半導(dǎo)體材料分析第五章硅外延生長(zhǎng)

1、半導(dǎo)體材料分析第五章硅外延生長(zhǎng) 2 外延生長(zhǎng)用來(lái)生長(zhǎng)薄層單晶材料，即薄膜外延生長(zhǎng)：在一定條件下，在單晶襯底上，生長(zhǎng)一層合乎要求的單晶層的方法。生長(zhǎng)的這層單晶叫外延層。（厚度為幾微米）3外延生長(zhǎng)分類根據(jù)外延層性質(zhì) 正外延：器件制作在外延層上 反外延：器件制作在襯底上同質(zhì)外延：外延層與襯底同種材料如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP;異質(zhì)外延：外延層與襯底不同材料如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；4根據(jù)外延生長(zhǎng)方法：直接外延間接外延是用加熱、電子轟擊或外加電場(chǎng)等方法使生長(zhǎng)的材料原子獲得能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外延生長(zhǎng).如真空淀積，濺射，升華等是利用化

2、學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積生長(zhǎng)外延層，廣義上稱為化學(xué)氣相淀積（chemical vapor deposition,CVD）CVD生長(zhǎng)的薄膜未必是單晶，所以嚴(yán)格講只有生長(zhǎng)的薄膜是單晶的CVD才是外延生長(zhǎng)。CVD設(shè)備簡(jiǎn)單，生長(zhǎng)參數(shù)容易控制，重復(fù)性好，是目前硅外延生長(zhǎng)的主要方法5根據(jù)向襯底輸運(yùn)外延材料的原子的方法不同真空外延、氣相外延、液相外延 根據(jù)相變過(guò)程氣相外延、液相外延、固相外延、對(duì)于硅外延，應(yīng)用最廣泛的是氣相外延以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定的保護(hù)氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等 液相外延（LPE）法

3、的原理是通過(guò)將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。 6 7對(duì)外延片的質(zhì)量要求：電阻率及其均勻性、厚度及其均勻性、位錯(cuò)和層錯(cuò)密度等。按照反應(yīng)類型可分為氫氣還原法和直接熱分解法。氫還原法，利用氫氣還原產(chǎn)生的硅在基片上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。直接熱分解法，利用熱分解得到Si。521硅外延生長(zhǎng)用的原料8氣相外延法生長(zhǎng)Si半導(dǎo)體膜所用原料氣體、反應(yīng)式、生長(zhǎng)溫度及所屬反應(yīng)類型9各種硅源優(yōu)缺點(diǎn)：SiHCL3,SiCL4 常溫液體，外延生長(zhǎng)溫度高，但是生長(zhǎng)速度快，易純制，使用安全。是較通用的硅源。SiH2CL2,SiH4 常溫氣體， SiH2CL2使用方便，反應(yīng)溫度低,應(yīng)用越來(lái)越廣。SiH4反應(yīng)溫度低，無(wú)腐蝕性氣體，但是

4、會(huì)因漏氣產(chǎn)生外延缺陷。10四部分組成： 氫氣凈化系統(tǒng)、氣體輸運(yùn)及凈化系統(tǒng)、加熱設(shè)備和反應(yīng)室 根據(jù)反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)，由水平式和立式，后者又分為平板式和桶式加熱反應(yīng)器，提高溫度，有利于硅的淀積，加熱方式有高頻感應(yīng)加熱和紅外輻射加熱。 522 硅外延生長(zhǎng)設(shè)備115-2-3 外延工藝順序把干凈的硅片裝入反應(yīng)室吹入惰性氣體并充入氫氣（LPVCD：抽真空）加熱到氫氣烘烤溫度（1200 ）以除去氧化層（該步驟能去除50-100A的SiO2層）a)加熱到HCl刻蝕溫度；b)引入無(wú)水HCl(或SF6)以刻蝕表面的硅層；c)吹氣以除去系統(tǒng)中的雜質(zhì)和HCla)冷卻到沉積溫度；b)引入硅原料和摻雜劑以沉積所要的薄膜；c)

