第六章外延片制備

第六章外延片制備第一頁(yè)，共64頁(yè)。

同質(zhì)外延：生長(zhǎng)的外延層與襯底材料相同異質(zhì)外延：外延層在結(jié)構(gòu)、性質(zhì)上與襯底材料不同外延分類:氣相外延(VPE)－－常用液相外延(LPE)－－ⅢⅤ固相外延(SPE)－－熔融再結(jié)晶

分子束外延(MBE)－－超薄第二頁(yè)，共64頁(yè)。4.2外延生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)原理

外延時(shí)，通入含有一定硅源的氫氣流，并流經(jīng)被高頻感應(yīng)加熱的硅片表面，當(dāng)條件適當(dāng)時(shí)便會(huì)在其上外延成膜.硅外延反應(yīng)器第三頁(yè)，共64頁(yè)。4.2.1一般過(guò)程H2還原SiCl4法的化學(xué)反應(yīng)式為：在生長(zhǎng)表面得到游離態(tài)的Si原子，析出的Si原子在高溫下攜帶大量的熱能，便沿著表面滑動(dòng)（擴(kuò)散）到適當(dāng)位置，按照一定的晶向加接到晶格點(diǎn)陣上，并釋放能量，固定成為晶格點(diǎn)陣的新成員。第四頁(yè)，共64頁(yè)。外延生長(zhǎng)包括下列連續(xù)步驟：1.反應(yīng)劑質(zhì)量從氣相轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)層表面2.反應(yīng)劑分子被吸附在生長(zhǎng)層表面3.在生長(zhǎng)層表面進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，得到Si原子和其他副產(chǎn)物4.副產(chǎn)物分子脫離生長(zhǎng)層表面的吸附5.解吸的副產(chǎn)物從生長(zhǎng)表面轉(zhuǎn)移到氣相，隨主流氣體逸出反應(yīng)室6.Si原子加接到晶格點(diǎn)陣上其中1和5為物理擴(kuò)散過(guò)程，2和4為吸附和解吸過(guò)程，3為表面化學(xué)反應(yīng)過(guò)程第五頁(yè)，共64頁(yè)。在開(kāi)管外延中，系統(tǒng)維持在較高的常壓（0.1MPa）狀態(tài)，俗稱常壓外延。吸附和解吸的速度相當(dāng)快，因此，混合氣氛中各組分在樣品表面的吸附狀況可看作一定。這時(shí)，外延層的生長(zhǎng)速率將主要取決于質(zhì)量傳輸和表面化學(xué)反應(yīng)。在低于一個(gè)大氣壓系統(tǒng)中進(jìn)行的外延生長(zhǎng)，稱為低壓外延。在這種情況下生長(zhǎng)速率主要受混合氣氛中各組分在樣品表面的吸附及其表面化學(xué)反應(yīng)控制。第六頁(yè)，共64頁(yè)。4.2.2生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)假設(shè)：反應(yīng)器空間和基座的幾何尺度比較起來(lái)可視為無(wú)限大，且溫度均勻。既可以忽略反應(yīng)器壁的邊界效應(yīng)，又可以認(rèn)為反應(yīng)室內(nèi)氣體的性質(zhì)（如密度、擴(kuò)散系數(shù)等）處處是一樣的。速度附面層：在接近基座表面的一薄層流體中，速度有較大的變化，把這個(gè)速度分布受到擾動(dòng)的區(qū)域稱為速度附面層自由流體：速度附面層區(qū)域以外的流體第七頁(yè)，共64頁(yè)。滯流層：因附面層里流體的速度滯慢于其外面的自由流體，故常將速度附面層稱為滯流層從附面層到其外流動(dòng)區(qū)域速度的分布是連續(xù)變化的，如圖，通常把附面層的厚度

規(guī)定為：在該處的流速已到達(dá)自由流體流速U0

的99%，其中U表示流體的流速。第八頁(yè)，共64頁(yè)。微流體元及速度分布滯留層里氣體流速分布可表示為：流體流動(dòng)時(shí)，在單位面積上產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力（4-1）第九頁(yè)，共64頁(yè)。

