（材料物理与化学专业论文）利用掺锗的重掺硼硅衬底生长无失配位错的ppltgt硅外延片.pdf

硕 士 学位 论文 y 8 4 6 2 8 1 摘要 p p + 硅外延片是一类重要的硅材料，目前，p p + 硅外延片主要在以c m o s 工 艺为代表的超大规模集成电路和大功率器件中应用。由于轻掺硼硅外延层与重掺 硼硅单晶衬底存在显著的晶格失配，厚膜p p + 硅外延片通常含有大量的失配位 错，因而使晶体管的漏电流增大。因此，如何减少或消除p p + 硅外延片的失配位 错是有待解决的问题。为此，我们尝试在重掺硼硅单晶中掺入适量的锗，并用这 种掺锗的重掺硼硅单晶片作为衬底生长p p + 硅外延片。本文围绕这种改进的p p + 硅外延片的制各过程、失配位错产生情况以及掺锗的重掺硼硅衬底片的氧沉淀行 为展开一系列的研究，取得了以下主要的结论： 1 利用掺锗的重掺硼直拉硅衬底生长无失配位错的p p + 硅外延片 利用直拉法从掺硼浓度为2 x 1 0 1 9 g m 、掺锗浓度为1 4 8 x 1 0 ：t m 一3 的硅熔体 中生长出4 英寸、 晶向的掺锗的重掺硼硅单晶。从该单晶中获取电阻率为 6 6 5 m x q c m 的硅片，经抛光后作为衬底生长出轻掺p 型、厚度为l o 一1 0 0 肛m 的硅外延层。研究表明，利用这种掺锗的重掺硼直拉硅片作为衬底可以生长出膜 厚高达1 0 0 h m 的无失配位错的p p + 硅外延片。 我们认为，将原子半径比硅大的锗掺入重掺硼硅单晶中，可以起到品格应力 补偿的作用，从而减小重掺硼硅单晶的晶格畸变，这是利用掺锗的重掺硼直拉硅 衬底生长无失配位错的p p + 硅外延片的根本思路。在实践中，根据所需的外延层 厚度来决定衬底硅片所需的重掺硼硅单晶中的掺锗浓度，从而使整根硅单晶的品 格畸变都降低到某个范围，进而利用掺锗的重掺硼硅片作为衬底可以生长出一定 膜厚的无失配位错的硅外延片。 2 利用掺锗的重掺硼衬底生长的p ，p + 硅外延片的热稳定性 。利用掺锗的重掺硼硅衬底生长的p + 硅外延片。在经模拟的m o s 器件工艺 热处理流程后，仍然没有出现失配位错，表明这种改进的p p + 硅外延片具有优良 的热稳定性。 3 硼在p i p + 硅外延片中的外扩散 在p p + 硅外延片的生长过程中，重掺硼硅衬底中的硼会向轻掺外延层扩散。 硕 士 学位论文 研究表明，锗的掺入可以抑制硼的外扩散，这可能是由于锗和硼形成了g e b 对， 从而阻碍硼的外扩散。因此，利用掺锗的重掺硼硅衬底生长的p p + 硅外延片的过 渡区要比普通的p p + 硅外延片更窄。 4 锗对重掺硼直拉硅衬底的氧沉淀的影响 经低高两步退火( 6 5 0 。c 4 1 6 h + 1 0 0 0 1 6 h ) 后，掺锗的重掺硼硅样品中 的体缺陷密度明显低于一般的重掺硼硅样品，这是因为锗掺入重掺硼硅中引入的 张应力不利于氧沉淀的长大。 经8 0 0 、9 5 0 。c 和1 0 5 0 单步退火以及低高两步退火( 8 0 0 。c 4 1 2 8 h + 1 0 0 0 1 6 h ) 后，掺锗的重掺硼硅样品中体缺陷密度都远低于一般的重掺硼硅样品。 这是由于锗的掺入给硅基体带来了张应力，抑制了可以作为氧沉淀异质形核中心 的b o 复合体的形成。 关键词： p p + 硅外延片， 失配位错，锗，重掺硼直拉硅 硕 士学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y s ，p p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r sa r ew i d e l ya p p l i e di nc m o s a n dp o w e r d e v i c e s u n f o r t u n a t e l y , am a s so fm i s f i t d i s l o c a t i o n sg e n e r a l l yf o r m i nt h ep p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r sd u et ot h er e l e a s eo fm i s m a t c hs t r a i ni n d u c e db yt h el a t t i c e m i s m a t c hb e t w e e nt h eh e a v i l yb o r o n - d o p e ds u b s t r a t ea n dl i g h t l yb o r o n - - d o p e d e p i t a x i a ll a y e r t h em i s f i td i s l o c a t i o n sd e f i n i t e l yl e a dt os i g n i f i c a n tl e a k a g e c u r r e n to f t r a n s i s t o r s t h e r e f o r e ，h o wt or e d u c ea n de v e ne l i m i n a t