5、吹入氫氣以去除硅原料和摻雜劑冷卻到室溫吹走氫氣并重新充入氮?dú)馊〕龉杵?2原理：SiCl4+2H2 Si+4HCl5-2-4硅外延生長(zhǎng)的基本原理和影響因素以SiCl4為例13生長(zhǎng)過(guò)程：141. SiCl4濃度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響隨著濃度增加,生長(zhǎng)速率先增大后減小.152.溫度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響溫度較低時(shí),生長(zhǎng)速率隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律上升較高溫度區(qū),生長(zhǎng)速率隨溫度變化較平緩.16生長(zhǎng)速率與總氫氣流速的平方根成正比生長(zhǎng)速率 175-2-5硅外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程兩個(gè)模型: 氣-固表面復(fù)相化學(xué)反應(yīng)模型, 氣相均質(zhì)反應(yīng)模型 18邊界層：P110在接近基座表面的流體中出現(xiàn)一個(gè)流體速度受到干擾而變化的薄層，而在薄層外

6、的流速不受影響，稱此薄層為邊界層，也叫附面層，停滯層，滯流層。邊界層厚度與流速平方根成反比氣-固表面復(fù)相化學(xué)反應(yīng)模型19此模型認(rèn)為硅外延生長(zhǎng)包括下列步驟:1.反應(yīng)物氣體混合向反應(yīng)區(qū)輸運(yùn)2.反應(yīng)物穿過(guò)邊界層向襯底表面遷移3.反應(yīng)物分子被吸附在高溫襯底表面上4.在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成生長(zhǎng)晶體的原子和氣體副產(chǎn)物，原子進(jìn)入晶格格點(diǎn)位置形成晶格點(diǎn)陣，實(shí)現(xiàn)晶體生長(zhǎng)5.副產(chǎn)物氣體從表面脫附并穿過(guò)邊界層向主氣流中擴(kuò)散6.氣體副產(chǎn)物和未反應(yīng)的反應(yīng)物，離開反應(yīng)區(qū)被排出系統(tǒng)20 氣相均質(zhì)反應(yīng)模型 這個(gè)模型認(rèn)為： 外延生長(zhǎng)反應(yīng)不是在固氣界面上，而是在距襯底表面幾微米的空間中發(fā)生。反應(yīng)生成的原子或原子團(tuán)再轉(zhuǎn)移到襯

7、底表面上完成晶體生長(zhǎng)。2153硅外延層電阻率的控制不同器件對(duì)外延層的電參數(shù)要求是不同的，這就需要在外延生長(zhǎng)過(guò)程中，精確控制外延層中的雜質(zhì)濃度和分布來(lái)解決22531外延層中的雜質(zhì)及摻雜1.外延層中的雜質(zhì) 外延層中雜質(zhì)來(lái)源很多，總的載流子濃度N總可以表示為：N總N襯底N氣N鄰片N擴(kuò)散N基座N系統(tǒng)N襯底：襯底中揮發(fā)出來(lái)的雜質(zhì)摻入外延層中的雜質(zhì)濃度分量N氣：外延層中來(lái)自混合氣體的雜質(zhì)濃度分量N鄰片：外延層中來(lái)自相鄰襯底的雜質(zhì)濃度分量N擴(kuò)散：襯底中雜質(zhì)經(jīng)固相擴(kuò)散進(jìn)入外延層的雜質(zhì)濃度分量N基座：來(lái)自基座的雜質(zhì)濃度分量N系統(tǒng)：除上述因素外整個(gè)生長(zhǎng)系統(tǒng)引入的雜質(zhì)濃度分量23N氣，N基座，N系統(tǒng)，雜質(zhì)不是來(lái)源襯

