北京大學出版社外延

第七章外延外延定義Epitaxy:在…上排列(希臘語)外延:單晶襯底上淀積一層薄的單晶層.(新生單晶層是按襯底晶向延伸生長的,稱為外延層;長了外延層的襯底稱為外延片)外延分類襯底與外延層阻值不同正向外延反向外延襯底與外延層材料同質外延異質外延向襯底輸送原子方式氣相外延液相外延固相外延硅氣相外延的基本原理-硅源SiCl4SiHCl3SiCl2H2SiH4主要應用在傳統(tǒng)的外延工藝中生長速度快，1um/min，用于厚外延層的制備生長高質量的薄外延層，外延層的缺陷密度低于SiCl4和SiH4。生長很薄的外延層，且得到高淀積率。生長外延層需要很高的溫度可以在較低的溫度下外延用在更低的溫度下在低于900度下生長外延層近晶面外延生長示意圖吸附原子臺階邊緣扭轉位置下平臺上平臺ACBA結論１．吸附原子的遷移過程受到抑制，就可能生成多晶薄膜．２．淀積速率和溫度影響吸附原子的遷移．特定的淀積溫度下，存在一個最大淀積率，超過最大淀積率，生成多晶薄膜；低于最大淀積層，生成單晶外延層．特定的淀積速率下，溫度越高，易生長單晶；溫度越低，易生成多晶．原因：高生長速率的情況下，吸附原子沒有足夠的時間遷移到扭轉點，因而會形成多晶．當溫度升高時，表面遷移率上升，由于硅原子遷移速率的加快，在與其他吸附原子形成硅串前已經(jīng)到達扭轉點．一旦到達扭轉點，薄膜開始橫向生長．單晶外延生長與硅自擴散的機制是相同的．化學反應過程ＳiＣl４氫還原法的總反應：ＳiＣl４＋Ｈ２Ｓis＋４ＨＣl總反應包括下列中間反應ＳiＣl４＋Ｈ２ＳiＨＣl３＋ＨＣlＳiＣl４＋Ｈ２ＳiＣl２＋２ＨＣlＳiＨＣl３＋Ｈ２ＳiＨ２Ｃl２＋ＨＣlＳiＨＣl３ＳiＣl２＋ＨＣlＳiＨ２Ｃl２ＳiＣl２＋Ｈ２

硅的析出反應：ＳiCl２＋Ｈ２Ｓis＋２ＨＣl２ＳiＣl２Ｓis＋ＳiＣl４生長速率與溫度間的關系１．生長率依賴于所選用的硅烷，生長率ＳiＨ４＞ＳiＨ２Ｃl２＞ＳiＨＣl３

＞ＳiＣl４２．高溫區(qū)（Ｂ），生長速率對溫度的變化不敏感，生長速率由氣相質量輸運控制，并且對反應室的幾何形狀和氣流有很大的依賴性；低溫區(qū)（Ａ），生長速率對溫度的變化非常敏感，生長速率完全由表面化學反應控制．生長速率與溫度間擴散關系原因：高溫區(qū)：表面化學反應速率常數(shù)很大，決定外延生長速率的主要因素是單位時間內(nèi)反應劑輸運到襯底表面的數(shù)量，或是化學反應的副產(chǎn)物通過擴散方式離開襯底表面的速率．低溫區(qū)：化學反應的快慢決定生長速率，控制反應速率的機制在所有的情況下是相同的．現(xiàn)象解釋：反應表面對氫的解吸