et h em i s f i td i s l o c a t i o n si np p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r si sas t r i n g e n ti s s u et ob ea d d r e s s e d i nt h i sr e g a r d ，h e r e i n ，a w o r t h w h i l ee f f o r th a sb e e ne x p e n d e db yu s i n gh e a v i l yg e r m a n i u ma n db o r o n ( g e - b ) c o - d o p e ds i l i c o nw a f e ra st h es u b s t r a t ef o rp p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r l i s t e db e l o w a r et h em a i nr e s u l t sa c h i e v e di nt h i st h e s i s 1 g r o w t ho fm i s f i td i s l o c a t i o n - f r e ep p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r sb yu s i n gg e - b e o d o p e ds i l i c o nw a f e r sa ss u b s t r a t e s t h eg e - be o d o p e dc z o c h r a l s k is i l i c o nc r y s t a lw a sf i r s t l yg r o w nf r o mt h es i l i c o n m e l td o p e dw i t hb o r o na n dg e r m a n i u mw i t hc o n c e n t r a t i o n so f2 x10 1 9e m 。a n d 1 4 8 x1 0 2 0 c m 一，r e s p e c t i v e l y s u b s e q u e n t l y , af e wt e n sp o l i s h e dw a f e r sw i t ht h e r e s i s t i v i t i e so fa b o u t6 - 6 5 m q c mw e r ep r o c e s s e df r o mt h i ss i l i c o ni n g o t l a s t l y , 10 - 10 0 9 mt h i c kl i g h t l yb o r o n - d o p e de p i t a x i a ll a y e r sw e r ed e p o s i t e do nt h ep o l i s h e d g e bc o d o p e dw a f e r s a c c o r d i n gt oe x p e c t a t i o n ，m i s f i td i s l o c a t i o n - f r e ep p + e p i t a x i a l s i l i c o nw a f e r sw e r ea c h i e v e db yu s i n gg e bc o d o p e ds i l i c o nw a f e r sa st h es u b s t r a t e s g e n e r a l l y , t h el a t t i c eo fh e a v i l yb o r o n d o p e ds i l i c o nc r y s t a li sd i s t o r t e dt ol a r g e e x t e n tb e c a u s et h et e t r a h e d r a lc o v a l e n tr a d i u so fb o r o na t o mi ss m a l l e rt h a nt h a to f s i l i c o na t o m i ti st h el a t t i c ed i s t o r t i o no fh e a v i l yb o r o n - d o p e ds i l i c o nc r y s t a lt h a t l e a d st ot h em i s m a t c hd i s l o c a t i o n si nt h ep 矿e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e nt h eb a s i ci d e a u n d e r l y i n gt h eg r o w t ho fm i s f i td i s l o c a t i o n f r e