8、底片，因此稱為外摻雜N擴(kuò)散，N襯底，N鄰片的雜質(zhì)來(lái)源于襯底片，通稱為自摻雜2.外延生長(zhǎng)的摻雜外延用PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3做N型摻雜劑，用BCL3,BBr3，B2H6做P型摻雜劑245-3-2外延中雜質(zhì)的再分布外延層中含有和襯底中的雜質(zhì)不同類型的雜質(zhì)，或者是同一種類型的雜質(zhì)，但是其濃度不同。通常希望外延層和襯底之間界面處的摻雜濃度梯度很陡，但是由于高溫下進(jìn)行外延生長(zhǎng)，襯底中的雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入外延層，使得外延層和襯底處的雜質(zhì)濃度變平25注意：外延層的實(shí)際界面外延層中雜質(zhì)分布是兩者的總和襯底擴(kuò)散造成的雜質(zhì)分布外部摻入的雜質(zhì)濃度分布26533外延層生長(zhǎng)中的自摻雜自摻雜效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)進(jìn)

9、入氣相中再摻入外延層抑制自摻雜的途徑： 一：減少雜質(zhì)由襯底逸出 1.使用蒸發(fā)速度較小的雜質(zhì)做襯底和埋層中的雜質(zhì) 2.外延生長(zhǎng)前高溫加熱襯底，使硅襯底表面附近形成一雜質(zhì)耗盡層，再外延時(shí)雜質(zhì)逸出速度減少可降低自摻雜 3.采用背面封閉技術(shù)，即將背面預(yù)先生長(zhǎng)高純SiO2或多晶硅封閉后再外延，可抑制背面雜質(zhì)的蒸發(fā)而降低自摻雜。 27二：采用減壓生長(zhǎng)技術(shù)使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)盡量不再進(jìn)入外延層一般在1032104Pa的壓力下進(jìn)行。 4.采用低溫外延技術(shù)和不含有鹵原子的硅源。 5.采用二段外延生長(zhǎng)技術(shù) 即先生長(zhǎng)一段很短時(shí)間的外延層，然后停止供源，只通氫氣驅(qū)除貯存在停滯層中的雜質(zhì)，再開始生長(zhǎng)第二段外延層，直到

10、達(dá)到預(yù)定厚度28534外延層的夾層外延層的夾層指的是外延層和襯底界面附近出現(xiàn)的高阻層或反型層。分為兩種類型： 一是在檢測(cè)時(shí)導(dǎo)電類型混亂，擊穿圖形異常，用染色法觀察界面不清晰 二是導(dǎo)電類型異常，染色觀察會(huì)看到一條清晰的帶29外延層產(chǎn)生的原因也有兩種：第一種夾層情況認(rèn)為P型雜質(zhì)沾污，造成N型外延層被高度補(bǔ)償 解決辦法：P型雜質(zhì)主要來(lái)源于SiCL4，只要提高SiCL4的純度及做好外延前的清潔處理就可以解決。 第二種情況是由于襯底引起的 當(dāng)襯底中硼的含量大于31016cm3時(shí)，外延層中就容易出現(xiàn)夾層。這是由于高溫時(shí)硼擴(kuò)散的比銻快，結(jié)果使得硼擴(kuò)散到外延層中補(bǔ)償了N型雜質(zhì)，形成了一個(gè)高阻層或反型層。 解決

11、辦法：一是提高重?fù)诫s單晶質(zhì)量；二是在工藝中防止引入P型雜質(zhì)，降低單晶中B的含量；三是在外延生長(zhǎng)時(shí)可以先長(zhǎng)一層N型低阻層作為過(guò)渡層，控制夾層。 3054 硅外延層的缺陷分類： 一：表面缺陷，也叫宏觀缺陷 如云霧，劃道，亮點(diǎn)，塌邊，角錐，滑移線等 二：內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷，也叫微觀缺陷 如層錯(cuò)，位錯(cuò)31541外延片的表面缺陷云霧狀表面 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。角錐體：又稱三角錐或乳突。形狀像沙丘，用肉眼可以看到。32霧狀表面缺陷霧圈 白霧 殘跡 花霧霧圈 白霧 殘跡 花霧33角錐體34亮點(diǎn)：外形為烏黑發(fā)亮的小圓