稱為粘滯系數(shù)。在滯流層內(nèi)距原點(diǎn)x處取一垂直于基座表面的微流體元ABCD，它在垂直于紙面方向上有一個(gè)單位長(zhǎng)度。忽略壓力沿x方向的損失，則該微流體元沿x方向只受到粘性內(nèi)摩擦力的作用。BC面的內(nèi)摩擦力為零，而AD面的內(nèi)摩擦力為與速度在垂直方向上的變化率成正比，即（4-2）（4-3）第十頁(yè)，共64頁(yè)。

式中負(fù)號(hào)表示內(nèi)摩擦力沿著x軸負(fù)方向。根據(jù)牛頓第二定律，該作用力引起微流體元內(nèi)動(dòng)量的變化。由于流體的流動(dòng)是連續(xù)的，從ABC面流進(jìn)來(lái)的流體必然全部要從CD面流出。作為近似，動(dòng)量的變化可以看作是流體由BC面流入的結(jié)果。而單位時(shí)間內(nèi)從BC面流入的流體帶入的動(dòng)量為

質(zhì)量×速度（4-4）第十一頁(yè)，共64頁(yè)。該動(dòng)量全部用在克服內(nèi)摩擦力上，故有將式（4-3）和（4-4）帶入上式，得到等式兩邊積分，并取第十二頁(yè)，共64頁(yè)。這就是滯流層厚度的近似表達(dá)式，由此可求出平均滯流層厚為式中稱為平板雷諾數(shù)，是一個(gè)無(wú)量綱數(shù)，用它可以判斷流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（4-5）（4-6）第十三頁(yè)，共64頁(yè)。

仿照速度附面層，引入質(zhì)量附面層的概念。在質(zhì)量附面層內(nèi)濃度有較大的變化，其厚度可以表示為δN設(shè)氣體內(nèi)部和生長(zhǎng)表面的反應(yīng)劑濃度分別為假定在質(zhì)量附面層里反應(yīng)劑濃度也呈線性分布即（4-7）第十四頁(yè)，共64頁(yè)。

根據(jù)擴(kuò)散理論，輸運(yùn)到外延層表面的反應(yīng)劑粒子流密度為式中為反應(yīng)劑在氫氣中的擴(kuò)散系數(shù)，結(jié)合（4-7）式，得式中稱為氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)，它具有速度的量綱（4-8）（4-9）第十五頁(yè)，共64頁(yè)。另一方面，在生長(zhǎng)層界面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)所消耗的粒子流密度為是表面化學(xué)反應(yīng)速率常數(shù)。在穩(wěn)定狀態(tài)下根據(jù)（4-10）（4-11）為硅晶體的原子密度第十六頁(yè)，共64頁(yè)。在氣體—生長(zhǎng)層界面上的反應(yīng)劑濃度和外延生長(zhǎng)速率為：第十七頁(yè)，共64頁(yè)。4.2.3生長(zhǎng)速率討論表面反應(yīng)控制當(dāng)時(shí)，化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得慢，反應(yīng)劑可以充分供給，因此在附面層中反應(yīng)劑濃度幾乎是分布均勻的；外延生長(zhǎng)速率主要取決于表面化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得快慢，所以第十八頁(yè)，共64頁(yè)。質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制當(dāng)時(shí)，在外延層表面上的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行得相當(dāng)快，凡是轉(zhuǎn)移到表面上的反應(yīng)劑分子瞬間就可以變成硅，因此表面上的反應(yīng)劑幾乎為零，外延生長(zhǎng)速率主要取決于反應(yīng)劑由氣相轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)表面的快慢，所以第十九頁(yè)，共64頁(yè)。4.3影響外延生長(zhǎng)速率的因數(shù)反應(yīng)劑濃度:為兼顧結(jié)晶的完美性和其他要求，反應(yīng)劑濃度不宜太大。在較小的反應(yīng)劑濃度范圍內(nèi)，生長(zhǎng)速率和反應(yīng)劑濃度成正比，但由于反應(yīng)生成氯化物如HCL的腐蝕作用逐漸顯著起來(lái)，使得生長(zhǎng)速率并不能按比例增加，而是趨于飽和，然后下降，一旦濃度超過(guò)某一值，腐蝕占了主導(dǎo)地位，會(huì)出現(xiàn)與生長(zhǎng)相反的過(guò)程，襯底表面被剝離。第二十頁(yè)，共64頁(yè)。溫度：B區(qū)高溫區(qū)（常選用），A區(qū)低溫區(qū)