ep p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e ru s i n g g e bc o d o p e ds i l i c o ns u b s t r a t ei st h a tt h ei n t r o d u c t i o no fe n o u g ha m o u n to fg ea t o m s i n t ot h eh e a v i l yb o r o n - d o p e ds i l i c o nc r y s t a lc a nc o n s i d e r a b l yr e d u c et h el a t t i c e 硕 士学 位 论文 d i s t o r t i o n ，b e c a u s et h et e t r a h e d r a lc o v a l e n tr a d i u so fg e r m a n i u ma t o mi sl a r g e rt h a n t h a to fs i l i c o na t o m i np r a c t i c e ，a c c o r d i n gt ot h ec u s t o m i z e dt h i c k n e s so fe p i t a x i a l l a y e r , t h el a t t i c e d i s t o r t i o no fw h o l eg e bc o d o p e ds i l i c o ni n g o tc a nb e w e l l c o n t r o l l e dw i t h i nad e s i r a b l er a n g et h r o u g hd o p i n gac e r t a i na m o u n to fg e r m a n i u m a t o m s ；t h e r e f o r e ，u s i n gt h ep o l i s h e dw a f e r sp r o c e s s e df r o mt h i ss i l i c o ni n g o t ，m i s f i t d i s l o c a t i o n - f r e ep p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e rw i t hc e r t a i nt h i c k n e s s e sc a nb ea c h i e v e d 2 t h e r m a ls t a b i l i t yo fp p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r sg r o w no ng e - bc o d o p e d s i l i c o ns u b s t r a t e s i tw r sf o u n dt h a tn om i s f i td i s l o c a t i o n sa p p e a r e di nt h em o d i f i e dp p + e p i t a x i a l s i l i c o nw a f e r st h a tw e r es u b j e c t e dt ot h es i m u l a t e dm o sd e v i c et h e r m a lc y c l e s t h e r e f o r e ，i tc a nb eb e l i e v e dt h a tt h em o d i f i e dp p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r sa r eo f s u p e r i o rt h e r m a ls t a b i l i t y 3 b o r o no u t - d i f f u s i o ni np p + e p i t a x i a ls i l i e o nw a f e r s d u r i n gt h eg r o w t ho fp p * e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r s ，b o r o ni nt h es u b s t r a t ew i l l o u t - - d i f f u s ei n t ot h ee p i t a x i a ll a y e r i tw a ss h o w nt h a tt h eo u t - - d i f f u s i o no f b o r o nw a st o c e r t a i ne x t e n ts u p p r e s s e db yc o d o p i n gg e r m a n i u mi n t ot h eh e a v i l yb o r o n - d o p e d s n b n r a