微電子工藝學(xué)：第五章 薄膜淀積與外延技術(shù)

1、微電子工藝學(xué)Microelectronic Processing第五章 薄膜淀積與外延技術(shù)超薄膜: 10nm薄膜: 50nm10mm典型薄膜: 50nm 1mm厚膜: 10mm 100mm單晶薄膜多晶薄膜無(wú)序薄膜5.1 概述采用一定方法，使處于某種狀態(tài)的一種或幾種物質(zhì)（原材料)的基團(tuán)以物理或化學(xué)方式附著于襯底材料表面，在襯底材料表面形成一層新的物質(zhì)，這層新物質(zhì)就是薄膜。薄膜分類 （1）物態(tài)（2）結(jié)晶態(tài)： （3）化學(xué)角度 5.1 概述（4）組成 （5）物性 厚度，決定薄膜性能、質(zhì)量通常，膜厚 ks，則CsCG,這種情況為表面反應(yīng)控制過(guò)程有2、如果hGks，則CS0，這是質(zhì)量傳輸控制過(guò)程有 質(zhì)量輸

2、運(yùn)控制，對(duì)溫度不敏感5.2 化學(xué)氣相沉積表面（反應(yīng)）控制，對(duì)溫度特別敏感 T對(duì)ks的影響較hG大許多，因此： hGks表面控制過(guò)程在較低溫度出現(xiàn)生長(zhǎng)速率和溫度的關(guān)系硅外延：Ea=1.6 eV斜率與激活能Ea成正比hGconstant5.2 化學(xué)氣相沉積以硅外延為例（1 atm，APCVD）hG 常數(shù)Ea 值相同硅淀積往往是在高溫下進(jìn)行，以確保所有硅原子淀積時(shí)排列整齊，形成單晶層。為質(zhì)量輸運(yùn)控制過(guò)程。此時(shí)對(duì)溫度控制要求不是很高，但是對(duì)氣流要求高。多晶硅生長(zhǎng)是在低溫進(jìn)行，是表面反應(yīng)控制，對(duì)溫度要求控制精度高。5.2 化學(xué)氣相沉積當(dāng)工作在高溫區(qū),質(zhì)量控制為主導(dǎo)，hG是常數(shù)，此時(shí)反應(yīng)氣體通過(guò)邊界層的擴(kuò)

3、散很重要，即反應(yīng)腔的設(shè)計(jì)和晶片如何放置顯得很重要。記住關(guān)鍵兩點(diǎn)：ks 控制的淀積主要和溫度有關(guān)hG 控制的淀積主要和反應(yīng)腔體幾何形狀有關(guān)5.2 化學(xué)氣相沉積單晶硅淀積要采用圖中的臥式反應(yīng)設(shè)備，放置硅片的石墨舟為什么要有傾斜? 5.2 化學(xué)氣相沉積這里界面層厚度s是x方向平板長(zhǎng)度的函數(shù)。隨著x的增加，s(x)增加，hG下降。如果淀積受質(zhì)量傳輸控制，則淀積速度會(huì)下降沿支座方向反應(yīng)氣體濃度的減少, 同樣導(dǎo)致淀積速度會(huì)下降為氣體粘度為氣體密度U為氣體速度5.2 化學(xué)氣相沉積因此，支座傾斜可以促使s(x)沿x變化減小原理：由于支座傾斜后，氣流的流過(guò)的截面積下降，導(dǎo)致氣流速度的增加，進(jìn)而導(dǎo)致s(x)沿x減

4、小和hG的增加。從而用加大hG的方法來(lái)補(bǔ)償沿支座長(zhǎng)度方向的氣源的耗盡而產(chǎn)生的淀積速率的下降。尤其對(duì)質(zhì)量傳輸控制的淀積至關(guān)重要，如APCVD法淀積硅。5.2 化學(xué)氣相沉積化學(xué)氣相沉積的特點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn) 即可制作金屬、非金屬薄膜，又可制作多組分合金薄膜； 成膜速率高于LPE和MBE；（幾微米至幾百微米/min？） CVD反應(yīng)可在常壓或低真空進(jìn)行，繞射性能好； 薄膜純度高、致密性好、殘余應(yīng)力小、結(jié)晶良好； 薄膜生長(zhǎng)溫度低于材料的熔點(diǎn)； 薄膜表面平滑； 輻射損傷小。5.2 化學(xué)氣相沉積 缺點(diǎn) 參與沉積的反應(yīng)源和反應(yīng)后的氣體易燃、易爆或有毒，需環(huán)保措施，有時(shí)還有防腐蝕要求； 反應(yīng)溫度還是太高，盡管低于物質(zhì)的熔

5、點(diǎn)；溫度高于PVD技術(shù)，應(yīng)用中受到一定限制； 對(duì)基片進(jìn)行局部表面鍍膜時(shí)很困難，不如PVD方便。5.2 化學(xué)氣相沉積 CVD的分類及其在微電子技術(shù)中的應(yīng)用5.2 化學(xué)氣相沉積CVD方法簡(jiǎn)介 CVD反應(yīng)體系必須具備三個(gè)條件 在沉積溫度下，反應(yīng)物具有足夠的蒸氣壓，并能以適當(dāng)?shù)乃俣缺灰敕磻?yīng)室； 反應(yīng)產(chǎn)物除了形成固態(tài)薄膜物質(zhì)外，都必須是揮發(fā)性的； 沉積薄膜和基體材料必須具有足夠低的蒸氣壓，5.2 化學(xué)氣相沉積 開(kāi)口體系CVD 包括：氣體凈化系統(tǒng)、氣體測(cè)量和控制系統(tǒng)、反應(yīng)器、尾氣處理系統(tǒng)、抽氣系統(tǒng)等。 臥式：5.2 化學(xué)氣相沉積感應(yīng)加熱5.2 化學(xué)氣相沉積 冷壁CVD：器壁和原料區(qū)都不加熱，僅基片被加熱

6、，沉積區(qū)一般采用感應(yīng)加熱或光輻射加熱。缺點(diǎn)是有較大溫差，溫度均勻性問(wèn)題需特別設(shè)計(jì)來(lái)克服。 適合反應(yīng)物在室溫下是氣體或具有較高蒸氣壓的液體。 熱壁CVD：器壁和原料區(qū)都是加熱的，反應(yīng)器壁加熱是為了防止反應(yīng)物冷凝。管壁有反應(yīng)物沉積，易剝落造成污染。 臥式反應(yīng)器特點(diǎn)：常壓操作；裝、卸料方便。但是薄膜的均勻性差。5.2 化學(xué)氣相沉積開(kāi)口體系CVD工藝的特點(diǎn)能連續(xù)地供氣和排氣，物料的運(yùn)輸一般是靠惰性氣體來(lái)實(shí)現(xiàn)的。反應(yīng)總處于非平衡狀態(tài)，而有利于形成薄膜沉積層（至少有一種反應(yīng)產(chǎn)物可連續(xù)地從反應(yīng)區(qū)排出）。在大多數(shù)情況下，開(kāi)口體系是在一個(gè)大氣壓或稍高于一個(gè)大氣壓下進(jìn)行的。但也可在真空下連續(xù)地或脈沖地供氣及不斷地

7、抽出副產(chǎn)物。開(kāi)口體系的沉積工藝容易控制，工藝重現(xiàn)性好，工件容易取放，同一裝置可反復(fù)多次使用。有立式和臥式兩種形式。5.2 化學(xué)氣相沉積 立式：氣流垂直于基體，可使氣流以基板為中心均勻分布5.2 化學(xué)氣相沉積沉積區(qū)域?yàn)榍蛐危軣峋鶆?，反?yīng)氣體均勻供給；產(chǎn)品的均勻性好，膜層厚度一致，質(zhì)地均勻。特點(diǎn)？5.2 化學(xué)氣相沉積 封閉式（閉管沉積系統(tǒng)）CVD把一定量的反應(yīng)物和適當(dāng)?shù)幕w分別放在反應(yīng)器的兩端，抽空后充入一定的輸運(yùn)氣體，然后密封，再將反應(yīng)器置于雙溫區(qū)爐內(nèi)，使反應(yīng)管內(nèi)形成溫度梯度。溫度梯度造成的負(fù)自由能變化是傳輸反應(yīng)的推動(dòng)力，所以物料從閉管的一端傳輸?shù)搅硪欢瞬⒊练e下來(lái)。在理想情況下，閉管反應(yīng)器