較高溫度下，速率與溫度的關(guān)系不明顯。較低溫度下，速率隨絕對(duì)溫度的增加呈指數(shù)急增。第二十一頁(yè)，共64頁(yè)。氣體流速:氣體流速大生長(zhǎng)加快流量較小時(shí)，生長(zhǎng)速率與流量的平方根成正比第二十二頁(yè)，共64頁(yè)。生長(zhǎng)速率還與反應(yīng)腔橫截面形狀和襯底取向有關(guān)。由下圖可知，圓形管沿基座橫向，外延層厚度是中間厚、兩邊薄；矩形腔的均勻性較圓形腔好。第二十三頁(yè)，共64頁(yè)。至于生長(zhǎng)速率與襯底取向有關(guān)，是因?yàn)橥庋訉邮且r底表面沿其法線方向沿拓的結(jié)果。晶面間相互作用的共價(jià)鍵數(shù)目越多，生長(zhǎng)速率越慢。V(110)>V(100)>V(111)第二十四頁(yè)，共64頁(yè)。4.4系統(tǒng)與工藝流程系統(tǒng)示意圖第二十五頁(yè)，共64頁(yè)。工藝流程

a.把干凈的硅片裝入反應(yīng)室2-4minb.N2預(yù)沖洗260L/min4minc.H2預(yù)沖洗260L/min5min（吹入惰性氣體并充入氫氣，如使用低壓外延也需抽真空）d.升溫1850oC5mine.升溫21170oC5min（加熱到氫氣烘烤溫度，以去除氧化層，該步驟能去除50-100埃的二氧化硅層）

第二十六頁(yè)，共64頁(yè)。f.HCl腐蝕10L/min10min（加熱到HCL的刻蝕溫度，引入無(wú)水HCL刻蝕表面的硅層）g.HCl排空1.3L/min1min（吹氣去除系統(tǒng)中的摻雜劑和HCl）h.冷卻到淀積的溫度，引入硅原料和摻雜劑以淀積所要的薄膜10min

第二十七頁(yè)，共64頁(yè)。h.H2沖洗260L/min1min（去除硅原料和摻雜劑）i.降溫6min（冷卻到室溫）

j.N2沖洗3-5min（吹走氫氣）k.取出硅片第二十八頁(yè)，共64頁(yè)。4.5

外延中的摻雜及其雜質(zhì)再分布4.5.1摻雜原理外延層中的雜質(zhì)原子是在外延生長(zhǎng)時(shí)加入到晶格點(diǎn)陣中去的。因而摻雜的動(dòng)力學(xué)原理和外延生長(zhǎng)相似。最終的雜質(zhì)濃度將涉及反應(yīng)劑和摻雜劑兩者的化學(xué)動(dòng)力學(xué)性質(zhì)以及溫度，氣流等多種因素。第二十九頁(yè)，共64頁(yè)。4.5.2摻雜劑氫化物:PH3，AsH3，B2H6氯化物:POCl3，AsCl3

和硅外延生長(zhǎng)相似，混合氣氛中的摻雜劑通過(guò)擴(kuò)散向生長(zhǎng)表面輸運(yùn)，在表面附近PH3被分解出游離態(tài)的磷原子，化學(xué)反應(yīng)方程式為析出來(lái)的磷原子加入到硅晶體的晶格點(diǎn)陣，并離化成帶正電的施主離子，隨著外延生長(zhǎng)的進(jìn)行繼續(xù)向襯底深處擴(kuò)散。