t e ，w h i c hi sp r o b a b l yd u et ot h ef o r m a t i o no fg e bp a i r s t h e r e f o r e ，t h e t r a n s i t i o n a lz o n ei nt h em o d i f i e dp p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e ri sn a r r o w e rt h a nt h a ti n t h ec o n v e n t i o n a lp p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r s 4 e f f e c t so fg e r m a n i u m0 1 1 1 o x y g e np r e c i p i t a t ei nh e a r 耐b o r o n - h o p e d c z o e h r a l s k i ( c z ) s i l i c o n t h ed e n s i t yo f b u l km i c r o - d e f e c t s ( b m d s ) i nt h eg e bc o d o p e dc zs i l i c o nw a s m u c hl o w e rt h a nt h a ti nt h ec o n v e n t i o n a lh e a v i l yb o r o n d o p e dc zs i l i c o nw h e n s u b j e c t e d t ot w os t e pa n n e a lo f6 5 0 4 h + 1 0 0 0 1 6 h t h e o r i g i no ft h i s p h e n o m e n o ni s m o s tl i k e l yd u et ot h et e n s i l es t r e s si n t r o d u c e db yt h ed o p e d g e r m a n i u m ，w h i c hs u p p r e s s e st h eg r o w t ho fo x y g e np r e c i p i t a t e s w h e ns u b j e c t e dt os i n g l es t e pa n n e a la tt e m p e r a t u r e s8 0 0 ，9 5 0a n dt 0 5 0 。| ca n d t w o s t e pa n n e a l ( 8 0 0 。c 4 - 1 2 8 h + 1 0 0 0 。c 1 6 h ) ，i tw a sf o u n dt h a tt h eb m dd e n s i t yo f g e bc o d o p e ds i l i c o nw a s m u c hl o w e rt h a nt h a to fc o n v e n t i o n a lh e a v i l yb o r o nd o p e d s i l i c o n b a s e do nt h i sr e s u l t ，i ti sb e l i e v e dt h a tt h ef o r m a t i o no fb o r o n o x y g e n 4 硕士学位论文 c o m p l e x e sg e n e r a l l yf o r m e di nt h et e m p e r a t u r er a n g e8 0 0 - 1 0 5 0 。c ，w h i c ha r et h e h e t e r o g e n e o u sn u c l e m i o ns i t e sf o ro x y g e np r e c i p i t a t i o n ，i ss i g n i f i c a n t l ys u p p r e s s e db y t h ed o p e dg e r m a n i u ma t o m s k e yw o r d s ：p p + e p i t a x i a ls i l i c o nw a f e r , m i s f i td i s l o c a t i o n ， g e r m a n i u m ， h e a v i l yb o r o nd o p e dc z o c h r a l s k is i l i c o n 5 硕士学位论文 第一章前言 在当今信息社会时代，微电子工业己成为国民经济的支柱产业，在国家的经 济、国防和科技现代化方面起着举足轻重的作用。半导体硅材料是微电子产业的 基础材料，也是信息技术产业的支柱材料。自从人类发明了二极管后近半个世纪 以来，硅材料的发展大力促进了集成电路和整个微电子产业的发展和进步。尽管 现在超大集成电路遵循“摩尔定律”不断高速发展，设计线宽越来越低，但不断 发展的硅材料总能适应器件发展，满足器越来越苛刻的要求。