8、中所進(jìn)行的反應(yīng)其平衡常數(shù)值應(yīng)接近于1。5.2 化學(xué)氣相沉積溫度梯度2.5/cm低溫區(qū)T1=T2-13.5高溫區(qū)T2=8508605.2 化學(xué)氣相沉積 閉管法的優(yōu)點(diǎn)：污染的機(jī)會(huì)少，不必連續(xù)抽氣保持反應(yīng)器內(nèi)的真空，可以沉積蒸氣壓高的物質(zhì)。 閉管法的缺點(diǎn)：材料生長(zhǎng)速率慢，不適合大批量生長(zhǎng)，一次性反應(yīng)器，生長(zhǎng)成本高；管內(nèi)壓力檢測(cè)困難等。 閉管法的關(guān)鍵環(huán)節(jié)：反應(yīng)器材料選擇、裝料壓力計(jì)算、溫度選擇和控制等。5.2 化學(xué)氣相沉積 低壓化學(xué)氣相沉積（LPCVD） LPCVD原理 早期CVD技術(shù)以開(kāi)管系統(tǒng)為主，即Atmosphere Pressure CVD (APCVD)。 近年來(lái)，CVD技術(shù)令人注目的新發(fā)展

9、是低壓CVD技術(shù)，即Low Pressure CVD（LPCVD）。 LPCVD原理于APCVD基本相同，主要差別是： 低壓下氣體擴(kuò)散系數(shù)增大，使氣態(tài)反應(yīng)物和副產(chǎn)物的質(zhì)量傳輸速率加快，形成薄膜的反應(yīng)速率增加。5.2 化學(xué)氣相沉積5.2 化學(xué)氣相沉積 LPCVD優(yōu)點(diǎn) （1）低氣壓下氣態(tài)分子的平均自由程增大，反應(yīng)裝置內(nèi)可以快速達(dá)到濃度均一，消除了由氣相濃度梯度帶來(lái)的薄膜不均勻性。 （2）薄膜質(zhì)量高：薄膜臺(tái)階覆蓋良好；結(jié)構(gòu)完整性好；針孔較少。 （3）沉積速率高。沉積過(guò)程主要由表面反應(yīng)速率控制，對(duì)溫度變化極為敏感，所以，LPCVD技術(shù)主要控制溫度變量。LPCVD工藝重復(fù)性優(yōu)于APCVD。 （4）臥式L

10、PCVD裝片密度高，生產(chǎn)效率高，生產(chǎn)成本低。5.2 化學(xué)氣相沉積 LPCVD在微電子技術(shù)中的應(yīng)用 廣泛用于沉積摻雜或不摻雜的氧化硅、氮化硅、多晶硅、硅化物薄膜，-族化合物薄膜以及鎢、鉬、鉭、鈦等難熔金屬薄膜。5.2 化學(xué)氣相沉積等離子化學(xué)氣相沉積 在普通CVD技術(shù)中，產(chǎn)生沉積反應(yīng)所需要的能量是各種方式加熱襯底和反應(yīng)氣體，因此，薄膜沉積溫度一般較高（多數(shù)在9001000）。 容易引起基板變形和組織上的變化， 容易降低基板材料的機(jī)械性能； 基板材料與膜層材料在高溫下會(huì)相互擴(kuò)散，形成某些脆性相，降低了兩者的結(jié)合力。5.2 化學(xué)氣相沉積 如果能在反應(yīng)室內(nèi)形成低溫等離子體（如輝光放電），則可以利用在等離

11、子狀態(tài)下粒子具有的較高能量，使沉積溫度降低。 這種等離子體參與的化學(xué)氣相沉積稱為等離子化學(xué)氣相沉積。用來(lái)制備化合物薄膜、非晶薄膜、外延薄膜、超導(dǎo)薄膜等，特別是IC技術(shù)中的表面鈍化和多層布線。等離子化學(xué)氣相沉積：Plasma CVDPlasma Associated CVDPlasma Enhanced CVD這里稱PECVD5.2 化學(xué)氣相沉積 PECVD是指利用輝光放電的物理作用來(lái)激活化學(xué)氣相沉積反應(yīng)的CVD技術(shù)。它既包括了化學(xué)氣相沉積技術(shù)，又有輝光放電的增強(qiáng)作用。既有熱化學(xué)反應(yīng)，又有等離子體化學(xué)反應(yīng)。廣泛應(yīng)用于微電子學(xué)、光電子學(xué)、太陽(yáng)能利用等領(lǐng)域，按照產(chǎn)生輝光放電等離子方式，可以分為許多類

12、型。直流輝光放電等離子體化學(xué)氣相沉積（DC-PCVD）射頻輝光放電等離子體化學(xué)氣相沉積（RF-PCVD）微波等離子體化學(xué)氣相沉積（MW-PCVD）電子回旋共振等離子體化學(xué)氣相沉積（ECR-PCVD）5.2 化學(xué)氣相沉積5.2 化學(xué)氣相沉積5.2 化學(xué)氣相沉積5.2 化學(xué)氣相沉積等離子體在CVD中的作用： 將反應(yīng)物氣體分子激活成活性離子，降低反應(yīng)溫度； 加速反應(yīng)物在表面的擴(kuò)散作用，提高成膜速率； 對(duì)基片和薄膜具有濺射清洗作用，濺射掉結(jié)合不牢的粒子，提高了薄膜和基片的附著力； 由于原子、分子、離子和電子相互碰撞，使形成薄膜的厚度均勻。5.2 化學(xué)氣相沉積PECVD的優(yōu)點(diǎn)： 低溫成膜（300-350

13、），對(duì)基片影響小，避免了高溫帶來(lái)的膜層晶粒粗大及膜層和基片間形成脆性相； 低壓下形成薄膜，膜厚及成分較均勻、針孔少、膜層致密、內(nèi)應(yīng)力小，不易產(chǎn)生裂紋； 擴(kuò)大了CVD應(yīng)用范圍，特別是在不同基片上制備金屬薄膜、非晶態(tài)無(wú)機(jī)薄膜、有機(jī)聚合物薄膜等； 薄膜的附著力大于普通CVD。5.2 化學(xué)氣相沉積PECVD的缺點(diǎn)： 化學(xué)反應(yīng)過(guò)程十分復(fù)雜，影響薄膜質(zhì)量的因素較多； 工作頻率、功率、壓力、基板溫度、反應(yīng)氣體分壓、反應(yīng)器的幾何形狀、電極空間、電極材料和抽速等相互影響。 參數(shù)難以控制； 反應(yīng)機(jī)理、反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、反應(yīng)過(guò)程等還不十分清楚。5.2 化學(xué)氣相沉積其它化學(xué)氣相沉積方法 （1）MOCVD 是一種利用有機(jī)金屬