第三十頁(yè)，共64頁(yè)。4.5.3外延過(guò)程中的雜質(zhì)再分布摻入外延層中的雜質(zhì)一般與襯底雜質(zhì)不同，即使相同，濃度也不一樣。同型雜質(zhì)異型雜質(zhì)第三十一頁(yè)，共64頁(yè)。硅外延工藝在高溫下進(jìn)行，因此雜質(zhì)的再擴(kuò)散不可忽視。一方面，由外部摻入到外延層中的雜質(zhì)繼續(xù)向襯底深處擴(kuò)散；另一方面，襯底中的雜質(zhì)又不斷地向生長(zhǎng)著的外延層擴(kuò)散。總的擴(kuò)散濃度是它們各自擴(kuò)散的共同結(jié)果。同一導(dǎo)電類型的雜質(zhì)取正號(hào)，相反類型的雜質(zhì)取負(fù)號(hào)第三十二頁(yè)，共64頁(yè)。4.6自摻雜效應(yīng)4.6.1自摻雜效應(yīng)及其來(lái)源在外延生長(zhǎng)期間，襯底雜質(zhì)將不斷擴(kuò)散并從其表面蒸發(fā)出來(lái)，這種蒸發(fā)效應(yīng)主要發(fā)生在生長(zhǎng)初期，而后由于外延層的有效阻擋雜質(zhì)將難以逸出，生長(zhǎng)速率越慢，雜質(zhì)能逸出表面的有效時(shí)間就越長(zhǎng)。第三十三頁(yè)，共64頁(yè)。對(duì)于發(fā)生在襯底背面的蒸發(fā)效應(yīng)，由于它與加熱基座直接接觸，溫度較高，蒸發(fā)將更甚，這種蒸發(fā)效應(yīng)在整個(gè)淀積過(guò)程中都存在，特別在生長(zhǎng)的后期，成為主要的蒸發(fā)源。第三十四頁(yè)，共64頁(yè)。雜質(zhì)從襯底片正面和背面的蒸發(fā)，不僅發(fā)生在生長(zhǎng)期間，而且還發(fā)生在外延層正式開(kāi)始生長(zhǎng)之前的熱處理過(guò)程中，如等待升溫，氣流穩(wěn)定期間等，廣義講，這種蒸發(fā)是由于對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)烘焙引起的。第三十五頁(yè)，共64頁(yè)。如果進(jìn)行氣相腐蝕，隨著硅的去除，大量的雜質(zhì)被釋放出來(lái)，也會(huì)使積蓄在附面層里的雜質(zhì)大大增加。這樣從樣品表面蒸發(fā)和腐蝕出來(lái)的雜質(zhì)進(jìn)入氣相中，將起著摻雜劑的作用，重新進(jìn)入外延層。第三十六頁(yè)，共64頁(yè)。除此之外，加熱基座、外延系統(tǒng)和輸入氣體中沾污的雜質(zhì)也會(huì)進(jìn)入外延層中。外延層中的雜質(zhì)除了人為的摻入以外，還存在著襯底和其它雜質(zhì)非人為地?fù)饺?，統(tǒng)稱為自摻雜效應(yīng)。第三十七頁(yè)，共64頁(yè)。

