩散，规则排列成与衬底晶向一致的外延层，也利于生成物气体分子易于解吸离开。233.2.3外延速率的影响因素1.温度2.硅源3.反应剂浓度4.其它因素241、温度对外延速率的影响生长速率主要由整个外延过程中较慢的一方决定气相质量传递由扩散决定，扩散是温度的缓变函数，气相扩散在较低温度就能实现：表面外延由吸附、反应、迁移、解吸构成，速率主要由化学反应决定，化学反应是一个激活过程，温度升高反应速率呈指数增快：分析表明：低温时表面外延过程是影响外延速率的主要因素；高温时气象质量传递过程是影响外延速率的主要因素258.11TDgdydcDJgg0ckJsskTEsek/a1、温度对外延速率的影响质量传递控制实际外延选此区表面反应控制-1263.2.32、硅源对外延速率的影响含氯体系（Si-Cl-H：SiCl4、SiH2Cl2、SiHCl3）和无氯体系(Si-H：SiH4、Si2H6）硅源不同，外延温度不同外延温度由高到低排序为：SiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH4；外延生长速率正相反273.2.33、反应剂浓度对外延速率的影响SiH4为硅源时，在载气氢中的浓度也存在临界值，超过与温度相关的临界值，SiH4在气相中就将发生分解反应，生成细小硅粒，并淀积到衬底上，得不到单晶硅外延层。SiCl4浓度与生长速率的关系SiCl4摩尔浓度大于0.27出现腐蚀现象28速率、温度对结晶类型的影响-1293.2.34其它影响外延速率的因素衬底晶向：(110)(111)反应室形状气体流速30第四次课问题:什么是外延工艺?异质外延通常衬底和外延层应满足什么条件?简述硅外延机理!影响外延速率的主要因素?是否硅源浓度越高外延速率就越快?313.2.4外延层中的杂质分布掺杂采用原位气相掺杂。杂质掺入效率依赖于：外延生长温度、速率，气流中掺杂剂相对于硅源的摩尔数、反应室几何形状，掺杂剂自身特性。有杂质再分布现象自掺杂效应互扩散效应影响：改变外延层和衬底杂质浓度及分布对p/n或n/p硅外延，改变pn结位置321、自掺杂效应(AUTODOPING)自掺杂效应是指高温外延时，高掺杂衬底的杂质反扩散进入气相边界层，又从边界层扩散掺入外延层的现象。自掺杂效应是气相外延的本征效应，不可能完全避免。33xSEeNxN)(假设1：外延层生长时外延剂中无杂质，杂质来源于自掺杂效应)1()(0xEEeNxN假设2：衬底杂质无逸出（或认为衬底未掺杂）)1()(0xExSEeNeNxN界面杂质叠加的数学表达式为自掺杂外延层杂质浓度分布34“+”对应n/n（p/p）“-”对应p/n（n/p）生长常（指）数ΦΦ(cm-1)由实验确定。与掺杂剂、化学反应、反应系统，及生长过程等因素有关:As比B和P更易蒸发;SiCl4反应过程中的Φ要比SiH4的小;边界层越厚，Φ就越大。352、互扩散效应(OUTDIFFUSION)互（外）扩散效应，指在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的现象。不是本征效应，是杂质的固相扩散带来。若杂质扩散速率远小于外延生长速率，衬底中的杂质向外延层中扩散，或外延层中杂质向衬底中的扩散，都如同在半无限大的固体中的扩散。当衬底和外延层都掺杂时，外延层中最终杂质分布为：tDxerfNtDxerfNxNEESSE212212)(036“+”对应n/n（p/p）“-”对应p/n（n/p）3、综合效果杂质再分布综合效果示意图374、减小杂质再分布效应措施降低外延温度，p-Si采用SiH2Cl2；或SiH4，但这对As的自掺杂是无效。重掺杂的衬底，用轻掺杂的硅来密封其底面和侧面，减少杂质外逸。低压外延可减小自掺杂，这对砷，磷的效果显著，对硼的作用不明显。用离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度。可在埋层或衬底上先生长未掺杂的薄膜来避免衬底中的杂质外逸，再原位掺杂。383.2.5设备立式和桶式外延装置示意图气相外延设备393.2.6外延技术低压外延选择外延SOI技术40基于不同的应用目的，气相外延发展出多样化的外延技术：1、低压外延(LPE)目的：减小自掺杂效应压力：1*103—2*104Pa原因：低压气体扩散速率快，衬底逸出杂质可快速穿过边界层被排除反应室,重新进入外延层机会减小；停止外延时，气体易清除，多层外延时缩小了过渡区，温度影响随压力降低而减小，生长外延层温度下限也降低。问题：易泄漏，对设备要求提高；基座与衬底间温差大；基座、反应室在减压时放出吸附气体；外延生长温度低等，带来外延层晶体完整性受到一定影响。412、选择外延(SEG)•如何实现？根据硅在绝缘体上很难核化成膜的特性，在硅表面的特定区域生长外延层而其它区域不生长