14、化合物的熱分解反應(yīng)進(jìn)行氣相外延生長(zhǎng)薄膜的CVD技術(shù)。 作為含有化合物半導(dǎo)體元素的原料化合物必須滿足： 常溫下穩(wěn)定且容易處理 反應(yīng)的副產(chǎn)物不應(yīng)妨礙晶體生長(zhǎng)，不應(yīng)污染生長(zhǎng)層； 室溫附近應(yīng)具有適當(dāng)?shù)恼魵鈮?.2 化學(xué)氣相沉積 滿足此條件的原材料有：金屬的烷基或芳基衍生物、烴基衍生物、乙酰丙酮基化合物、羰基化合物MOCVD的優(yōu)點(diǎn)： 沉積溫度低。減少了自污染，提高了薄膜純度，有利于降低空位密度和解決自補(bǔ)償問(wèn)題；對(duì)襯底取向要求低； 沉積過(guò)程不存在刻蝕反應(yīng)，沉積速率易于控制； 幾乎可以生長(zhǎng)所有化合物和合金半導(dǎo)體； 反應(yīng)裝置容易設(shè)計(jì)，生長(zhǎng)溫度范圍較寬，易于控制，可大批量生產(chǎn)； 可在藍(lán)寶石、尖晶石基片上實(shí)現(xiàn)外延

15、生長(zhǎng)5.2 化學(xué)氣相沉積MOCVD的主要缺點(diǎn)： 許多金屬有機(jī)化合物有毒、易燃，給有機(jī)金屬化合物的制備、貯存、運(yùn)輸和使用帶來(lái)困難，必須采取嚴(yán)格的防護(hù)措施； 由于反應(yīng)溫度低，有些金屬有機(jī)化合物在氣相中就發(fā)生反應(yīng)，生成固態(tài)微粒再沉積在襯底表面，形成薄膜中的雜質(zhì)顆粒，破壞了膜的完整性。5.2 化學(xué)氣相沉積(2) 光CVD 是利用光能使氣體分解，增加反應(yīng)氣體的化學(xué)活性，促進(jìn)氣體之間化學(xué)反應(yīng)的化學(xué)氣相沉積技術(shù)。(3) 電子回旋共振（ECR）等離子體沉積 在反應(yīng)室內(nèi)導(dǎo)入微波能和磁場(chǎng)，使得電子的回旋運(yùn)動(dòng)和微波發(fā)生共振現(xiàn)象。電子和氣體碰撞，促進(jìn)放電，從而可以在較高的真空度和較低的溫度下發(fā)生反應(yīng)，獲得高質(zhì)量的薄膜

16、。 可在半導(dǎo)體基板上淀積導(dǎo)電薄膜，絕緣介質(zhì)薄膜，鈷鎳合金薄膜以及氧化物高Tc超導(dǎo)薄膜。5.2 化學(xué)氣相沉積“物理氣相沉積” 通常指滿足下面三個(gè)步驟的一類薄膜生長(zhǎng)技術(shù):所生長(zhǎng)的材料以物理的方式由固體轉(zhuǎn)化為氣體生長(zhǎng)材料的蒸汽經(jīng)過(guò)一個(gè)低壓區(qū)域到達(dá)襯底蒸汽在襯底表面上凝結(jié)，形成薄膜5.3 物理氣相沉積成膜機(jī)理?真空蒸發(fā)所得到的薄膜，一般都是多晶膜或無(wú)定形膜，經(jīng)歷成核和成膜兩個(gè)過(guò)程。蒸發(fā)的原子（或分子）碰撞到基片時(shí)，或是永久附著在基片上，或是吸附后再蒸發(fā)而離開(kāi)基片，其中有一部分直接從基片表面反射回去。粘附在基片表面的原子（或分子）由于熱運(yùn)動(dòng)可沿表面移動(dòng)，如碰上其它原子便積聚成團(tuán)。這種團(tuán)最易于發(fā)生在基片表

17、面應(yīng)力高的地方，或在晶體襯底的解理階梯上，因?yàn)檫@使吸附原子的自由能最小。這就是成核過(guò)程。進(jìn)一步的原子（分子）淀積使上述島狀的團(tuán)（晶核）不斷擴(kuò)大，直至展延成連續(xù)的薄膜。5.3 物理氣相沉積Natural World “Atomic-World”Target/evaporated sourceSubstrate surfaceAtomic rainClustersParticlesDischargeImpurity, ContaminationVacuumCloudEarth surface - groundNatural rainSnowHailThunder stormDust, Pollut

18、ionEnvironmental protectionCloudtargetsubstrate原子層的晶體生長(zhǎng)“世界”與自然世界的比擬SubstrateSubstrateSubstrateSubstrateSubstrate原子團(tuán)簇島薄膜熱運(yùn)動(dòng)5.3 物理氣相沉積Frank-van der Merve ModeLayer by Layer ( 2D )襯底襯底襯底Stranski-Krastanov ModeLayer Plus Island Growth( 2D-3D )Volmer-Weber ModeIsland Growth ( 3D )5.3 物理氣相沉積其它生長(zhǎng)模式PVD所需實(shí)驗(yàn)條

19、件高真空 (HV)高純材料清潔和光滑的襯底表面提供能量的電源5.3 物理氣相沉積PVD的通用實(shí)驗(yàn)配置靶材襯底真空室真空泵厚度監(jiān)控儀充氣管道反應(yīng)氣體管道Plume5.3 物理氣相沉積一、蒸發(fā)鍍膜基本思想：將材料置于某種容器內(nèi),升高溫度，熔解并蒸發(fā)材料5.3 物理氣相沉積1、電阻式熱蒸發(fā)將用高熔點(diǎn)金屬(W, Mo, Ta, Nb)制成的加熱絲或舟通上直流電，利用歐姆熱加熱材料加熱電阻絲、舟或坩堝5.3 物理氣相沉積常用蒸發(fā)源加熱絲加熱舟坩堝盒狀源（Knudsen Cell）5.3 物理氣相沉積將用絕緣材料(quartz, graphite, alumina, beryllia, zirconia)

20、制成的坩堝通上射頻交流電，利用電磁感應(yīng)加熱材料2、高頻感應(yīng)加熱蒸發(fā)特點(diǎn)：加熱均勻5.3 物理氣相沉積3、電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)方法:用高能聚焦的電子束熔解并蒸發(fā)材料電子束加熱原理:是基于電子在電場(chǎng)作用下,獲得動(dòng)能轟擊處于陽(yáng)極的蒸發(fā)材料,使蒸發(fā)材料加熱氣化5.3 物理氣相沉積電子束蒸發(fā)裝置組成:電子束加熱槍：燈絲+加速電極+偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)組成蒸發(fā)坩堝：陶瓷坩堝或水冷銅坩堝被蒸發(fā)的材料是放在水冷的坩堝中,因而可以避免容器材料的蒸發(fā),不與坩堝材料交叉污染，清潔。只有小塊區(qū)域被電子束轟擊 - 坩堝內(nèi)部形成一個(gè)虛的“坩堝” - “skulling”可以制備難熔金屬薄膜,如W,Mo,Ge等和氧化物薄膜,如SiO2

21、,Al2O3等.特別是制備高純度薄膜.可用于粉末、塊狀材料的蒸發(fā)可以比較精確地控制蒸發(fā)速率；電離率比較低電子束蒸發(fā)的特點(diǎn)5.3 物理氣相沉積E-GunCrucibleSubstrate fixture5.3 物理氣相沉積常用蒸發(fā)材料形態(tài)5.3 物理氣相沉積4、脈沖激光沉積用高能聚焦激光束轟擊靶材5.3 物理氣相沉積激光束的斑點(diǎn)很小,蒸發(fā)只發(fā)生在光斑周?chē)木植繀^(qū)域,可以避免坩堝材料對(duì)蒸發(fā)材料的污染,提高薄膜純度, 激光加熱源,功率密度高,可以蒸發(fā)任何高熔點(diǎn)的材料,沉積含有不同熔點(diǎn)材料的化合物薄膜可保證成分的比例,特別適合于蒸發(fā)那些成分比較復(fù)雜的合金或化合物材料.蒸氣的成分與靶材料基本相同，沒(méi)有偏