在外延淀積過(guò)程中，摻雜劑從襯底上重?fù)诫s的區(qū)域通過(guò)兩種方式進(jìn)入到正在生長(zhǎng)的薄膜中：一方面是由襯底雜質(zhì)的固態(tài)外擴(kuò)散引起的;另一方面是由上述各種原因引起的氣相自摻雜所致。第三十八頁(yè)，共64頁(yè)。4.6.3減少自摻雜的方法1.為避免硼的自摻雜，外延淀積過(guò)程應(yīng)在盡可能最低的淀積溫度下進(jìn)行，這等價(jià)于高質(zhì)量的膜和合理的淀積速率（SiH2Cl2可以在比SiCl4低的溫度下淀積）。這只對(duì)減少硼的自摻雜有效，因?yàn)槭聦?shí)上在較低溫度時(shí)砷的自摻雜增加了。第三十九頁(yè)，共64頁(yè)。2.應(yīng)使用有較低蒸氣壓和低擴(kuò)散率的襯底和埋層摻雜劑。3.用輕摻雜的硅封住襯底和支架背面4.在降低壓強(qiáng)下操作外延系統(tǒng)以減少橫向自摻雜。由于氣體分子的擴(kuò)散率在氣壓減少時(shí)增加了，使得摻雜原子能迅速到達(dá)主氣流并被帶出反應(yīng)室，從而減少橫向自摻雜。只對(duì)磷和砷有用，對(duì)硼無(wú)效。第四十頁(yè)，共64頁(yè)。5.使用離子注入的埋層以減小襯底表面濃度。6.在HCl刻蝕之后采用一個(gè)低溫吹氣的工藝，保證刻蝕時(shí)所涉及的摻雜劑被帶出系統(tǒng)。第四十一頁(yè)，共64頁(yè)。注意外延層的晶體質(zhì)量不應(yīng)該超過(guò)襯底的質(zhì)量。因而在硅片預(yù)處理時(shí)必須非常小心。外延前硅片的清潔要求從硅片的正面和背面去除顆粒、有機(jī)的和無(wú)機(jī)的沾污。一般地這樣的清潔過(guò)程是不夠的，還要求有一個(gè)額外的溫度超過(guò)1100度的即時(shí)的無(wú)水HCl的刻蝕來(lái)從表面去除剩余的沾污。第四十二頁(yè)，共64頁(yè)。必須小心以避免硅襯底的有效厚度的喪失，因?yàn)樵诟邷貢r(shí)刻蝕的速率很快。如果在較低的溫度（1050），已發(fā)現(xiàn)SF6是即時(shí)刻蝕中HCl的合適替代品。第四十三頁(yè)，共64頁(yè)。4.7對(duì)VLSI外延淀積的工藝考慮第四十四頁(yè)，共64頁(yè)。4.8圖形的移動(dòng)、變形和沖環(huán)當(dāng)檢查淀積在埋層上的外延層中的臺(tái)階圖形時(shí)，有時(shí)候會(huì)發(fā)現(xiàn)它的位置相對(duì)于它在埋層中的位置發(fā)生了移動(dòng)。這些效應(yīng)被分別稱為圖形移動(dòng)、圖形變形和圖形沖環(huán)。第四十五頁(yè)，共64頁(yè)。這些效應(yīng)取決于基片取向、淀積速率、淀積溫度和硅的原料。晶體取向?qū)D形移動(dòng)有重要影響。對(duì)與<100>取向的硅片，軸的方向上的圖形移動(dòng)最小，而<111>硅片則在偏離<111>方向20-50、接近<100>方向時(shí)，表現(xiàn)出最小的影響。因而通常用于生長(zhǎng)<111>取向的外延層的基片有30的偏離。第四十六頁(yè)，共64頁(yè)。對(duì)圖形移動(dòng)進(jìn)行研究表明，當(dāng)溫度增加時(shí)，移動(dòng)減小了；減壓的淀積能大大減少圖形移動(dòng)；使用SiH4作為硅的來(lái)源可消除圖形的移動(dòng)。

對(duì)于<111>和<100>方向，淀積速率增加時(shí)移動(dòng)增加；Cl2或HCl的存在會(huì)誘發(fā)圖形的移動(dòng)。

第四十七頁(yè)，共64頁(yè)。對(duì)圖形變形進(jìn)行研究表明，在<111>和<100>基片上都發(fā)生變形，但在<100>基片上更嚴(yán)重些。不像圖形移動(dòng)時(shí)的情況，溫度增加和淀積速率減少會(huì)增加圖形變形。另外，使用SiH4作為硅的來(lái)源導(dǎo)致了比使用氯基源更多的圖形變形。層厚的增加可以減少變形。第四十八頁(yè)，共64頁(yè)。

