哈工大微电子工艺07外延课件

1、第7章 外延(Epitaxy)微电子工艺薄膜技术(3) 田 丽第7章 外延微电子工艺薄膜技术(3) 田 丽第7章 外延7.1 概述7.2 硅气相外延原理及工艺7.3 外延层中的杂质分布7.4 外延方法7.5 分子束外延7.6 其它外延7.7 外延层缺陷及检测第7章 外延7.1 概述7.1 外延概述在微电子工艺中，外延(epitaxy)是指在单晶衬底上，用物理的或化学的方法，按衬底晶向排列（生长）单晶膜的工艺过程。新排列的晶体称为外延层，有外延层的硅片称为（硅）外延片。与先前描述的单晶生长不同在于外延生长温度低于熔点许多外延是在晶体上生长晶体，生长出的晶体的晶向与衬底晶向相同，掺杂类型、电阻率可

2、不同。n/n+，n/p，GaAs/Si。7.1 外延概述在微电子工艺中，外延(epitaxy)是指在7.1.1 分类按材料划分：同质外延和异质外延按工艺方法划分：气相外延（VPE)，液相外延(LVP)，固相外延 (SPE)，分子束外延（MBE)按温度划分：高温外延-1000 以上；低温外延-1000 以下；变温外延-先低温下成核，再高温下生长外延层按电阻率高低划分：正外延-低阻衬底上外延高阻层；反外延-高阻衬底上外延低阻层其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等气相外延工艺成熟，可很好的控制薄膜厚度，杂质浓度和晶格的完整性，在硅工艺中一直占主导地位7.1.1 分类按材料划分：同质外延和异质

3、外延气相外延工艺成7.1.2 特点外延生长时掺入杂质的类型、浓度都可以与衬底不同，增加了微电子器件和电路工艺的灵活性。多次外延工艺得到多层不同掺杂类型、不同杂质含量、不同厚度，甚至不同材料的外延层。 异质外延，如GaAs/Si、SOI（SOS）等技术7.1.2 特点外延生长时掺入杂质的类型、浓度都可以与衬底不7.1.3 用途P阱n阱P-Si衬底n+埋层n-Si外延层p+隔离墙SiO2pn界隔离示意图 制作在外延层上的双阱CMOS剖面图cn+ pn+Si衬底n-Si外延层bSiO2e n+pn-外延晶体管芯片单极器件和电路如CMOS 、 JFET、VMOS：主要是为了降低导通压降与功耗，有时是为

4、了隔离的需要。在CMOS-IC芯片中，现在比较多地倾向于采用SOI衬底片，这主要是为了减弱或者避免闩锁效应，同时也可以抑制短沟道效应。 双极器件和电路主要是为了减小集电极串联电阻，以降低饱和压降与功耗。特别，在集成电路芯片中，还与实现隔离有关，这时往往还要加设埋层。 7.1.3 用途P阱n阱P-Si衬底n+埋层n-Si外延层p7.2 硅气相外延原理及工艺硅气相外延(vapor phase epitaxy，VPE )，指含Si外延层材料的物质以气相形式输运至衬底，在高温下分解或发生化学反应，在单晶衬底上生长出与衬底取向一致的单晶。与CVD类似，是广义上的CVD工艺。7.2 硅气相外延原理及工艺硅

5、气相外延(vapor pha7.2.1 硅源四氯化硅，SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也是研究最多的硅源。但需要很高的温度，已不适应现今集成电路工艺的要求-主要应用于传统外延工艺三氯硅烷，SiHCl3(TCS)，和 SiCl4类似但温度有所降低-常规外延生长二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) -更低温度，选择外延硅烷SiH4，更适应薄外延层和低温生长要求，得到广泛应用。新硅源：二硅烷Si2H6-低温外延7.2.1 硅源四氯化硅，SiCl4(sil.tet)，是应7.2.2 模型H2+SiH2Cl2= Si+2HCl+2H21 气相过程-质量传递SiH2Cl2的质量传递是一个扩散过程

6、，由扩散方程有： F1=-Dg(dC/dx)=Dg(C0-Cg)/x7.2.2 模型H2+SiH2Cl2= Si+2HCl+2H模型 2 表面过程表面反应过程先被吸附，分解，Si从衬底获得能量，迁移，到达低能量的扭转位置，暂时固定下来，等它被其它原子盖住，成为外延层中原子。一个H原子和一个Cl结合HCl，离开。 本质上是化学分解和规则排列两个过程。F2e-EA/kT模型 2 表面过程表面反应过程F2e-EA/kT速率、温度对结晶类型的影响-1速率、温度对结晶类型的影响-17.2.3 设备卧式气相外延设备示意图7.2.3 设备卧式气相外延设备示意图设备立式和桶式外延装置示意图气相外延设备设备立式