12、點(diǎn)塌邊：又叫取向平面，它是外延生長(zhǎng)后在片子邊緣部分比中間部分低形成一圈或一部分寬12mm左右的斜平面。 形成原因：襯底加工時(shí)造成片邊磨損偏離襯底片晶向。35劃痕：由機(jī)械損傷引起星形線（滑移線）：36542外延層的內(nèi)部缺陷層錯(cuò) 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)位錯(cuò) 外延層中的位錯(cuò)主要是由于原襯底位錯(cuò)延伸引入的 另外可能是由于摻雜和異質(zhì)外延時(shí)，由于異類原子半徑的差異或兩種材料晶格參數(shù)差異引入內(nèi)應(yīng)力。例如在Si中摻B,P,它們的半徑比Si小，它們占據(jù)硅的位置時(shí)，Si的點(diǎn)陣會(huì)發(fā)生收縮；當(dāng)摻入AL,Sb等比Si半徑大的原子時(shí)，Si點(diǎn)陣會(huì)發(fā)生擴(kuò)張。也就是產(chǎn)生晶格點(diǎn)陣的失配。37晶格點(diǎn)

13、陣的失配會(huì)使外延片呈現(xiàn)彎曲。當(dāng)彎曲程度超過(guò)彈性范圍，為緩和內(nèi)應(yīng)力就會(huì)出現(xiàn)位錯(cuò)，稱之為失配位錯(cuò)。為了消除應(yīng)力，采用應(yīng)力補(bǔ)償法，即在外延或擴(kuò)散時(shí)，同時(shí)引入兩種雜質(zhì)，使它們產(chǎn)生的應(yīng)變正好相反。當(dāng)兩種雜質(zhì)原子摻入的比例適當(dāng)時(shí)，可以使應(yīng)力相互得到補(bǔ)償，減少或避免晶格畸變。從而消除失配位錯(cuò)的產(chǎn)生。這種方法稱為“雙摻雜技術(shù)”。385-5硅的異質(zhì)外延在藍(lán)寶石、尖晶石襯底上進(jìn)行硅的SOS外延生長(zhǎng)和在絕緣襯底上進(jìn)行硅的SOI異質(zhì)外延。SOS :Silicon on Sapphire Silicon on Spinel 在單晶絕緣襯底藍(lán)寶石（AI2O3）或尖晶石(MgO. AI2O3)上外延生長(zhǎng)硅 SOI: Sil

14、icon on Insulator Semiconductor On insulator39551 SOS 技術(shù)藍(lán)寶石和尖晶石是良好的絕緣體，以它們作為襯底外延生長(zhǎng)硅制作集成電路，可以消除集成電路元器件之間的相互作用，不但可以減少漏電流和寄生電容，增強(qiáng)抗輻射能力和降低功耗，還可以提高集成度和雙層布線，是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的理想材料。401.襯底的選擇選擇異質(zhì)外延襯底材料時(shí)，需要考慮的因素：1.考慮外延層和襯底材料之間的相容性。包括晶體結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)，蒸汽壓、熱膨脹系數(shù)等。2.考慮襯底對(duì)外延層的沾污問(wèn)題。 目前最適合硅外延的異質(zhì)襯底是藍(lán)寶石和尖晶石。當(dāng)前工業(yè)生產(chǎn)上廣泛使用藍(lán)寶石做襯底。41外延