圖形變形和移動(dòng)之間的決定因素是相反的，必須采用折衷的、經(jīng)驗(yàn)性的研究結(jié)果來(lái)調(diào)整外延工藝以減少變形和移動(dòng)。第四十九頁(yè)，共64頁(yè)。4.9參數(shù)測(cè)量第五十頁(yè)，共64頁(yè)。4.10外延的用途雙極電路：利用n/n+硅外延，將雙極型高頻功率晶體管制作在n型外延層內(nèi)，n+硅用作機(jī)械支撐層和導(dǎo)電層，降低了集電極的串聯(lián)電阻。采用n/p外延片，通過(guò)簡(jiǎn)單的p型雜質(zhì)隔離擴(kuò)散，便能實(shí)現(xiàn)雙極集成電路元器件間的隔離。外延層和襯底中不同類型的摻雜形成的p--n結(jié)，它不是通過(guò)雜質(zhì)補(bǔ)償作用形成的，其雜質(zhì)分布可接近理想的突變結(jié)。第五十一頁(yè)，共64頁(yè)。外延改善NMOS存儲(chǔ)器電路特性:(1)提高器件的擊穿電壓(2)采用低阻上外延高阻層，可降低源、漏n+區(qū)耗盡層寄生電容，并提高器件對(duì)襯底中雜散電荷噪聲的抗擾度(3)硅外延片可提供比襯底高的載流子壽命，使半導(dǎo)體存儲(chǔ)器的電荷保持性能提高。第五十二頁(yè)，共64頁(yè)。器件微型化：提高器件的性能和集成度要求按比例縮小器件的橫向和縱向尺寸。其中，外延層厚度和摻雜濃度的控制是縱向微細(xì)加工的重要組成部分；薄層外延能使p-n結(jié)隔離或氧化物隔離的橫向擴(kuò)展尺寸大為減小。第五十三頁(yè)，共64頁(yè)。工藝多樣化：具有相反導(dǎo)電類型的外延層，在器件工藝中可形成結(jié)和隔離區(qū)；薄層外延供器件發(fā)展等平面隔離和高速電路；選擇外延可取代等平面隔離工藝來(lái)發(fā)展平面隔離；絕緣襯底上的多層外延工藝可以發(fā)展三維空間電路第五十四頁(yè)，共64頁(yè)。4.11絕緣體上外延硅（SOI）（異質(zhì)外延）SOI是Silicon-on-Insulator的縮寫(xiě)，是一種在硅材料與硅集成電路巨大成功的基礎(chǔ)上出現(xiàn)、有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)、能突破硅材料與硅集成電路限制的新技術(shù)。隨著芯片特征尺寸跨入納米尺度以后，一些問(wèn)題接踵而來(lái)，如電容損耗、漏電流增大、噪聲提升、閂鎖效應(yīng)和短溝道效應(yīng)等。第五十五頁(yè)，共64頁(yè)。為克服這些問(wèn)題，SOI技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。作為標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝的一種改進(jìn)技術(shù)，SOI技術(shù)通過(guò)在兩層硅之間封入一個(gè)絕緣的氧化層，從而將活躍的晶體管元件互相隔離。SiO2埋層能有效地使電子從一個(gè)晶體管門電路流到另一個(gè)晶體管門電路，不讓多余的電子滲漏到硅襯底上。第五十六頁(yè)，共64頁(yè)。

SOI器件具有寄生電容小、短溝道效應(yīng)小、速度快、集成度高、功耗低、耐高溫、抗輻射等有點(diǎn)，越來(lái)越受業(yè)界青睞。SOI由以下三層構(gòu)成：1.薄薄的單晶硅頂層，在其上形成刻蝕電路2.相當(dāng)薄的絕緣二氧化硅中間層3.非常厚的體型襯底硅襯底層，其主要作用是為上面得了兩層提供機(jī)械支撐第五