在可预见的将来， 硅材料仍旧将保持其主导地位。 在单晶衬底上生长一薄层单晶的工艺，被称为外延生长( e p i t a x i s ) 。它是由两 个希腊字母( 意义为“在上面的”e p i 和意义为“有序的”t a x i s ) 拼写而成的， 其意思是指在一晶体衬底上生长结晶薄层的方法。新生单晶层是按衬底晶向生长 的，并可根据需要控制其导电类型、电阻率和厚度等，且这些参数不依赖于衬底 片中的杂质种类和掺杂水平。 1 9 6 0 年，硅外延技术工艺问世并很快地应用于双极型集成电路，但是当时 人们对外延工艺认识不足，并且有很多技术问题尚未解决，致使该工艺未能用于 m o s 集成电路，而一直采用硅单晶作为m o s 的衬底材料。直到1 9 7 8 年秋，德 国的德州仪器公司宣布：在6 4 kd r a m 中采用了外延层( 实际上已经应用了一 年) ，这一事件引起了世界的广泛关注，随后贝尔实验室、西屋公司以及日本的 一些公司等也相继采用了外延技术。 随着微电子技术的迅速发展，电子器件的特征尺寸的逐步缩小，又出现了一 些新的问题：旺粒子的软误差效应、c m o s 电路的闩琐效应等问题已经变得越来 越严重。和硅单晶相比，硅外延材料不仅很好地解决了硅单晶片的损伤层问题， 可以得到一个趋于完美的表面，而且可以解决上述的硅单晶片无法解决的问题。 具体来说，如果我们采用重掺杂衬底的高电阻率的外延材料( 即p p + 硅外延片) 作为u l s i 的衬底，会具有以下不可比拟的优越性：( 1 ) 提高硅材料的完美性： ( 2 ) 提高了集成度；( 3 ) 提高少予寿命，降低存储单，i 的漏电流：( 4 ) 提高电 路速度；( 5 ) 改善电路的功率特性与频率特性；( 6 ) 降低q 粒子的软误差：( 7 ) 硕 士 学位 论文 解决c m o s 电路的闩琐问题。 不幸的是，当重掺衬底与轻掺外延层之间存在着一定的晶格失配时，由于失 配应力的释放，失配位错很容易在p p + 硅外延片的界面处形成。虽然失配位错对 金属沾污有良好的吸杂效果，但与它伴随的穿透整个外延层的贯穿位错将使器件 的漏电流增大引起器件失效。因此，直到今天，失配位错的产生在p p + 硅外延片 的大规模工业生产中仍是一个长期困扰急需解决的问题。 将原子半径比硅大的锗原子和原子半径比硅小的硼原子共同掺入硅单晶中， 可以起到晶格应力补偿的效果，从而从根本上达到了消除了p p + 硅外延片中的失 配位错的产生。实验证明，利用掺锗的重掺硼硅衬底生长没有失配位错的p p + 硅外延片是可以实现的，而这一点使用普通的重掺硼的直拉硅衬底无法做到。 根据该研究工作的基本思路，可以相信，通过在重掺硼直拉硅衬底中掺入适 量的锗控制晶格应力补偿的程度可以预测p p + 硅外延片不出现失配位错的临界 膜厚。反过来，在大规模的工业生产中为了满足客户订单中对外延膜厚的要求， 只需要在硅单晶生长时掺入适量的硼和锗将硅晶格的畸变控制在一定的范围即 可生长出没有失配位错的p p + 硅外延片。 同时，锗的掺入会抑制重掺硼硅中氧沉淀的生成以及钉杂位错，由氧沉淀引 起的二次缺陷也同样得到抑制。 本文利用掺锗的重掺硼直拉硅衬底生长出无失配位错的p p + 硅外延片并对 掺锗的重掺硼硅衬底的氧沉淀行为进行了研究。 在文章的结构安排上，第一章是前言，简要介绍了论文选题的意义以及所作 的主要工作；第二章为文献综述，介绍了外延生长过程、外延生长缺陷以及重掺 硼衬底硅单晶的氧沉淀行为；第三章介绍了在实验中所用到的生长、测试和退火 设备；第四章研究了以掺锗的重掺硼硅单晶片作为衬底生长的p p + 硅外延片的各 种性质：第五章研究了掺锗的重掺硼硅单晶衬底的氧沉淀行为；第六章对全文的 主要论点和结论作了总结。 硕士学位论文 第二章文献综述 第一节外延生长 已有多种技术用于硅单晶的淀积：l ：，其中，热c v d ，或称气相外延( v p e ， v a p o r - p h a s ee p i t a x y ) ，这是一种在集成电路制造中最普遍采用的硅外延生长工 艺，该工艺利用加热来提供化学过程进行所需的能量。应用外延层的关键是，在 外延生长的同时应能够很好地控制膜的组分，掺杂，厚度，以及得到近于零的 缺陷密度。 2 1 1 硅片清洗和自然氧化物去除 生长前衬底必须清洗，也就是自然氧化物，残留杂质和颗粒必须去除。对许 多工艺这是一种普遍的要求 2 。理想的目标足通过该步骤残生完美的硅片表面， 无任何杂质和原子错位。即使所有杂质都已去除，这种理想目标也不可能达到， 因为硅片表碰本身也有不饱和的键，原子会在表面移动并重新结构以减少这些不 饱和键，进一步地，在实际半导体制造中，硅片在从清洗台到进入生长腔期间， 要暴露预卒气中这样硅片表面将氧化，并从空气中吸附碳杂质。通常只有在超 高真空设备中才可得到这样纯净的表面。 硅片表面可能的杂质类犁有，光刻胶残留物中的有机物，刻蚀产生的聚合物， 注入和刻蚀的等离子腔早产生的金属颗粒，以及薄氧化层。去除所有这些杂质需 要一系列操作，每一步操作以在去离子水中的清洗结束。水的纯度以电阻率和总 有机物含量( ，【o c ) 来衡量，通常电阻率为1 4 - 一1 8m n c m ，t o c 含量为百万分 之几。