氫會占據(jù)硅的表面位置，如果不被排除，將會阻止新的硅原子加入到生長的薄膜中．生長速率與溫度間的關系過渡溫度取決于：１．源的摩爾分數(shù)２．淀積系統(tǒng)的類型３．氣流速率４．源氣體的選用外延溫度選在高溫區(qū)：１．生長速率處于質量輸運控制范圍，溫度的微小波動不會影響生長速率顯著變化．２．淀積在表面的硅原子具有足夠的能量和遷移能力，易找到合適的位置形成單晶．生長速率與反應劑濃度的關系外延生長速率由以下兩因素較慢一個決定：１氫還原ＳiＣl４析出硅原子２被釋放出來的硅原子在襯底上生成單晶層分析：１．ＳiＣl４濃度較小，ＳiＣl４被氫還原析出硅原子的速度遠小于被釋放出來的硅原子在襯底上生成單晶硅速度，化學反應速度控制外延層的生長速率．２．增加ＳiＣl４濃度，化學反應速率加快，生長速度提高．濃度大到一定程度，化學反應釋放硅原子速度大于硅原子在襯底表面的排列生長速度．３．進一步增大ＳiＣl４濃度（Ｙ＝０.１）生長速率減小；當Ｙ＝０.２７時，逆向反應發(fā)生硅被腐蝕．４．反向腐蝕越嚴重，生長速率下降，當Ｙ＞０.２８時，只存在腐蝕反應．生長速率與氣體流速的關系１．氣體流速越大，邊界層越薄，相同時間內(nèi)轉移到單位襯底表面上的反應劑數(shù)量越多，外延層生長速率也越快．２．當氣流大到一定程度時，外延層的生長速率基本不隨氣體流量增大而加快．因為此時邊界層厚度很薄，輸運到襯底表面的反應劑數(shù)量可能超過外延溫度下的化學表面反應需要的數(shù)量，此時生長速率由化學反應速率決定．襯底晶向對生長速率的影響不同晶面的鍵密度不同，鍵合能力存在差別，會對生長速率產(chǎn)生一定影響．１．共價鍵密度小，鍵合能力差，生長速率慢．（１１１）２．共價鍵密度大，鍵合能力強，生長速率快．（１００）外延層中的雜質分布外延工藝與其他工藝相比的優(yōu)勢?1.完美的晶體結構2.精確地控制厚度,導電類型及電阻率(摻雜濃度)3.外延層與襯底間有突變的雜質分布.ＳiＣl４在高溫下生成外延層中的雜質分布-摻雜原理外延層中的雜質原子是在外延生長過程中被結合到外延層的晶格中.-----1雜質淀積的過程中,由于質量輸運和表面化學反應控制,摻雜效率與綜合因素有關(生長溫度,生長速率,氣流中摻雜劑相對于硅源的摩爾數(shù),反應室的情況…)-----2外延層的生長速度也依賴于摻雜劑的類型和濃度;外延薄膜中所吸收的雜質數(shù)量又取決于外延層的生長速度.外延層中的雜質分布-擴散效應外延中,摻雜渠道-擴散效應;自摻雜效應擴散效應:襯底中的雜質與外延層中的雜質,在外延生長時互相擴散,引起襯底與外延層界面附近雜質濃度的緩慢變化.擴散效應對雜質分布的影響因素:1.溫度,襯底和外延層的摻雜情況2.雜質類型及擴散系數(shù)3.外延層的生長速度和缺陷外延層中的雜質分布-自摻雜效應自摻雜效應:在外延生長過程中,襯底和外延層中的雜質因熱蒸發(fā),或因化學反應的副產(chǎn)物對襯底或外延層的腐蝕,都會使襯底和外延層中的雜質進入邊界層中,改變了邊界層中的摻雜成分和濃度,從而導致了外延層中雜質的實際分布偏離理想情況.減小自摻雜效應措施:1.在保證外延質量和速度的前提下,盡量降低外延生長溫度.2.對n型襯底,使用蒸汽壓低,擴散速率也低的雜質作為埋層雜質.3.對重摻雜的襯底,需要使用輕摻雜的硅來密封重摻雜襯底的底面和側面,進而減少雜質的外逸.4.外延系統(tǒng)應當工作在低壓條件下(氣態(tài)的雜質原子在低壓下的擴散速度比常壓情況下高,由襯底外逸的大部分雜質就可以被主氣流帶出反應室)5.可以使用經(jīng)過離子注入的埋層來降低襯底表面的雜質濃度.6.可以在埋層或襯底上先生長未摻雜的薄膜避免襯底中的雜質外逸,之后再進行原位摻雜.7避免在高溫下采用HCl對襯底進行腐蝕,或在腐蝕后用低溫氣流除去因腐蝕外逸的雜質.低壓外延目的:減小自摻雜效應原因:低壓情況下,氣體分子密度變稀,分子平均自由程增大,雜質的擴散速度加快,所以襯底逸出的雜質能快速地穿過邊界層被排出反應室,重新進入外延層的機會減小,降低了自摻雜效應對外延層中雜質濃度和分布的影響.壓力:1×103~2×104Pa之間優(yōu)點:1縮小多層外延之間的過渡區(qū)2改善電阻率的均勻性3減小埋層圖形的漂移和畸變4給硅源濃度的變化提供了更大的幅度低壓外延低壓對自摻雜影響的兩種效應:壓力變低,邊界層厚度增加,襯底逸出的雜質穿過邊界層的時間變長,加重自摻雜效應.(次要因素)壓力變低,雜質穿過邊界層進入主氣流的時間比常壓外延短(主要因素)低壓外延對反應室的要求:能承受內(nèi)外的壓力差(水平圓形管和立式鐘罩型)反應室的密封性要好低壓外延異于常壓外延的參數(shù)影響壓力的影響硅源的摩爾濃度相同時,生長速率一般要下降.