22、析現(xiàn)象蒸發(fā)量可以由脈沖的數(shù)量定量控制；有利于薄膜厚度控制；光束滲透深度小 100 A, 蒸發(fā)只發(fā)生在靶材表面由于激光能量密度的限制，薄膜均勻性比較差；不要求高真空，但激光器價(jià)格昂貴脈沖激光蒸發(fā)的特點(diǎn)5.3 物理氣相沉積5.3 物理氣相沉積5、多組分薄膜的蒸發(fā)方法多源順序蒸發(fā),形成多層膜,再進(jìn)行要退火5.3 物理氣相沉積臺(tái)階和犁溝的陰影效應(yīng):蒸發(fā)分子流受到工件形狀的影響導(dǎo)致陰影效應(yīng)；臺(tái)階的陰影效應(yīng)；與臺(tái)階的高度和臺(tái)階與蒸發(fā)源的相對(duì)位置有關(guān)；旋轉(zhuǎn)基片不能改善臺(tái)階的陰影效應(yīng)犁溝的自封閉；犁溝的自封閉與犁溝的深度和寬度有關(guān)；6、薄膜的均勻性5.3 物理氣相沉積蒸發(fā)源純度的影響：加熱器、坩堝、支撐材料等

23、的污染；殘余氣體的影響：殘留氣體在襯底上形成一單原子層所需時(shí)間7、薄膜的純度生長(zhǎng)材料的分子殘留氣體分子Pressure (Torr)Time10-40.02 s10-50.2 s10-62 s10-720 s10-83 min10-935 min10-106 hr10-113 daysSubstrate5.3 物理氣相沉積提高薄膜純度的方法：降低殘余氣體分壓,提高真空度；提高基片溫度,提高沉積速率；二、濺射鍍膜濺射鍍膜是利用電場(chǎng)對(duì)輝光放電過(guò)程中產(chǎn)生出來(lái)的帶電離子進(jìn)行加速，使其獲得一定的動(dòng)能后，轟擊靶電極，將靶電極的原子濺射出來(lái)，沉積到襯底形成薄膜的方法。5.3 物理氣相沉積輝光放電+Al靶Al

24、膜濺射沉積薄膜原理陽(yáng)陰避免金屬原子氧化真空Ar氣Ar+Al膜與硅片之間的結(jié)合力比蒸發(fā)法要好Al靶5.3 物理氣相沉積濺射過(guò)程的物理模型5.3 物理氣相沉積濺射靶材濺射特性參數(shù)（1）濺射閾值：使靶材料原子發(fā)生濺射所需的最小入射離子能量，低于該值不能發(fā)生濺射。大多數(shù)金屬該值為1020eV。 （2）濺射率：正離子轟擊靶陰極時(shí)平均每個(gè)正離子能從靶材中打擊出的粒子數(shù)，又稱濺射產(chǎn)額或?yàn)R射系數(shù)，S。 S = Ns / NiNi-入射到靶表面的粒子數(shù)Ns-從靶表面濺射出來(lái)的粒子數(shù)5.3 物理氣相沉積影響因素 入射離子能量5.3 物理氣相沉積 靶材種類 入射離子種類濺射率與靶材元素在周期表中的位置有關(guān)。一般規(guī)律

25、：濺射率隨靶材元素的原子序數(shù)增大而增大Cu、Ag、Au 較大；C、Si、Ti、V、Ta、W等 較小濺射率依賴于入射離子的能量，相對(duì)原子質(zhì)量越大，濺射率越高。濺射率隨原子序數(shù)發(fā)生周期性變化，每一周期電子殼層填滿的元素具有最大的濺射率。惰性氣體的濺射率最高。5.3 物理氣相沉積 入射角入射角是入射離子入射方向與被濺射靶材表面法線之間的夾角 濺射溫度靶材5.3 物理氣相沉積（3）濺射出的粒子 從靶材上被濺射下來(lái)的物質(zhì)微粒，主要參數(shù)有：粒子狀態(tài)、粒子能量和速度。濺射粒子的狀態(tài)與入射離子的能量有關(guān)濺射粒子的能量與靶材、入射離子的種類和能量以及濺射粒子的方向性有關(guān)，其能量可比蒸發(fā)原子的能量大12個(gè)數(shù)量級(jí)。

26、（4）濺射粒子的角分布 濺射原子的角度分布符合Knudsen的余弦定律。也與入射原子的方向性、晶體結(jié)構(gòu)等有關(guān)。5.3 物理氣相沉積設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，適合于濺射金屬薄膜但直流濺射中靶材只接收正離子,如果靶材是絕緣材料,陰極表面聚集的大量正離子無(wú)法被電子中和使其電位不斷上升,陰陽(yáng)兩極電勢(shì)減小,使濺射不能持續(xù)進(jìn)行.1、直流濺射惰性氣體5.3 物理氣相沉積與直流濺射相比,濺射電壓低,可以濺射絕緣靶材，制備介質(zhì)薄膜射頻濺射原理:交變電場(chǎng)使得靶材正半周接收電子,負(fù)半周接收正離子,相互中和,從而使陰陽(yáng)兩極電位的大小保持穩(wěn)定,使濺射能夠持續(xù)進(jìn)行.2、射頻濺射惰性氣體5.3 物理氣相沉積3、反應(yīng)濺射活性氣體+

27、惰性氣體可以制備化合物薄膜5.3 物理氣相沉積4、磁控濺射磁控濺射：使電子的路徑不再是直線，而是螺旋線，增加了與氣體原子發(fā)生碰撞的幾率，在同樣的電壓和氣壓下可以提高氣體電離的效率，提高了沉積速率5.3 物理氣相沉積DC ( 導(dǎo)電材料 )RF ( 絕緣介質(zhì)材料 )反應(yīng) (氧化物、氮化物) 或不反應(yīng) ( 金屬 )5.3 物理氣相沉積附加磁場(chǎng)的優(yōu)點(diǎn)限制濺射離子的軌道增加離子在氣體中停留的時(shí)間增強(qiáng)等離子體和電離過(guò)程減少濺射原子從靶材到襯底路程中的碰撞高磁場(chǎng)附近的產(chǎn)值比較高5.3 物理氣相沉積磁控濺射中的重要參數(shù)濺射電流 ( 生長(zhǎng)速率 )壓強(qiáng) ( 濺射粒子的最高能量 )靶材-襯底之間的距離 (多孔性、質(zhì)

28、地、晶體性）反應(yīng)氣體混合比 ( 化學(xué)配比 )襯底溫度 ( 晶體性、密度和均勻性 )襯底偏壓 ( 薄膜結(jié)構(gòu)和化學(xué)配比 )5.3 物理氣相沉積5. 離子束濺射 采用單獨(dú)的離子源產(chǎn)生用于轟擊靶材的離子，原理見(jiàn)下圖。目前已有直徑10cm的寬束離子源用于濺射鍍膜。優(yōu)點(diǎn)：轟擊離子的能量和束流密度獨(dú)立可控，基片不直接接觸等離子體，有利于控制膜層質(zhì)量。缺點(diǎn)：速度太慢，不適宜鍍制工件，工業(yè)上應(yīng)用很難5.3 物理氣相沉積三、離子成膜1. 離子鍍及其原理： 真空蒸發(fā)與濺射結(jié)合的鍍膜技術(shù)，在鍍膜的同時(shí)，采用帶能離子轟擊基片表面和膜層，使鍍膜與離子轟擊改性同時(shí)進(jìn)行的鍍膜技術(shù)。即利用氣體放電產(chǎn)生等離子體，同時(shí)，將膜層材料