一种最常用的湿法化学清洗是r c a 清洗 3 ：，通常在只有裸硅和硅上有薄 氧化层时使用，这是一项标准工艺，当混和容易配l k 合适，温度适当时，r c a 清洗不会严重损伤硅片表面。最简单的r c a 清洗包括一系列的溶液中的浸泡， 为了保证新鲜化学济液的供应，容易被抽到一种喷洗系统中，这种清洗系统使用 较少的化学溶液，并能得到可再生的清洗环境。 有机贱留物通常在氧化缓冲溶液中去除，典型的溶液是氨水，双氧水和水按 有机贱留物通常在氧化缓冲溶液中去除，典型的溶液是氨水，双氧水和水按 硕 ：l 学位 论文 第二章文献综述 第一节外延生长 已有多种技术用于硅单晶的淀积 1 ，其中，热c v d ，或称气相外延( v p e ， v a p o r - p h a s ee p i t a x y ) ，这是一种在集成电路制造中最普遍采用的硅外延生长工 艺，该工艺利用加热来提供化学过程进行所需的能量。应用外延层的关键是，在 外延生长的同时，应能够很好地控制膜的组分，掺杂，厚度，以及得到近于零的 缺陷密度。 2 1 1 硅片清洗和自然氧化物去除 生长前衬底必须清洗，也就是自然氧化物，残留杂质和颗粒必须去除。对许 多工艺这是一种普遍的要求 2 。理想的目标是通过该步骤残生完美的硅片表面， 无任何杂质和原子错位。即使所有杂质都己去除，这种理想目标也不可能达到， 因为硅片表面本身也有不饱和的键，原子会在表面移动并重新结构以减少这些不 饱和键，进一步地，在实际半导体制造中，硅片在从清洗台到进入生长腔期间， 要暴露预空气中，这样硅片表面将氧化，并从空气中吸附碳杂质。通常只有在超 高真空设备中才可得到这样纯净的表面。 硅片表面可能的杂质类型有，光刻胶残留物中的有机物，刻蚀产生的聚合物， 注入和刻蚀的等离子腔里产生的金属颗粒，以及薄氧化层。去除所有这些杂质需 要一系列操作，每步操作以在去离子水中的清洗结束。水的纯度以电阻率和总 有机物含量( t o c ) 来衡量，通常电阻率为1 4 - - - 1 8m q c m ，t o c 含量为百万分 之几。一种最常用的湿法化学清洗是r c a 清洗 3 ，通常在只有裸硅和硅上有薄 氧化层时使用，这是一项标准工艺，当混和容易配比合适，温度适当时，r c a 清洗不会严重损伤硅片表面。最简单的r c a 清洗包括一系列的溶液中的浸泡， 为了保证新鲜化学溶液的供应，容易被抽到一种喷洗系统中，这种清洗系统使用 较少的化学溶液，并能得到可再生的清洗环境。 有机残留物通常在氧化缓冲溶液中去除，典型的溶液是氨水，双氧水和水按 硕 士 学位 论 文 1 ：1 ：5 的体积比混和 4 。近来也发现降低氨水浓度有利于减轻沾污和表面粗糙 度。清洗槽的温度通常维持在7 0 8 0 。c ，时间为1 0 1 5 分钟，以加强化学反应 能力。这种溶液也会融解掉元素周期表中的ib 和i ib 族元素，以及其他元素如： 金，银，镍，镉，锌，钴和铬 5 ，因为反应物会损耗，溶液必须在使用前配备。 其他的酸类，包括盐酸、硝酸和醋酸的稀释液，在去除一些金属杂质方面也非常 有效 6 。 因为双氧水是一种强氧化剂，在清洗时硅表面会被氧化，为了去除这个氧化 层，员片会在稀释或缓冲的h f 溶液中漂洗，用h f 去除氧化物的时间取决于溶 液的强度，通常短于1 0 秒钟，是否完全去除表面氧化物可用脱水性来检查：在 裸硅表面水会很快流掉，而如果硅表面有氧化物，水会流得较慢，硅便面会在几 分钟内保持含水状态。 最后，重碱离子和阳离子在含卤素溶液中去除，通常是将盐酸，双氧水和水 体积比为l ：l ：5 的混和溶液加热到7 5 8 0 。c ，浸泡时间为1 0 1 5 分钟，并进行 去离子水的漂洗，以使用压缩氮气及甩干的干燥步骤完成整个过程。在设计r c a 清洗时重要一点是将氨水和氯化氢溶液很好地隔离开，这些溶液地蒸气会反应形 成氯化氨，给清洗槽造成颗粒污染。 湿法化学清洗通常在硅便面留下一层薄地不含金属和有机物杂质地氧化层，为了 得到好的外延生长，此氧化层必须去除，通常v p e 工艺的第一步，是加热预处 理用来去除自然氧化层，这可在h 2 ，h 2 m c l 混合气氛，或真空中进行。1 的 h 2 f h c l 混合气氛同时也会腐蚀硅，如果接下来的外延生成，采用不含氯的硅烷 或乙硅烷，则此种腐蚀较为适宜 7 。大多数的v p e 系统，没有直接的测量来表 明预清洗是否已很好完成，因此对于生长系统而言，当能够得到很好的薄膜时， 应简单地固定和标准化此时的工艺。 2 1 2 气相外延生长的热动力学 如图2 1 所示，d e a l 模型是用来描述气相外延的最简单的模型 8 。设淀积 粒子穿过气体附面层的流量与薄膜生长表面所消耗的反应剂流量相等： f 2h g ( c g - c 。) = k ，c 。 ( 2 - - 1 ) 式中，h g 是质量传输系数，取决于腔中的气流量；k 。是表面反应速率；c g ，c 。 硕 士 学 位论 文 分别是气流中反应剂浓度和硅片表面反应剂浓度。 设n 为硅晶体的原予密度( 5 1 0 2 2 c m 。) 