15、生長(zhǎng)存在問(wèn)題：自摻雜效應(yīng) 襯底表面的反應(yīng)：AL2O3+2HCL+H2=2ALCL+3H2O 鋁的低價(jià)氯化物為氣體，它使襯底被腐蝕，導(dǎo)致外延層產(chǎn)生缺陷。氫氣和淀積的硅也會(huì)腐蝕襯底 2H2+AL2O3=AL2O+2H2O 5Si2AL2O3=AL2O5SiO+2ALSiCL4對(duì)襯底的腐蝕大于SiH4,所以SOS外延生長(zhǎng)，采用SiH4熱分解法更有利。在襯底尚未被Si完全覆蓋之前，上述腐蝕反應(yīng)都在進(jìn)行為了解決生長(zhǎng)和腐蝕的矛盾，可采用雙速率生長(zhǎng)和兩步外延等外延生長(zhǎng)方法。42雙速率生長(zhǎng)：先用高的生長(zhǎng)速率(12um/min),迅速將襯底表面覆蓋(生長(zhǎng)100200nm)。然后再以低的生長(zhǎng)速率(約0.3um/m

16、in)長(zhǎng)到所需求的厚度。 兩步外延法是綜合利用SiH4/H2和SiCI4/H2兩個(gè)體系的優(yōu)點(diǎn)。即第一部用SiH4/H2體系迅速覆蓋襯底表面，然后第二步再用SiCI4/H2體系接著生長(zhǎng)到所要求的厚度。43SOS 技術(shù)的缺點(diǎn)及需要解決的問(wèn)題缺點(diǎn)：1）由于晶格失配（尖晶石為立方結(jié)構(gòu)，藍(lán)寶石為六角晶系）問(wèn)題和自摻雜效應(yīng)，外延質(zhì)量缺陷多，但厚度增加，缺陷減小。2）成本高，一般作低功耗器件，近來(lái)用SOI代替，可降低成本。需要解決的問(wèn)題:提高SOS外延層的晶體完整性,降低自摻雜,使其性能接近同質(zhì)硅外延層的水平并且有良好的熱穩(wěn)定性445-5-2 SOI技術(shù)SOI技術(shù)是IBM公司首先開發(fā)成功的芯片制造技術(shù)在19

17、98年研制成功， 于2000年正式應(yīng)用于其PowerPC RS64IV芯片上的半導(dǎo)體制造技術(shù)。 SOI硅絕緣技術(shù)是指在半導(dǎo)體的絕緣層（如二氧化硅）上，通過(guò)特殊 工藝，再附著非常薄的一層硅，在這層SOI層之上再制造電子設(shè)備。 此工藝可以使晶體管的充放電速度大大加快，提高數(shù)字電路的開關(guān) 速度。SOI與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體生產(chǎn)工藝（一般稱為bulk CMOS）相比可使CPU的性能提高性能25%-35%，降低功耗倍。SOI：Silicon On Insulator 絕緣體上的硅45體硅CMOS技術(shù)46SOI(Silicon-On-Insulator: 絕緣襯底上的硅)技術(shù)47低壓SOI器件體硅SOI雙柵SOI

18、48SOI的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是在有源層和襯底層之間插入埋氧層來(lái)隔斷二者的電連接。 SOI和體硅在電路結(jié)構(gòu)上的主要差別在于：硅基器件或電路制作在外延層上，器件和襯底直接產(chǎn)生電連接，高低壓?jiǎn)卧g、有源層和襯底層之間的隔離通過(guò)反偏PN結(jié)完成，而SOI電路的有源層、襯底、高低壓?jiǎn)卧g都通過(guò)絕緣層完全隔開，各部分的電氣連接被完全消除。 49為其帶來(lái)了寄生效應(yīng)小、速度快、功耗低、集成度高、抗輻射能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)。SOI的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和相同條件下的體硅電路相比，SOI電路的速度可提高25-35%，功耗可下降2/350SOI技術(shù)的挑戰(zhàn)1、SOI材料是SOI技術(shù)的基礎(chǔ)SOI技術(shù)發(fā)展有賴于SOI材料的不斷進(jìn)步，材料是SO