29、蒸發(fā)，一部分物質(zhì)被離化，在電場(chǎng)作用下轟擊襯底表面（清洗襯底），一部分變?yōu)榧ぐl(fā)態(tài)的中性粒子，沉積于襯底表面成膜。5.3 物理氣相沉積 真空度 放電氣體種類與壓強(qiáng) 蒸發(fā)源物質(zhì)供給速率與蒸汽流大小 襯底負(fù)偏壓與離子電流 襯底溫度 襯底與蒸發(fā)源的相對(duì)距離。 主要影響因素：5.3 物理氣相沉積 真空蒸鍍、濺射、離子鍍?nèi)N不同的鍍膜技術(shù)，入射到基片上的沉積粒子所帶的能量不同。真空蒸鍍：熱蒸鍍?cè)蛹s0.2 eV濺射：濺射原子約1-50 eV離子鍍：轟擊離子約幾百到幾千eV離子鍍的目的：提高膜層與基片之間的結(jié)合強(qiáng)度。離子轟擊可消除污染、還能形成共混過(guò)渡層、實(shí)現(xiàn)冶金結(jié)合、涂層致密。5.3 物理氣相沉積蒸鍍和濺射

30、都可以發(fā)展為離子鍍。 例如，蒸鍍時(shí)在基片上加上負(fù)偏壓，即可產(chǎn)生輝光放電，數(shù)百eV能量的離子轟擊基片，即為二極離子鍍。見(jiàn)下圖。2 離子鍍的類型和特點(diǎn) 離子鍍?cè)O(shè)備在真空、氣體放電的情況下完成鍍膜和離子轟擊過(guò)程，離子鍍?cè)O(shè)備由真空室、蒸發(fā)源、高壓電源、離化裝置、放置工件的陰極等部分組成。（1） 空心陰極離子鍍（HCD）國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的設(shè)備類型如下HCD法利用空心熱陰極的弧光放電產(chǎn)生等離子體（空心鉭管為陰極，輔助陽(yáng)極）鍍料是陽(yáng)極弧光放電時(shí)，電子轟擊陽(yáng)極鍍料，使其熔化而實(shí)現(xiàn)蒸鍍蒸鍍時(shí)基片上加負(fù)偏壓即可從等離子體中吸引Ar離子向基片轟擊，實(shí)現(xiàn)離子鍍5.3 物理氣相沉積5.3 物理氣相沉積（2）多弧離子鍍?cè)?理：

31、多弧離子鍍是采用電弧放電的方法，在固體的陰極靶材上直接蒸發(fā)金屬，裝置無(wú)需熔池，原理如圖所示。電弧的引燃依靠引弧陽(yáng)極與陰極的觸發(fā)，弧光放電僅僅在靶材表面的一個(gè)或幾個(gè)密集的弧斑處進(jìn)行。5.3 物理氣相沉積弧斑直徑小于100um；弧斑電流密度105-107A/cm2；溫度8000-40000K弧斑噴出的物質(zhì)包括電子、離子、原子和液滴。大部分為離子。特 點(diǎn)：直接從陰極產(chǎn)生等離子體，不用熔池，陰極靶可根據(jù)工件形狀在任意方向布置，使夾具大為簡(jiǎn)化。（3）離子束輔助沉積低能的離子束1用于轟擊靶材，使靶材原子濺射并沉積在基底上；離子束2起轟擊（注入）作用，同時(shí)，可在室溫或近似室溫下合成具有良好性能的 合金、化合

32、物、特種膜層，以滿足對(duì)材料表面改性的需要。5.3 物理氣相沉積5.4 外延膜沉積技術(shù) 外延(Epitaxy)：指沉積膜與基片之間存在結(jié)晶學(xué)關(guān)系時(shí)，在基片上取向或單晶生長(zhǎng)同一物質(zhì)的方法。 當(dāng)外延膜在同一種材料上生長(zhǎng)時(shí)，稱為同質(zhì)外延，如果外延是在不同材料上生長(zhǎng)則稱為異質(zhì)外延。外延用于生長(zhǎng)元素、半導(dǎo)體化合物和合金薄結(jié)晶層。這一方法可以較好地控制膜的純度、膜的完整性以及摻雜級(jí)別。在微電子工藝中，外延是指在單晶襯底上，用物理的或化學(xué)的方法，按襯底晶向排列（生長(zhǎng)）單晶膜的工藝過(guò)程。新排列的晶體稱為外延層，有外延層的硅片稱為（硅）外延片。與先前描述的單晶生長(zhǎng)不同在于外延生長(zhǎng)溫度低于熔點(diǎn)許多外延是在晶體上生長(zhǎng)

33、晶體，生長(zhǎng)出的晶體的晶向與襯底晶向相同，摻雜類型、電阻率可不同。n/n+，n/p，GaAs/Si。5.4 外延膜沉積技術(shù)外延特點(diǎn)：生成的晶體結(jié)構(gòu)良好；摻入的雜質(zhì)濃度易控制；可形成接近突變pn結(jié)的特點(diǎn) 5.4 外延膜沉積技術(shù)外延分類： 按工藝分類A 氣相外延（VPE）：利用硅的氣態(tài)化合物或者液態(tài)化合物的蒸汽，在加熱的硅襯底表面和氫發(fā)生反應(yīng)或自身發(fā)生分解還原出硅。B 液相外延（LPE）：襯底在液相中，液相中析出的物質(zhì)并以單晶形式淀積在襯底表面的過(guò)程。此法廣泛應(yīng)用于III-V族化合半導(dǎo)體的生長(zhǎng)。原因是化合物在高溫下易分解，液相外延可以在較低的溫度下完成。氣相外延工藝成熟，可很好的控制薄膜厚度，雜質(zhì)濃

34、度和晶格的完整性，在硅工藝中一直占主導(dǎo)地位C 固相外延（SPE）D 分子束外延（MBE）：在超高真空條件下，利用薄膜組分元素受熱蒸發(fā)所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射到襯底表面，并在其上形成外延層的技術(shù)。特點(diǎn)：生長(zhǎng)時(shí)襯底溫度低，外延膜的組分、摻雜濃度以及分布可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)的精確控制。 5.4 外延膜沉積技術(shù) 按導(dǎo)電類型分類n型外延：n/n, n/p外延；p型外延：p/n, p/p外延 按反應(yīng)室形式臥式：產(chǎn)量大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單；但是生成的外延層的厚度和電阻率的均勻性較差，外延生長(zhǎng)時(shí)易出現(xiàn)滑移位錯(cuò)及片子彎曲。立式：維護(hù)容易，外延層的厚度和電阻率的均勻性及自摻雜效應(yīng)能得到較好的控制；但設(shè)備大型話

35、，制造難度大。桶式：較好的防止外延滑移位錯(cuò)，外延層的厚度和電阻率的均勻性好； 但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維護(hù)。 按材料異同分類同質(zhì)外延（autoepitaxy）：又稱為均勻外延，外延層和襯底為同種材料。 例如硅上外延硅。異質(zhì)外延（heteroepitaxy）：也稱為非均勻外延，外延層和襯底為不同種材料。例如SOI(絕緣體上硅)是一種特殊的硅片，其結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是在有源層和襯底層之間插入絕緣層 埋氧層來(lái)隔斷有源層和襯底之間的電氣連接 ) 。異質(zhì)外延的相容性1. 襯底與外延層不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大量的溶解現(xiàn)象；2.襯底與外延層熱力學(xué)參數(shù)相匹配，即熱膨脹系數(shù)接近。以避免外延層由生長(zhǎng)溫度冷卻至室溫時(shí)，產(chǎn)生

36、殘余熱應(yīng)力，界面位錯(cuò)，甚至外延層破裂。3.襯底與外延層晶格參數(shù)相匹配，即晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)接近，以避免晶格參數(shù)不匹配引起的外延層與襯底接觸的界面晶格缺陷多和應(yīng)力大的現(xiàn)象。5.4 外延膜沉積技術(shù)晶格失配 lattice mismatch失配率其中：a外延層晶格參數(shù)； a襯底晶格參數(shù)。有熱膨脹失配系數(shù)和晶格常數(shù)失配率。熱失配影響單晶薄膜物理和電學(xué)性質(zhì)晶格失配導(dǎo)致外延膜中缺陷密度非常高5.4 外延膜沉積技術(shù)異質(zhì)外延的反相疇又叫反相混亂，例如非極性的Si上生長(zhǎng)極性GaAs在生長(zhǎng)的初期Si襯底上有的區(qū)域附著Ga，有的區(qū)域附著As，不能形成單相的GaAs層，這就叫反相疇。因此常用MBE法外延GaAs。5.

