納米薄膜的外延生長

納米薄膜的外延生長第一頁，共三十頁，2022年，8月28日外延生長（EpitaxialGrowth）工藝■?概述■?氣相外延生長的熱動力學■?外延層的摻雜與缺陷■?硅氣相外延工藝■?小結(jié)參考資料：《微電子制造科學原理與工程技術》第14章（電子講稿中出現(xiàn)的圖號是該書中的圖號）第二頁，共三十頁，2022年，8月28日外延層界面襯底一、概述按襯底晶相延伸生長的新生單晶薄層——

外延層。長了外延層的襯底——

外延片。

同質(zhì)外延：

異質(zhì)外延：■

摻入雜質(zhì)可改變外延層的電學特性?！?/p>

交替生長不同的外延層可制作超晶格結(jié)構(gòu)。1、外延工藝的定義：在單晶襯底上生長單晶薄膜的技術。2、外延工藝的分類：(1)按材料第三頁，共三十頁，2022年，8月28日三種外延工藝的示意圖(2)按晶格畸變程度第四頁，共三十頁，2022年，8月28日a.?

氣相外延工藝（Vpor-PhaseEpitaxy）b.?

液相外延工藝（Liquid-PhaseEpitaxy）超高真空蒸發(fā)3、外延層的作用：獨立控制薄膜晶體結(jié)構(gòu)（組分）、厚度、

雜質(zhì)種類及摻雜分布(1)雙極工藝：器件隔離、解決集電極高擊穿電壓與串連電阻的矛盾(2)CMOS工藝：減小閂鎖（Latch-up）效應(3)GaAs工藝：形成特定的器件結(jié)構(gòu)層(4)其他：制作發(fā)光二極管、量子效應器件等d.?

其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、離子束外延等等c.?

分子束外延（MolecularBeamEpitaxy）(3)按工藝原理第五頁，共三十頁，2022年，8月28日二、氣相外延生長的熱動力學與氧化模型類似，假設粒子穿過氣體邊界層的流量與薄膜生長表面化學反應消耗的反應劑流量相等。其中，hg是質(zhì)量傳輸系數(shù)，Ks是表面反應速率系數(shù)，Cg和Cs分別是氣流中和圓片表面的反應劑濃度。外延薄膜生長速率可寫為：其中，N是硅原子密度（5×1023cm-3）除以反應劑分子中的硅原子數(shù)。Ks>>hg時，R由氣相質(zhì)量傳輸決定Ks

<<hg時，R由表面反應速率決定（以硅外延為例）1、Deal模型：第六頁，共三十頁，2022年，8月28日1)Deal模型是一個半定量模型，但它將外延生長過程過于簡單化處理：a.外延與氧化不同，襯底表面和氣相中存在多種化學反應過程b.存在大量的、影響外延生長（促進或阻礙）的過程例如：在Si－H－Cl系統(tǒng)（SiH2Cl2+H2）中，I）

SiCl2、SiCl4、SiH2等含硅粒子在襯底表面的形成過程會阻礙硅外延層的生長；II）

Cl的存在會刻蝕吸附在襯底表面的硅原子或襯底表面本身的硅原子。2)因此，需要采用與CVD技術中類似的方法，通過將VPE過程分成幾個連續(xù)步驟，來建立描述VPE的更精確的模型。說明第七頁，共三十頁，2022年，8月28日6）反應副產(chǎn)物的解吸附。1)VPE步驟包括：1）氣相分解；3）吸附；2）傳輸?shù)焦杵砻妫?）擴散；5）分解；2、連續(xù)步驟模型描述生長過程的更精確的模型注意：VPE中的每一步驟都可能影響外延生長的速率，其中進行得最慢的一步是關鍵限制因素。第八頁，共三十頁，2022年，8月28日a.總反應式：