原因:反應劑的分壓變小及生長動力學控制過程的變化.低壓外延層的厚度和電阻率有明顯的改善.原因:低壓時,反應管內(nèi)的氣流以層流形式流動,在熱基座和冷壁間不存在因溫度差引起的旋渦型氣流.低壓外延層的晶體完整性要受到一定影響.原因:反應系統(tǒng)漏氣基座與襯底間溫差大基座,反應室等在減壓時釋放出吸附氣體外延生長溫度低低壓外延異于常壓外延的參數(shù)影響溫度的影響壓力降低,生長外延層的溫度下限下降,生長速率可隨溫度的升高而增加;當溫度達到某個值的時候,生長速率不隨溫度上升而變化.原因:生長過程由表面化學反應控制轉為質量輸運控制.選擇外延定義:利用外延生長的基本原理,以及硅在絕緣體上很難核化成膜的特性,在硅表面的特定區(qū)域生長外延層而其他區(qū)域不生長的技術.基本原理:硅在襯底上核化的可能性SiO2(異質外延)<Si3N4(異質外延)<Si(同質外延),落在絕緣體上的原子因不易成核而遷移到更易成核的硅單晶區(qū).(在Si-SiO2界面會產(chǎn)生較大的晶格失配,與Si-Si同質外延相比其晶核形成能增高;另一方面,要進行外延生長的地方是窗口內(nèi)或者硅表面的凹陷處,這些地方將降低核能)選擇外延提高原子活動性的因素:1.氧化物表面的高清潔度2.源中存在足夠的氯(HCl)原因:氯可以抑制在氣相中和掩膜層表面處成核,通過調(diào)節(jié)Si/Cl的比率,可以從非選擇性生長向選擇性生長和腐蝕方向變化.選擇順序:SiCl4,SiHCl3,SiH2Cl2,SiH4選擇外延的三種類型(1)waferSiO2SiO2waferSiO2SiO2外延硅waferSiO2SiO2外延硅Poly-SiPoly-SiwaferSiO2SiO2缺點:在窗口邊緣進行選擇外延時,在窗口邊緣不但具有較高的生長速率,而且生長速率也不規(guī)則.原因:到達窗口內(nèi)的反應劑,如果不能成核,會在襯底表面做遷移運動,直到到達窗口邊緣并淀積,窗口邊緣的生長速率比中心的生長速率高改善:降低生長速率選擇外延的三種類型(2)在這種外延生長過程中，晶面取向不同表現(xiàn)出不同的生長特性．回填材料的導電類型一般與襯底相反．硅的選擇回填中，ＳiＨ４／ＨＣl／Ｈ２生長體系在（１００）取向襯底上得到最好的平面生長．因為這個體系的生長速率與溫度的關系沒有ＳiＣl／Ｈ２那樣密切，可以通過調(diào)節(jié)氣相Ｃl／Ｓi比，使表面上的生長速率為零．waferSiO2SiO2waferSiO2SiO2waferSiO2SiO2選擇外延的三種類型(３)在這種工藝中，依靠氣相摻雜，可使溝槽內(nèi)的導電類型與襯底相反而建立多重Ｐ－Ｎ結，這種結構的外延層多用于太陽能電池和其他器件．waferwaferwafer選擇外延提高硅淀積選擇特性的其他因素：１選擇減壓反應系統(tǒng)２提高淀積溫度３減少氣流中硅源的摩爾分數(shù)４保證硅片和系統(tǒng)的清潔橫向超速外延（ＥＬＯ）當選擇外延生長的薄膜超過ＳiＯ２的臺階高度時，外延不但繼續(xù)垂直生長，而且也沿橫向生長橫向與縱向生長速率之比取決于窗口或臺階的高度以及襯底的取向．ＳiＯ２ＳiＯ２ＳiＯ２垂直選擇外延橫向超速外延硅烷熱分解法外延SiCl4SiHCl3SiCl2H2SiH4主要應用在傳統(tǒng)的外延工藝中生長速度快，1um/min，用于厚外延層的制備生長高質量的薄外延層，外延層的缺陷密度低于SiCl4和SiH4。生長很薄的外延層，且得到高淀積率。生長外延層需要很高的溫度可以在較低的溫度下外延用在更低的溫度下在低于900度下生長外延層硅烷熱分解法外延化學反應式:SiH4Si(固)+2H2(氣)優(yōu)點:不存在反向腐蝕效應,對反應室無腐蝕作用.可以在相對低的溫度下完成(600C分解;650-900C產(chǎn)生外延層)減弱了自摻雜效應和擴散效應.提高外延層電阻率的均勻性,有利于薄層外延生長.雜質玷污較少,硅烷純度高.可以精確控制流量,外延層生長的重復性好.硅烷熱分解法外延生長過程:(1)SiH4分子靠擴散運動穿過邊界層到達硅表面被吸附.(2)SiH4在硅表面分解,釋放出硅原子和氫分子.(3)氫分子靠擴散運動離開界面并隨主氣流被排除.硅原子在襯底(或外延層)表面運動,并定位于適當?shù)木Ц裎恢蒙?存在的問題:(1)SiH4能在氣相中自行分解,造成過早核化.對外延層的晶體結構產(chǎn)生重要影響,甚至生成多晶.(解決措施:1加大氣體流量,選定合適溫度并準確控制.2在反應中加入適量的HCl)(2)同其他氯的硅化物相比,SiH4容易氧化形成硅粉.(避免氧化物質和水汽的存在)