19、I技術(shù)發(fā)展的主要障礙之一這個(gè)障礙目前正被逐漸清除SOI材料制備目前最常用的方法： SDB SIMOX Smart-Cut ELTRAN51SDB (Silicon Direct Bonding)直接鍵合技術(shù)SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔離Smart Cut智能切割ELTRAN (Epoxy Layer Transfer)外延層轉(zhuǎn)移52 SDB(Silicon Direct Bonding)直接鍵合技術(shù)，是采用鍵合技術(shù)形成SOI結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)之一。 將兩片硅片通過(guò)表面的SiO2層鍵合在一起,再把背面用腐蝕等方法減薄來(lái)獲得SOI結(jié)構(gòu)53 當(dāng)兩

20、個(gè)平坦的具有親水性表面的硅片（如被氧化的硅片）相對(duì)放置在一起時(shí)，即使在室溫下亦回自然的發(fā)生鍵合。親水性是指材料表面與水分子之間有較強(qiáng)的親和力.通常表現(xiàn)為潔凈固體表面能被水所潤(rùn)濕通常認(rèn)為，鍵合是由吸附在兩個(gè)硅片表面上的OH-在范德瓦爾斯力作用下相互吸引所引起的在室溫下實(shí)現(xiàn)的鍵合通常不牢固，所以鍵合后還要進(jìn)行退火，鍵合的強(qiáng)度隨退火溫度的升高而增加。 鍵合后采用機(jī)械研磨或化學(xué)拋光的方法，將器件層的硅片減薄到預(yù)定厚度。 54鍵合(Bonded)技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)：硅膜質(zhì)量高埋氧厚度和硅膜厚度可以隨意調(diào)整適合于大功率器件及MEMS技術(shù)硅膜減薄一直是制約該技術(shù)發(fā)展的重要障礙鍵合要用兩片體硅片制成一片SOI襯底，成

21、本至少是體硅的兩倍5556SDB57SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔離，是通過(guò)氧離子注入到硅片，再經(jīng)高溫退火過(guò)程消除注入缺陷而成. 58O2O259 采用SIMOX技術(shù)制備的硅膜均勻性較好，調(diào)整氧離子注入劑量可使厚度控制在50400nm的范圍。但由于需要昂貴的高能大束流離子注入機(jī)，還要經(jīng)過(guò)高溫退火過(guò)程，所以制備成本很高，價(jià)格非常貴。 采用SIMOX技術(shù)制備的頂層硅膜通常較薄，為此，人們采用在SIMOX基片上外延的方法來(lái)獲得較厚的頂層硅，即所謂的ESIMOX（Epoxy SIMOX）技術(shù)。但是厚外延將在硅膜中引起較多的缺陷，因此SIMOX技術(shù)

22、通常用于制備薄硅膜、薄埋氧層的SOI材料。 6061各層性能20世紀(jì)90年代今后上層Si的均勻性/埃10025SiO2埋層厚度/um0.30.50.050.5SiO2埋層的均勻性3%1%平均缺陷密度/cm-2105104103102樣品表面的粒子數(shù)注入后/cm-2(粒子大小)0.750.016退火后/cm-2(粒子大小)0.0160.016SIMOX材料現(xiàn)在的水平和今后的需要62SIMOX材料：最新趨勢(shì)是采用較小的氧注入劑量顯著改善頂部硅層的質(zhì)量降低SIMOX材料的成本低注入劑量( 41017/cm2)的埋氧厚度?。?001000退火溫度高于1300，制備大面積(300mm)SIMOX材料困難63 Smart Cut智能切割兼具有SDB和SIMOX的特點(diǎn)，工藝流程包括熱氧化、注氫、低溫鍵合、熱處理剝離、精密拋光等。這種方法制得的硅片頂部硅膜的均勻性相當(dāng)好，單片厚度偏差和片