優(yōu)點：可在低溫下進行反應

缺點：氣相成核嚴重，嚴重影響薄膜質(zhì)量b.氣相成核速率：隨SiH4分氣壓提高而急劇上升。當氣相中形成的硅固體顆粒尺寸很小時，由于其表面能量高而極不穩(wěn)定，因此，尺寸小于某個臨界值的顆粒會發(fā)生收縮而消失。2)硅烷熱分解（600～800℃）中的同質(zhì)化學反應第九頁，共三十頁，2022年，8月28日該臨界尺寸可寫為：其中，U是表面的界面自由能，V是原子體積，σ0是反應劑的分氣壓與平衡氣壓的比值（稱為飽和度）。I)氣相中顆粒的產(chǎn)生限制了工藝溫度下SiH4的最大分氣壓。一般采用H2將SiH4稀釋到1％～5％。II)一般的硅外延工藝采用H2稀釋SiHxCl4-x（x=1,2,3）作為饋氣。含Cl越少，工藝溫度越低。目前最常用的反應源是SiH2Cl2。結(jié)論最先使用的SiCl4的反應溫度在1150℃以上，已經(jīng)不再使用。第十頁，共三十頁，2022年，8月28日圖14.5一個大氣壓下，Cl:H比為0.06時，Si-Cl-H系統(tǒng)的平衡氣壓。a.混合氣體成分：H2、HCl和SiCl2

，

SiCl2是最主要的反應劑。c.生長速率(在反應速率限制區(qū))，其中的c1和c2分別是正向反應速率系數(shù)和逆向反應速率系數(shù)。3）Si-Cl-H系統(tǒng)的生長速率b.化學反應第十一頁，共三十頁，2022年，8月28日圖14.6生長速率與SiCl4的函數(shù)關系，當Cl濃度高時出現(xiàn)硅的刻蝕現(xiàn)象。第十二頁，共三十頁，2022年，8月28日3、超飽和度（supersaturation）模型(1)超飽和度的定義：當超飽和度為正時，系統(tǒng)為超飽和，——

外延生長；當超飽和度為負時，系統(tǒng)不飽和，——

刻蝕過程。超飽和度是描述外延生長工藝的重要的一級近似。a.計算反應進氣中的硅/氯分壓比。b.用查圖法求出反應溫度下的硅/氯平衡分壓比。(2)超飽和度的計算：第十三頁，共三十頁，2022年，8月28日先計算反應腔中Cl－H的比率，再查圖讀取Si－Cl比率。圖14.7一個大氣壓下硅/氯平衡比率第十四頁，共三十頁，2022年，8月28日(3)估算SiCl4濃度的飽和度的例子外延生長使用SiCl4，生長溫度為1270℃，SiCl4/H2=0.05/0.95。計算系統(tǒng)的超飽和度，并確定是刻蝕還是外延生長狀態(tài)？

解：1、進氣中Si/Cl比為0.25，2、溫度T＝1270＋273＝1543K，由SiCl4/H2=0.05/0.95可知Cl/H＝0.05×4/0.95×2＝0.113、查圖14.7得到：(Psi/PCl)eq≈0.164、系統(tǒng)的超飽和度σ=0.25－0.14=0.11>0因此，系統(tǒng)處于外延生長狀態(tài)。第十五頁，共三十頁，2022年，8月28日a.Cl的含量增加后，超飽和度下降，當SiCl4含量為20％～30％時，

由外延生長轉(zhuǎn)為刻蝕。b.當SiCl4含量為10％左右時，外延生長速率有一個最大值？超飽和度模型未能預測，因為低濃度下外延生長速率是受氣相質(zhì)量輸運限制的。c.超飽和度的值過大，會影響單晶薄膜的質(zhì)量（與薄膜生長模式有關）。結(jié)論第十六頁，共三十頁，2022年，8月28日4、薄膜生長的三種模式：(1)逐層生長（LayerGrowth）理想的外延生長模式(2)島式生長（IslandGrowth）超飽和度值越大，吸附分子主要在臺面中心結(jié)團生長。(3)逐層+島式生長（LayersandIslandsGrowth）第十七頁，共三十頁，2022年，8月28日5、硅片表面的化學反應(1)

在化學反應限制區(qū)，不同硅源的化學反應激活能是相似的。(2)一般認為，硅外延速率受限于H從硅片表面的解吸附過程。(3)