37、4 外延膜沉積技術(shù)5.4 外延膜沉積技術(shù) 按電阻率高低分類正外延：低阻襯底上外延高阻層n/n+ 反外延：高阻襯底上外延低阻層 按外延層結(jié)構(gòu)分類: 普通外延，選擇外延，多層外延 其它劃分方法：按結(jié)構(gòu)劃分；按外延層厚度劃分等外延生長(zhǎng)的特點(diǎn)：外延生長(zhǎng)時(shí)摻入雜質(zhì)的類型、濃度都可以與襯底不同，增加了微電子器件和電路工藝的靈活性。多次外延工藝得到多層不同摻雜類型、不同雜質(zhì)含量、不同厚度，甚至不同材料的外延層。 外延工藝用途雙極型晶體管 優(yōu)勢(shì)：1.高的集電結(jié)擊穿電壓2.低的集電極串聯(lián)電阻5.4 外延膜沉積技術(shù)利用外延技術(shù)的pn結(jié)隔離是早期雙極型集成電路常采用的電隔離方法。 P-Si襯底n+埋層n-Si外延層

38、p+隔離墻SiO2pn結(jié)隔離示意圖5.4 外延膜沉積技術(shù)將CMOS電路制作在外延層上比體硅拋光片上有以下優(yōu)點(diǎn)： 避免了閂鎖效應(yīng)； 避免了硅層中SiOx的沉積； 硅表面更光滑，損傷最小。 P阱n阱 制作在外延層上的雙阱CMOS剖面圖5.4 外延膜沉積技術(shù)微波器件的芯片制造，需要具有突變雜質(zhì)分布的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)襯底材料。可以采用多層外延工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)這類襯底材料的制備。 采用異質(zhì)外延的SOSCMOS電路，外延襯底為絕緣的藍(lán)寶石，能夠有效地防止元件之間的漏電流，抗輻照閂鎖；而且結(jié)構(gòu)尺寸比體硅CMOS電路小，因SOS結(jié)構(gòu)不用隔離環(huán)，元件制作在硅外延層小島上，島與島之間的隔離距離只要滿足光刻工藝精度，就能達(dá)到

39、電隔離要求，所以元件之間的間距很小，CMOS電路的集成度也就提高了。5.4 外延膜沉積技術(shù)硅的氣相外延（1） 原理：在氣相外延生長(zhǎng)過(guò)程中，有兩步：質(zhì)量輸運(yùn)過(guò)程反應(yīng)劑輸運(yùn)到襯底表面表面反應(yīng)過(guò)程在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出硅原子 外延的過(guò)程5.4 外延膜沉積技術(shù)四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是應(yīng)用最廣泛，也是研究最多的硅源-主要應(yīng)用于傳統(tǒng)外延工藝三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和 SiCl4類似但溫度有所降低-常規(guī)外延生長(zhǎng)二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) -更低溫度，選擇外延硅烷SiH4，更適應(yīng)薄外延層和低溫生長(zhǎng)要求，得到廣泛應(yīng)用。新硅源：二硅烷Si2H6-低溫外延外延工藝常用的硅源

40、5.4 外延膜沉積技術(shù) SiCl4外延反應(yīng)SiCl4 2H2 Si + 4HCl（1200度左右） （生長(zhǎng)，腐蝕）SiCl4 Si 2SiCl2 （腐蝕硅）H2的作用：運(yùn)載和稀釋氣體；還原劑上述兩個(gè)反應(yīng)的綜合結(jié)果外延生長(zhǎng)的同時(shí)伴隨有襯底的腐蝕。5.4 外延膜沉積技術(shù)原理圖：5.4 外延膜沉積技術(shù)工藝步驟及流程兩個(gè)步驟： 準(zhǔn)備階段：準(zhǔn)備硅基片和進(jìn)行基座去硅處理； 硅的外延生長(zhǎng) 基座去硅的工藝流程：N2預(yù)沖洗H2預(yù)沖洗升溫至850升溫至1170HCl排空HCl腐蝕H2沖洗降溫N2沖洗5.4 外延膜沉積技術(shù)外延生長(zhǎng)工藝流程： N2預(yù)沖洗H2預(yù)沖洗升溫至850升溫至1170HCl排空HCl拋光H2沖洗

41、附面層外延生長(zhǎng)（通入反應(yīng)劑及摻雜劑）H2沖洗1170降溫N2沖洗作用是將硅基片表面殘存的氧化物（SiOx）以及晶格不完整的硅腐蝕去掉，露出新鮮和有完整晶格的硅表面，利于硅外延成核，而且使襯底硅和外延層硅之間鍵合良好，避免襯底硅表面缺陷向外延層中延伸。 5.4 外延膜沉積技術(shù)反應(yīng)劑有：SiCl4、SiHCl3、 SiH2Cl2、 SiH4，氣態(tài)反應(yīng)劑可稀釋后直接通入，而液態(tài)反應(yīng)劑是裝在源瓶中，用稀釋氣體攜帶進(jìn)入反應(yīng)器。摻雜劑一般選用含摻雜元素的氣態(tài)化合物，如PH3、B2H6、AsH3SiH4為反應(yīng)劑， PH3為摻雜劑：SiH4（H2） Si+2H22PH3（H2） P+6H2SiH4在主流氣體中

42、只百分之幾；PH3也用氫氣稀釋至十五十倍。5.4 外延膜沉積技術(shù)（2） 外延生長(zhǎng)速率 控制外延速率很關(guān)鍵過(guò)快可能造成：多晶生長(zhǎng)；外延層中有過(guò)多的堆跺層錯(cuò)；夾渣5.4 外延膜沉積技術(shù) 影響外延生長(zhǎng)速率的因素A 反應(yīng)劑的濃度工業(yè)典型條件Y=0.005-0.015.4 外延膜沉積技術(shù) 影響外延生長(zhǎng)速率的因素B 外延的溫度在實(shí)際生產(chǎn)中：外延溫度選擇在B區(qū)原因有二。B區(qū)的溫度依賴型強(qiáng)；淀積的硅原子也需要足夠的能量和遷移能力，高溫5.4 外延膜沉積技術(shù) 影響外延生長(zhǎng)速率的因素C 氣體流速由于1200高溫下到達(dá)襯底表面的不會(huì)堆積：因此流速越大，外延層的生長(zhǎng)速率越快。5.4 外延膜沉積技術(shù) 系統(tǒng)要求 氣密性好

43、；溫度均勻；氣流均勻；反應(yīng)劑和摻雜劑的濃度和流量精確可控；外延前能對(duì)襯底做氣相拋光；5.4 外延膜沉積技術(shù)摻雜采用原位氣相摻雜。雜質(zhì)摻入效率依賴于：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?guī)缀涡螤?，摻雜劑自身特性。有雜質(zhì)再分布現(xiàn)象擴(kuò)散效應(yīng)自摻雜效應(yīng)5.4 外延膜沉積技術(shù)外延層中的雜質(zhì)分布擴(kuò)散效應(yīng)也叫互(或外) 擴(kuò)散，指在襯底中的雜質(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的雜質(zhì)濃度緩慢變化的現(xiàn)象。若雜質(zhì)擴(kuò)散速率遠(yuǎn)小于外延生長(zhǎng)速率，襯底中的雜質(zhì)向外延層中擴(kuò)散，或外延層中雜質(zhì)向襯底中的擴(kuò)散，都如同在半無(wú)限大的固體中的擴(kuò)散。當(dāng)襯底和外延層都摻雜時(shí)，外延層中最終