7、和桶式外延装置示意图气相外延设备7.2.3 工艺工艺分两个步骤进行，先是准备阶段，进行基座去硅处理，去除前次外延在基座、反应器上附着的硅及其它杂质；然后再进行硅的外延生长。 基座去硅的工艺流程：N2预冲洗H2预冲洗升温至850升温至1170HCl排空HCl腐蚀H2冲洗降温N2冲洗7.2.3 工艺工艺分两个步骤进行，先是准备阶段，进行基座去工艺外延生长工艺流程： N2预冲洗H2预冲洗升温至850升温至1170HCl排空HCl抛光H2冲洗附面层外延生长（通入反应剂及掺杂剂）H2冲洗1170降温N2冲洗工艺外延生长工艺流程：工艺反应剂有：SiCl4、SiHCl3、 SiH2Cl2、 SiH4，气态反

8、应剂可稀释后直接通入，而液态反应剂是装在源瓶中，用稀释气体携带进入反应器。掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如PH3、B2H6、AsH3SiH4为反应剂， PH3为掺杂剂磷烷：SiH4（H2） Si+2H22PH3（H2） P+6H2SiH4在主流气体中只百分之几-二十几；PH3也用氢气稀释至十-五十倍。工艺反应剂有：SiCl4、SiHCl3、 SiH2Cl2、 7.3.4 Si-Cl-H系统反应过程SiCl2+H2 Sis+2HCl 2SiCl2 Sis+SiCl47.3.4 Si-Cl-H系统反应过程SiCl2+H2 7.2.5 外延速率的影响因素质量传递控制实际外延选此区表面反应控制

9、-17.2.5 外延速率的影响因素质量传递控制表面反应控制-1外延速率的影响因素外延生长两个过程控制： 1.H还原SiCl4析出硅原子 2.Si原子在衬底上生成单晶层影响速率的因素 反应剂浓度 气体流速vG 衬底晶向(110) (111) 反应室形状SiCl4摩尔浓度大于0.27出现腐蚀现象外延速率的影响因素外延生长两个过程控制：SiCl4摩尔浓度大7.3 外延层中的杂质分布掺杂采用原位气相掺杂。杂质掺入效率依赖于：生长温度、生长速率、气流中掺杂剂相对于硅源的摩尔数、反应室几何形状，掺杂剂自身特性。有杂质再分布现象扩散效应自掺杂效应7.3 外延层中的杂质分布掺杂采用原位气相掺杂。7.3.1 扩

10、散效应扩散效应也叫互(或外) 扩散，指在衬底中的杂质与外延层中的杂质在外延生长时互相扩散，引起衬底与外延层界面附近的杂质浓度缓慢变化的现象。若杂质扩散速率远小于外延生长速率，衬底中的杂质向外延层中扩散，或外延层中杂质向衬底中的扩散，都如同在半无限大的固体中的扩散。当衬底和外延层都掺杂时，外延层中最终杂质分布+对应n/n+（p/p+）-对应p/n+（n/p+）7.3.1 扩散效应扩散效应也叫互(或外) 扩散，指在衬底中7.3.2 自掺杂效应高温外延时，高掺杂衬底杂质反扩散（蒸发）到气相粘滞层（边界层），再进入外延层的现象。自掺杂效应是气相外延的本征效应，不可能完全避免。7.3.2 自掺杂效应高温

11、外延时，高掺杂衬底杂质反扩散（蒸发生长指（常）数(cm-1)由实验确定。与掺杂剂、化学反应、反应系统，及生长过程等因素有关:As比B和P更易蒸发;氯硅烷反应过程中的要比硅烷的小;边界层越厚，就越大。生长指（常）数(cm-1)由实验确定。综合效果综合效果7.3.3减小自掺杂效应措施降低外延温度，p-Si采用SiH2Cl2, SiHCl3；或SiH4，但这对As的自掺杂是无效。对于n-Si衬底，用蒸气压低、扩散速率也低的锑作为埋层杂质，但锑难以达到很高的掺杂浓度。重掺杂的衬底，用轻掺杂的硅来密封其底面和侧面，减少杂质外逸。低压外延可减小自掺杂，这对砷，磷的效果显著，对硼的作用不明显。用离子注入的埋