除以所生长 分子中的硅原予数，则生长速率r 为； r ：一f ( 2 2 ) n 利用式2 一l 和式2 - - 2 可以分别得到生长界面上的气 体反应剂浓度和外延生长速率为： c s 2 志 图2 1d e a l 模型 ( 2 3 ) r ：生坠垒：生堕y ( 2 - - 4 ) k s + h gnb + h gn 式中，c 表示气流中混和气体的总浓度；y 表示反应剂的浓度。当k s h g 时，r 由质量传输系数决定，当h p k 。时，r 由表面反应速率决定。 式2 4 可见，在温度不变时r 与y 成正比。由于生长模型本省没有考虑腐 蚀过程，因此它对y 较大的情况当然时不适用的。 尽管d e a l 模型为生长提供了一种半定量的模型，但它将生长过程过于简单 化了。与氧化不同，外延粒子并不是馈入的气体，在气相和硅片表面发生着许多 化学反应。使得问题进一步复杂化的，是在生长过程中还伴随着大量的促进或与 之竞争的过程，例如在s i h - c 1 系统中，硅片表面包含硅的粒子可能有s i c l 2 ，s i c i 。 或s i ，在低压或低进气流量下，这些反应性粒子的产生限制了生长速度：硅原子 被吸附到硅片的表面，而同时衬底本身由于与c l 的反应而被蚀刻。d e a l 模型并 没有把这些复杂的化学反应考虑在其中，因而可认为它是对非常复杂的工艺进行 了简单的参数化。 c = ：= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = t 图2 2v p e 步骤包括：1 反应剂输运至淀积区域；2 反应剂通过扩散穿过边界层 到达硅片表面；3 反应剂的吸附；4 表面反应过程( 包括化学分解、表面迁移以 硕士学位论文 及并入硅晶格中) 5 反应副产物解吸附；6 反应副产物通过扩散穿过边界层回到 主气流；7 反应副产物随主气流排出淀积区域。 把v p e 工艺过程分成几个连续步骤，由此可建立起描述生长过程的更为精 确的模型。所分出的每一个步骤都可能潜在地确定生长速率。流入反应腔中的气 体部分分解为几种更具有反应性的粒子，这些反应粒子必须移动通过反应腔，直 至到达硅片附近，靠近硅片的这些外延粒子扩散穿过滞流或附面层到达硅片表 面，在此被吸附，沿表面扩散，并进一步分解为原子硅和挥发性的副产物，后者 从表面解吸出来并被排出系统。 硅外延生长的最简单的化学反应是硅烷热分解，总体上的反应式为： s i h 4 ( g ) 一s i ( s ) + h 2 ( g ) ( 2 5 ) 这个反应基本上是不可逆的，可以在低达6 0 0 。c 下进行，常用来淀积多晶硅。尽 管硅烷可以在低温下( 6 0 0 8 0 09 c ) 下外延生长硅，其在气体中分解成微粒( 均 质成核) 的趋势，意味着除非是在低压下，要生长出高质量的外延层是十分困难 的。在所有气压下，气相中都会持续地均质成核，均质成核的速度可随气体中 s i l l 4 的分压而急剧增加。如果气体中形成的晶核尺寸很小，则其表面能量是非常 大的，致使微粒在能量上不稳定，所以说微粒半径最终会达到一个最小尺寸，小 于此尺寸的微粒缩小并最终消失。这个i 临界尺寸 9 由下式给出： 2 u v 。2 k t i n ( g o ) ( 2 6 ) 式中u 是表面的界面自由能，v 是原子体积，oo 是气相反应分压与平衡压力比， 这个比率称为饱和度。这些微粒的产生对给定温度下可允许的最大s i l l 。压力设 置了上限，绝大部分外延生长工艺都使用氢气将生长气体稀释至1 5 ，即 便如此，硅外延生长还是不常使用硅烷。在反应系统中硅将淀积在系统整个表面， 形成的这些薄膜可能会因为移动夹具，抽真空或加热而剥落并称为颗粒，部分颗 粒可能会掉落在硅片表面引起很大的缺陷密度或低质量生长。外延工艺对于这些 缺陷比标准的c v d 更为敏感是很自然的，因为外延薄膜将被用于制作有源器件， 而不是用做简单的绝缘体或导体。 制造i c 所用的外延过程几乎都使用氢气稀释来降低硅氯化物的浓度 ( s i h x c l “，这里x 2 l ，2 ，3 ) ，反应气体分子中氯原子的数目越少，所需的反应温 硕士学位论文 度就越低。最先得到广泛使用的是s i c l 4 ，为了用s i c l 4 获得可行的反应速度，衬 底需要保持在11 5 0 c 以上温度，由于这个温度下掺杂杂质的再分布，已经开发 出从s i h c l 3 ，s i l l 2 c 1 2 进行生长的工艺。目前s i h 2 c 1 2 ( d c s ) 已经称为普遍使用 的反应源 1 0 。 图2 3 四种常用的氢氯硅烷( s i c l 4 ，s i h c l 3 ，s i l l 2 c 1 2 ，s i h 4 ) 的分子结构模型 图2 - 3 显示的是4 种常用的氢氯硅烷的分子结构。其中，常温下d c s 和s i l l 4 呈气态，t c s 和t e t 呈液态。由于t c s 的价格较d c s 低廉，因此在我们的实 验中都将采用t c s 作为硅源。 所有氯硅烷都有相似的反应途径。图2 4 所示是s i c l 4 在l a t m 以及1 5 0 0 k 时，各种粒子的平衡分压 1 1 。这些计算是在系统总自由能最低状态下作出的。 在实际外延系统中，气体并不能完全达到平衡 1 2 不过趋势是相同的。统入气 体的原子百分比很低时，在生长温度下混合气体的主要组成是h 2 、h c l 和s i c l 2 ， 其中s i c l 2 被认为是气相外延中最主要的反应剂。 