44、雜質(zhì)分布+對(duì)應(yīng)n/n+（p/p+）-對(duì)應(yīng)p/n+（n/p+）5.4 外延膜沉積技術(shù)擴(kuò)散效應(yīng)自摻雜效應(yīng)高溫外延時(shí)，高摻雜襯底雜質(zhì)反擴(kuò)散（蒸發(fā)）到氣相粘滯層（邊界層），再進(jìn)入外延層的現(xiàn)象。自摻雜效應(yīng)是氣相外延的本征效應(yīng)，不可能完全避免。5.4 外延膜沉積技術(shù)減小自摻雜效應(yīng)措施降低外延溫度，p-Si采用SiH2Cl2, SiHCl3；或SiH4，但這對(duì)As的自摻雜是無(wú)效。對(duì)于n-Si襯底，用蒸氣壓低、擴(kuò)散速率也低的銻作為埋層雜質(zhì)，但銻難以達(dá)到很高的摻雜濃度。重?fù)诫s的襯底，用輕摻雜的硅來(lái)密封其底面和側(cè)面，減少雜質(zhì)外逸。低壓外延可減小自摻雜，這對(duì)砷，磷的效果顯著，對(duì)硼的作用不明顯。用離子注入的埋層來(lái)降低

45、襯底表面的雜質(zhì)濃度?？稍诼駥踊蛞r底上先生長(zhǎng)未摻雜的薄膜來(lái)避免襯底中的雜質(zhì)外逸，再原位摻雜。避免高溫下用HCl對(duì)襯底進(jìn)行腐蝕、或腐蝕后用低溫氣流除去因腐蝕外逸的雜質(zhì)。5.4 外延膜沉積技術(shù)低壓外延目的：減小自摻雜效應(yīng)壓力：11032104Pa原因：低壓氣體擴(kuò)散速率快，襯底逸出雜質(zhì)可快速穿過(guò)邊界層（滯留層），被排除反應(yīng)室,重新進(jìn)入外延層機(jī)會(huì)減小；停止外延時(shí)，氣體易清除，多層外延時(shí)縮小了過(guò)渡區(qū)，冷壁系統(tǒng)和熱基座間無(wú)渦流，改善；減小外延層圖形的漂移和畸變；溫度影響 壓力降低，生長(zhǎng)外延層溫度下限也降低，T，G；問(wèn)題：易泄漏；基座與襯底間溫差大；基座、反應(yīng)室在減壓時(shí)放出吸附氣體；外延生長(zhǎng)溫度低等-外延層晶

46、體完整性受到一定影響5.4 外延膜沉積技術(shù)選擇外延（Selective epitaxial growth SEG）外延選擇性的實(shí)現(xiàn)根據(jù)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)外延層而其它區(qū)域不生長(zhǎng)的技術(shù)。 外延生長(zhǎng)晶粒成核速度 SiO2Si3N4Si利用氧化物表面的高清潔性和源中存在足夠的Cl或HCl提高原子的活動(dòng)性，以抑制氣相中和掩蔽層表面處成核；Cl，選擇性，因?yàn)镠Cl可將在氧化物表面形成的小團(tuán)的硅刻蝕掉；三種類型： 1.以Si為襯底，以SiO2或Si3N4為掩膜，在暴露的硅窗口內(nèi)生長(zhǎng)外延；或在暴露的硅窗口內(nèi)生長(zhǎng)外延，在掩膜生長(zhǎng)Poly-Si； 2.同樣以Si為襯底，以SiO

47、2或Si3N4為掩膜，在暴露的硅襯底上刻圖形，再生長(zhǎng)外延； 3.溝槽處外延生長(zhǎng)注意：窗口側(cè)壁的生長(zhǎng)速率不規(guī)則性導(dǎo)致邊緣和中心生長(zhǎng)速率差別的問(wèn)題；晶面取向不同導(dǎo)致的生長(zhǎng)特性差別；5.4 外延膜沉積技術(shù)橫向超速外延（ELO, Extended Lateral Overgrowth, ）注意：缺陷問(wèn)題5.4 外延膜沉積技術(shù)SOI (Silicon on Insulator)技術(shù)SOI是指在絕緣層上異質(zhì)外延硅得到的材料。SOI電路是介質(zhì)隔離，寄生電容小，使得速度快、抗幅射能力強(qiáng)、抑制了CMOS電路的閂鎖。目前一些高速、高集成度薄膜集成電路就采用的SOI材料。 5.4 外延膜沉積技術(shù)近年來(lái)， 以筆記本電

48、腦、蜂窩電話、微型通信設(shè)備等為代表的便攜式系統(tǒng)發(fā)展迅猛。 它們一般都由高度集成的電子器件組成，且多使用干電池或太陽(yáng)能電池作為電源。因此對(duì)于制造電子器件的材料和性能的要求也越來(lái)越高，不僅要能夠?qū)崿F(xiàn)高度集成，而且要滿足高速、低壓、低功耗的要求。體硅CMOS技術(shù)在這些方面都明顯不能滿足要求。5.4 外延膜沉積技術(shù)SOI材料可實(shí)現(xiàn)完全的介質(zhì)隔離與有PN結(jié)隔離的體硅相比，具有高速率、低功耗、集成度高、耐高溫等特點(diǎn)IBM公司的研究表明：SOI電路與傳統(tǒng)的體硅電路相比，功耗可降低2/ 3，在1V的電壓下可在GHz的范圍內(nèi)工作，使用SOI CMOS可將體硅CMOS工藝極限推至0 .1um，并能在工藝設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)

49、三維多功能集成，特別適合應(yīng)用于制造超大規(guī)模集成電路(ULSI)。因此SOI技術(shù)已成為解決便攜式系統(tǒng)“高度集成”、“功耗危機(jī)”的關(guān)鍵技術(shù)，被稱為“21世紀(jì)的微電子技術(shù)”5.4 外延膜沉積技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域便攜式系統(tǒng)高溫系統(tǒng) 能克服常規(guī)的體硅電路高溫下出現(xiàn)的功耗劇增，漏電，電磁干擾增加，可靠性下降。并可以講話系統(tǒng)設(shè)計(jì)。航空航天等抗輻射系統(tǒng) 在瞬時(shí)輻照下所產(chǎn)生的少數(shù)載流子的數(shù)目比體Si器件少三個(gè)數(shù)量級(jí)5.4 外延膜沉積技術(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層之上再制造電子器件。 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(kāi)關(guān)

50、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1.7-3倍。SOI技術(shù)是IBM公司首先開(kāi)發(fā)成功的芯片制造技術(shù) 在1998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)。5.4 外延膜沉積技術(shù)SOI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(kāi)，各部分的

51、電氣連接被完全消除。 5.4 外延膜沉積技術(shù)SOI技術(shù)的挑戰(zhàn)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SOI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5.4 外延膜沉積技術(shù)SDB (Silicon Direct Bonding)直接鍵合與背面腐蝕BE（Back Etching）技術(shù)SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔離Smart Cut智能切割ELTRAN (Epitaxy Layer Transfer)外延層轉(zhuǎn)移目前最常用技術(shù)5.4 外延膜沉積技術(shù)襯底的選擇需要考慮的因素：1.考慮外延層和

52、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。5.4 外延膜沉積技術(shù)SOS (Silicon on Sapphire 或 Spinel)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。SOS 是SOI中的一種，襯底是藍(lán)寶石(-Al2O3) ，或尖晶石(MgO.Al2O3)SOS工藝：