(3)外延層的缺陷密度比SiCl4氫還原法外延高.(4)對反應系統(tǒng)要求高.

SOS技術SOI(SiliconOnInsulator或SemiconductorOnInsulator):在絕緣襯底上進行硅的異質外延SOS(SiliconOnSapphire或SiliconOnSpinel):在藍寶石或尖晶石襯底上進行硅的外延,是SOI的一種.SOI技術優(yōu)點:1.與制造在體硅或硅的同質外延層相比,由于SOI是介質隔離,寄生電容小,對高速和高集成度的電路特別有利,主要體現(xiàn)在更低的功耗和更高的速度上.2.提高了器件抗輻射能力.3.抑制了CMOS電路的閂鎖效應.4.硅-絕緣體CMOS工藝比體硅CMOS工藝簡單,還能排除某些在體硅CMOS中存在的危害成品率的因素.

SOS技術襯底材料考慮因素:外延層與襯底材料的相容性1.晶體結構:絕緣體的晶格參數(shù)十分接近于單晶硅晶格參數(shù)2.熱膨脹系數(shù):熱膨脹系數(shù)相近;相差較大在溫度變化時會在單晶硅膜內(nèi)產(chǎn)生應力,外延層缺陷增多.3.絕緣襯底的質量:藍寶石晶體制備方法1焰熔法2切克勞斯基法3邊緣限定饋給法4.熔點,蒸汽壓…分子束外延(MBE)工作原理:利用蒸發(fā)源提供的定向分子束或原子束,撞擊到清潔的襯底表面上生成外延層.MBE設備組成部分:1.超高真空系統(tǒng)(真空度1.33*10-8Pa以上)2.生長系統(tǒng)噴射爐:放在不同噴射爐內(nèi)的不同元素按一定比例噴射出來.襯底基座:可以傾斜,旋轉一定角度,同時可以放置,接送和加溫樣品.3.測量,分析,監(jiān)控系統(tǒng)包括質譜儀(監(jiān)視分子束的種類和強度),俄歇電子能譜儀(監(jiān)視表面化學成分,組分和雜質的剖面分布),高能電子衍射儀(檢測表面原子排列情況),薄膜厚度測試儀,電子顯微鏡等.分子束外延(MBE)MBE前襯底表面清潔工藝:1.高溫熱處理去除襯底表面的SiO2.(熱處理溫度太高)SiO2+SiSiO(1200C)2用Ar+濺射,再退火(引起襯底表面的損傷)3利用脈沖激光反復輻射.外延層的缺陷按所在位置分兩類表面缺陷:顯露在外延層表面的缺陷,可用肉眼或金相顯微鏡觀察到.主要有:云霧狀表面;角錐體;劃痕;星狀體;麻坑等體內(nèi)缺陷:位于外延層內(nèi)部的晶體結構缺陷.主要有:位錯,層錯(也有起源于外延層內(nèi)部,甚至襯底內(nèi)部,但隨外延層生長一直延伸到外延層表面)層錯層錯:由原子排列次序發(fā)生錯亂引起的,也叫堆積層錯.產(chǎn)生層錯的原因:襯底表面的損傷和玷污,外延溫度過低,襯底表面上殘留的氧化物,外延過程中摻雜劑不純,空位或間隙原子的凝聚,外延生長時點陣失配,襯底上的微觀表面臺階,生長速度過高.