如图2 5 所示 1 3 ，在反应速度限制区域，生长速度与下式符合得很好： 亟主 堂焦迨塞 r _ c l p ，一c 2 虎。， ( 2 7 ) 式中的c l 和c 2 有阿列尼乌斯特性，等式右侧的负号项对应于c 1 对衬底表面的 蚀刻。蚀刻机制与h c l 分压的平方有关，是因为发生蚀刻反应时需要两个h c l 分子： s i ( s ) + 2 h c l ( g ) s i c l 2 ( g ) + h 2 ( g ) ( 2 - - 8 ) 式中s i ( s ) 指已经结合成晶体的硅原子。增加h c l 气体会增加蚀刻速率，从而 降低淀积速率。 - 一。x 摩躲比俄y 图2 4 一个大气压下，c 1 对h 图2 5 生长速率对s i c l 流量的函数。腔体 比例为o 0 6 时，s i c i - h 系 中的氯浓度高时出现蚀刻 统的平衡分压 2 1 3 气体流速与硅片位置对生长速率的影响 工业生产中的外延通常处于质量转移控制区中。假定采用的是水平反应器， 其基座是长度为l 的平板。为忽略边界效应的影响，假定流体是没有边界的。气 流以恒定的速度v 。在基座上方流动。气体流过平板时的附面层模型如图2 6 所示。 图中u ( z ) 为气体流速；6 ( x ) 为速度附面层厚度，经近似的理论推导可得： 硕士学位论文 6 ( x 川蕞2 式中一气体的黏滞系数；p 一气体密度； ( 2 9 ) x 一离基座头部的距离。 图2 6 气体流速附面层模型 已知气相质量的转移系数h g = d g 6 ，故质量转移控制区内外延速率r 与气 体流速v o 和位置参数x 的关系： rrvdx)1佗(2-lo) 可见生长速率正比于流速的平方根，但其前提是k h g 。r 与x 的平方根成 反比，即基座头部的外延层比尾部厚。因此，生产中为了改善外延层厚度的均匀 性，常将基座尾部抬高，使它相对反应器底部倾斜3 l o 。，使气体流速沿气流 方向逐渐增大以补偿因x 增加引起的尾部生长速率的降低。 外延生长中存在有意识掺杂和无意识掺杂。主要的无意识掺杂源是衬底表面 的固态扩散和气相中的自掺杂。固态扩散决定了外延与衬底的分界面附近的浓度 分布，若生长速率遵循以下关系，它将服从余误差函数 r 2 胆 vr 式中，d 指杂质扩散系数，t 是生长时间。 气相自掺杂发生情况是，杂质从硅片背面解吸出来，在气体中传输，并再次 吸附到硅片的表面，它通常遵循的掺杂分布为： c ( x ) = f n 。p 。“ ( 2 一1 1 ) 式中，f 是陷阱密度，n 。是表面陷阱数目，x 。是迁移宽度，出生长速度和解吸 附系数决定。 对于硅外延，最常用的掺杂气体源是乙硼烷( b 2 h 6 ) ，砷烷( a s h 3 ) 和磷烷 ( p h 3 ) ，外延层掺杂浓度受通入反应腔中的气体流量控制。在生长低掺杂层时 i 硕 士 学 位论文 为了获取低分压，掺杂气体通常用氢气进行稀释，我们可以定义一个分离系数k 为： k c f fi 老熹豢 叫2 ) 式中p s ，、p d o p a n t 分别是硅生长剂及掺杂剂的分压，c d 0 。a n t 是生长薄膜中的有意掺 杂杂质浓度，当k e f f 小于1 时，生长抑制掺杂。稀释气体的气压比率，可以近 似用进气流的比率乘以稀释的掺杂气体，这样薄膜掺杂浓度与掺杂气体流量有线 性关系。 砷烷可作为外延过程中掺杂化学反应的典型例子。图2 7 示意地描述了它的 淀积过程。砷烷首先被输运到硅片表面，经分解释放出砷原子，砷原子再被结合 到生长的外延层中 1 4 。整个反应过程如下： 2 a s h 3 ( g ) 一2 a s ( s ) + 3 h 2 ( g ) ( 2 - - 1 3 ) 图2 7 掺杂砷和生长过程的示意图 第二节外延生长缺陷 外延生长会引起缺陷。如果这些缺陷位于硅片表面制作晶体管器件的有源区 域，将导致器件失效。这些失效是由与缺陷相关的电子态，产生了额外漏电而直 接导致的。失效也可以是问接造成的，在工艺过程中缺陷捕获硅片中的其他杂质， 能够产生缺陷电子态，这些缺陷还将引起工艺中额外的杂质扩散，改变晶体管的 特性。 缺陷的数目和密度受生长过程中的各种条件影响，如衬底温度，反应腔气压， 反应物及硅片表面清洗过程。在p p + 硅外延片中，最常见的缺陷有三种：堆垛 层错；热应力以及重力引起的滑移位错；衬底与外延层晶格不匹配导致的失 硕 士学 位 论文 配位错。 2 2 1 堆垛层错 堆垛层错是晶体中多余或缺少的原子层面，衬底表面的缺陷、杂质微粒、晶 格损伤以及外延生长过程中的局部应力都是可能产生堆垛层错的原因 1 5 ，1 6 。 层错是外延层的一种特征型缺陷，它本身并不改变外延层的电学性质，但可 以产生其他影响，如可引起扩散杂质分布不均，成为重金属的淀积中心等。 层错可以起源于外延层的内部，但大多数是从衬底与外延层的交界面开始 的。外延层生长方向不同，在表面所线路的缺陷图形也就不同。如图2 8 和2 9 所示，对于( 1 0 0 ) 和( 1 1 1 ) 外延硅片，堆垛层错经s i r t l 液择优腐蚀后分别沿 着 方向排列成正方形、等边三角形或杆状。随着清洗工艺的不断改进，堆 垛层错密度在很大程度上