53、SiH4或SiH2Cl2，約1000VPE。5.4 外延膜沉積技術(shù)SOS外延生長(zhǎng)襯底表面的反應(yīng)：AL2O3+2HCl+H2=2ALCl+3H2O 2H2+Al2O3=Al2O +2H2O 5Si2Al2O3=AL2O 5SiO +2Al帶來(lái)的問(wèn)題：自摻雜效應(yīng)(引入O和Al) 襯底被腐蝕，導(dǎo)致外延層產(chǎn)生缺陷，甚至局部長(zhǎng)成多晶SiCl4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。5.4 外延膜沉積技術(shù)雙速率生長(zhǎng)：先用高的生長(zhǎng)速率(12m/min),迅速

54、將襯底表面覆蓋(生長(zhǎng)100200nm)。然后再以低的生長(zhǎng)速率(約0.3m/min)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。5.4 外延膜沉積技術(shù)SOS 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，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5.4 外延膜沉

55、積技術(shù)分子束外延（MBE) 分子束外延是在超高真空條件下精確控制原材料的中性分子束強(qiáng)度，并使其在加熱的基片上進(jìn)行外延生長(zhǎng)的一種技術(shù)。從本質(zhì)上講，分子束外延也屬于真空蒸發(fā)方法。5.4 外延膜沉積技術(shù)（2）設(shè)備5.4 外延膜沉積技術(shù)分子束外延（MBE)特點(diǎn)(1)由于系統(tǒng)是超高真空，因此雜質(zhì)氣體(如殘余氣體)不易進(jìn)人薄膜，薄膜的純度高。(2)外延生長(zhǎng)一般可在低溫下進(jìn)行。(3)可嚴(yán)格控制薄膜成分以及摻雜濃度。(4)對(duì)薄膜進(jìn)行原位檢測(cè)分析，從而可以嚴(yán)格控制薄膜的生長(zhǎng)及性質(zhì)。 當(dāng)然，分子束外延生長(zhǎng)方法也存在著一些問(wèn)題，如設(shè)備昂貴、維護(hù)費(fèi)用高、生長(zhǎng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)、不易大規(guī)模生產(chǎn)等。5.4 外延膜沉積技術(shù) 分子束外

56、延的基本裝置由超高真空室(背景氣壓1.3X10-9Pa),基片加熱塊、分子束盒、反應(yīng)氣體進(jìn)入管、交換樣品的過(guò)渡室組成。外，生長(zhǎng)室包含許多其他分析設(shè)備用于原位監(jiān)視和檢測(cè)基片表面和膜，以便使連續(xù)制備高質(zhì)量外延生長(zhǎng)膜的條件最優(yōu)化。除了具有使用高純?cè)亍?.4 外延膜沉積技術(shù)液相外延生長(zhǎng)(LPE) 液相外延生長(zhǎng)原則上講是從液相中生長(zhǎng)膜，溶有待鍍材料的溶液是液相外延生長(zhǎng)中必需的。當(dāng)冷卻時(shí)，待鍍材料從溶液中析出并在相關(guān)的基片上生長(zhǎng)。對(duì)于液相外延生長(zhǎng)制備薄膜，溶液和基片在系統(tǒng)中保持分離。在適當(dāng)?shù)纳L(zhǎng)溫度下，溶液因含有待鍍材料而達(dá)到飽和狀態(tài)。然后將溶液與基片的表面接觸，并以適當(dāng)?shù)乃俣壤鋮s，一段時(shí)間后即可獲得所

57、要的薄膜，而且，在膜中也很容易引人摻雜物。5.4 外延膜沉積技術(shù)熱壁外延生長(zhǎng)(HWE) 熱壁外延是一種真空沉積技術(shù)，在這一技術(shù)中外延膜幾乎在接近熱平衡條件下生長(zhǎng)，這一生長(zhǎng)過(guò)程是通過(guò)加熱源材料與基片材料間的容器壁來(lái)實(shí)現(xiàn)的。蒸發(fā)材料的損失保持在最小;生長(zhǎng)管中可以得到潔凈的環(huán)境;管內(nèi)可以保待相對(duì)較高的氣壓;源和基片間的溫差可以大幅度降低。5.4 外延膜沉積技術(shù)傳統(tǒng)同質(zhì)外延生長(zhǎng)，單晶半導(dǎo)體層是生長(zhǎng)在單晶的半導(dǎo)體襯底上此半導(dǎo)體層和襯底為相同的材料，有相同的晶格常數(shù)因此同質(zhì)外延是名符其實(shí)的晶格匹配外延工藝同質(zhì)外延工藝提供了一種控制摻雜濃度分布的重要方法，使器件和電路表現(xiàn)可以最佳化例如，濃度相對(duì)低的n型硅層

58、可以外延生長(zhǎng)在n+硅襯底上，此種結(jié)構(gòu)可大幅度降低襯底的串聯(lián)電阻對(duì)異質(zhì)外延而言，外延層和襯底是兩種不同的半導(dǎo)體，且外延層的生長(zhǎng)必須維持理想的界面結(jié)構(gòu)，這表示穿過(guò)界面的化學(xué)鍵必須連續(xù)而不被打斷因此這兩種半導(dǎo)體必須擁有相同的晶格間距，或者可變形去接受一共同間距此兩種情況分別稱為晶格匹配(Iattice-matched)外延和形變層(strain-layer)外延晶格匹配的構(gòu)造和缺陷5.4 外延膜的構(gòu)造和缺陷圖 (a)表示襯底和薄膜有相同晶格常數(shù)的晶格匹配外延一個(gè)重要例子是AlxGa1-xAs在砷化鎵襯底上的外延生長(zhǎng)，其中x在0至1之間 AlxGa1-xAs的晶格常數(shù)和砷化鎵的晶格常數(shù)之間不同程度小于

59、0.135.4 外延膜的構(gòu)造和缺陷對(duì)晶格不匹配的情形，若外延層有較大的晶格常數(shù)且可彎曲它將在生長(zhǎng)平面上被壓縮至符合襯底的間距，而彈性力將會(huì)強(qiáng)迫它往垂直界面的方向擴(kuò)展，這種結(jié)構(gòu)形式稱為形變層外延，如圖(b)所示5.4 外延膜的構(gòu)造和缺陷另一方面，若外延層有較小的晶格常數(shù)，它將會(huì)在生長(zhǎng)平面的方向上擴(kuò)大，而在垂直界面的方向上被壓縮上述的形變層外延，當(dāng)其厚度增加時(shí)，形變或有變形化學(xué)鍵的原子總數(shù)會(huì)增加，且在某些點(diǎn)上的位錯(cuò)會(huì)結(jié)核來(lái)釋放同質(zhì)形變能量，此厚度稱為系統(tǒng)的臨界層厚度圖(c)表示在界面上有刃位錯(cuò)的情況5.4 外延膜的構(gòu)造和缺陷一個(gè)相關(guān)的異質(zhì)結(jié)構(gòu)是形變層超晶格(strained-layer super

60、-lattice，SLS)超晶格是一種人工制造的一維周期性結(jié)構(gòu)，由不同材料所構(gòu)成，且其周期約為10nm右圖表示一SLS，由兩種不同的平衡晶格常數(shù)a1a2的半導(dǎo)體生長(zhǎng)出的一具有統(tǒng)一晶格常數(shù)6的結(jié)構(gòu)，其中a1ba25.4 外延膜的構(gòu)造和缺陷如果此層非常薄，則因?yàn)橥庋又芯鶆虻睦κ怪梢猿惺芫Ц竦牟黄ヅ湟虼嗽谶@種情形下，不會(huì)有位錯(cuò)在界面產(chǎn)生，故可獲得高品質(zhì)的晶體材料這些人造結(jié)構(gòu)的材料可以用MBE來(lái)生長(zhǎng)，這些材料為半導(dǎo)體的研究提供了一個(gè)新的領(lǐng)域，而且使一些高速和光學(xué)應(yīng)用的新型固態(tài)器件制造變?yōu)榭赡?.4 外延膜的構(gòu)造和缺陷外延層缺陷外延層的缺陷會(huì)降低器件的性能例如，缺陷會(huì)降低遷移率和增加漏電流外延的缺陷