硅片表面的主要反應劑是SiCl2，反應劑是以物理方式吸附在硅片表面。第十八頁，共三十頁，2022年，8月28日圖14.8不同硅源外延淀積速率與溫度的關系第十九頁，共三十頁，2022年，8月28日三、外延層的摻雜與缺陷(1)無意識摻雜源：襯底固態(tài)源、氣態(tài)自摻雜。a.襯底固態(tài)源在外延過程中的擴散決定了外延層-襯底分界面

附近的雜質(zhì)分布。當外延生長速率時，外延層雜質(zhì)分布服從余誤差分布。b.氣相自摻雜：襯底中雜質(zhì)從圓片表面解吸出來，在氣相中

傳輸，并再次吸附到圓片表面。其雜質(zhì)分布的表達式為：其中，f是陷阱密度，Nos

是表面陷阱數(shù)，xm

是遷移寬度。1、外延層的摻雜：無意摻雜與有意識摻雜。第二十頁，共三十頁，2022年，8月28日(2)有意摻雜：最常用的摻雜源B2H6

AsH3PH3外延層摻雜的雜質(zhì)分布示意圖第二十一頁，共三十頁，2022年，8月28日(1)外延層中的缺陷種類：體內(nèi)缺陷與表面缺陷

a.體內(nèi)缺陷：堆跺層錯與位錯，由襯底缺陷延伸或外延工藝引入

b.表面缺陷：表面凸起尖峰、麻坑、霧狀缺陷等通過改進襯底制備工藝、清洗工藝和外延工藝條件，可極大改善上述缺陷密度。2、外延生長缺陷(2)外延層的圖形漂移：

外延生長速率與晶向有關，{111}面的圖形漂移最嚴重。第二十二頁，共三十頁，2022年，8月28日四、硅的氣相外延工藝1、反應原理：外延工藝一般在常壓下進行氫還原反應：硅烷分解反應：反應溫度、反應劑濃度、氣體流速、反應腔形狀結(jié)構(gòu)、襯底晶向等。低缺陷密度、厚度及其均勻性、摻雜雜質(zhì)的再分布最小2、影響外延生長速率的主要因素：3、外延層的質(zhì)量：第二十三頁，共三十頁，2022年，8月28日(1)化學清洗工藝：高純度化學溶液清洗→高純度去離子水沖洗

→高純度N2甩干SC-1的主要作用是去除微顆粒，利用NH4OH的弱堿性來活化硅的表面層，將附著其上的微顆粒去除SC-2的主要作用是去除金屬離子，利用HCl與金屬離子的化合作用來有效去除金屬離子沾污SC-3的主要作用是去除有機物（主要是殘留光刻膠），利用H2SO4的強氧化性來破壞有機物中的碳氫鍵結(jié)4、硅外延前的清洗工藝：去除表面氧化層、雜質(zhì)（有機物、無機物金屬離子等）和顆粒第二十四頁，共三十頁，2022年，8月28日DHF的主要作用是去除自然氧化層b.外延生長：SiH2Cl2＋H2c.冷卻：惰性氣體沖洗腔室，降溫到維持溫度。圖14.25在VPE反應腔內(nèi)生長1μm厚度硅外延層的典型溫度/時間過程(2)硅外延加工工藝的過程a.預清洗：H2、H2/HCl混合氣氛或真空中去除自然氧化層第二十五頁，共三十頁，2022年，8月28日a.快速熱處理工藝：SiH2Cl2在高溫下進行短時外延b.超高真空CVD外延：

低溫低氣壓下，硅烷分解形成硅外延層圖14.26ARTCVD外延系統(tǒng)示意圖(3)先進的硅外延工藝：第二十六頁，共三十頁，2022年，8月28日a.鹵化物GaAs氣相外延：HCl+AsH3氣體流過加熱的固體Ga源，生成GaCl氣體，輸運至圓片表面生成GaAs。b.

金屬有機物化學氣相淀積（MOCVD）：用于生長高質(zhì)量（具有原子層級的突變界面）III－V族化合物c.

分子束外延（MBE）技術：生長厚度精度為原子層級，膜質(zhì)量為器件級的外延層(4)其他外延工藝第二十七頁，共三十頁，2022年，8月28日圖