12、层来降低衬底表面的杂质浓度。可在埋层或衬底上先生长未掺杂的薄膜来避免衬底中的杂质外逸，再原位掺杂。避免高温下用HCl对衬底进行腐蚀、或腐蚀后用低温气流除去因腐蚀外逸的杂质。7.3.3减小自掺杂效应措施降低外延温度，p-Si采用SiH7.4 外延方法7.4.1 低压外延7.4.2 选择外延7.4.3 硅烷热分解外延7.4 外延方法7.4.1 低压外延7.4.1 低压外延目的：减小自掺杂效应压力：1*1032*104Pa原因：低压气体扩散速率快，衬底逸出杂质可快速穿过边界层（滞留层），被排除反应室,重新进入外延层机会减小；停止外延时，气体易清除，多层外延时缩小了过渡区，冷壁系统和热基座间无涡流，改

13、善；减小外延层图形的漂移和畸变；温度影响 压力降低，生长外延层温度下限也降低，T，G；问题：易泄漏；基座与衬底间温差大；基座、反应室在减压时放出吸附气体；外延生长温度低等-外延层晶体完整性受到一定影响7.4.1 低压外延目的：减小自掺杂效应7.4.2 选择外延（Selective epitaxial growth SEG）外延选择性的实现根据硅在绝缘体上很难核化成膜的特性，在硅表面的特定区域生长外延层而其它区域不生长的技术。利用氧化物表面的高清洁性和源中存在足够的Cl或HCl提高原子的活动性，Cl，选择性；三种类型： 1.以Si为衬底，以SiO2或Si3N4为掩膜，在暴露的硅窗口内生长外延；或

14、在暴露的硅窗口内生长外延，在掩膜生长Poly-Si；2.同样以Si为衬底，以SiO2或Si3N4为掩膜，在暴露的硅衬底上刻图形，再生长外延；3.沟槽出外延生长7.4.2 选择外延（Selective epitaxial横向超速外延（ELO）横向超速外延（ELO）7.4.3 SiH4热分解外延 SiH4 Si（s）+2H2（g）反应是不可逆的，没卤化物产生，不存在反向腐蚀效应，对反应室也无腐蚀；外延温度低，一般是650-900 ，最低可在600完成，减弱了自掺杂和扩散效应。问题： SiH4在气相中可自行分解，造成过早核化，对外延层的晶体结构产生重要影响，甚至生成多晶；SiH4易氧化形成硅粉，要尽

15、量避免氧化物质和水汽的存在，否则会影响外延层的质量；缺陷密度高于SiCl4 氢还原法制作外延层；对反应系统要求高7.4.3 SiH4热分解外延 SiH47.5 分子束外延 (Molecular beam epitaxy MBE)在超高真空下，热分子束由喷射炉喷出，射到洁净的单晶衬底表面，生长出外延层。 MBE是物理气相外延工艺。 7.5 分子束外延 (Molecular bea7.5.1 MBE系统（喷射炉）（衬底基座）（空气锁）超高真空系统；生长系统；原位监测系统7.5.1 MBE系统（喷射炉）（衬底基座）（空气锁）超高真MBE设备照片MBE设备照片7.5.2 MBE原位监测系统四极质谱仪，

16、用以监测分子束的流量和残余气体。俄歇电子能量分析器(AES)，用来测定表面的化学成份。离子枪，用于衬底表面外延前和外延表面实时清洁。由电子枪和荧光屏组成的高能电子衍射仪(HEED)，其电子束以小角度（1-2）投向衬底。电子束被所生长外延层表面原子反射后，生成二维衍射图像，包含有关表面上整体构造和原子排列的信息。 7.5.2 MBE原位监测系统四极质谱仪，用以监测分子束的流5.2.3 MBE特点超高真空度达10-910-11Torr ，外延过程污染少，外延层洁净。温度低，(100)Si 最低外延温度470K，所以无杂质的再分布现象。外延分子由喷射炉喷出，速率可调，易于控制，可瞬间开/停，能生长极

17、薄外延层，厚度可薄至量级。5.2.3 MBE特点超高真空度达10-910-11TorMBE特点（续）设备上有多个喷射口，可生长多层、杂质分布复杂的外延层，最多层数可达104层。在整个外延过程中全程监控，外延层质量高。MBE多用于外延结构复杂、外延层薄的异质外延。设备复杂、价格昂贵MBE特点（续）设备上有多个喷射口，可生长多层、杂质分布复杂7.6 其它外延7.6.1 异质外延相容性问题；反相畴问题7.6.2 液相外延7.6.3 固相外延7.6 其它外延7.6.1 异质外延7.6.1 异质外延异质外延也叫非均匀外延，外延层与衬底材料不相同的外延。例如， GaAs/Si 、SOI（SOS）等材料就可

18、通过异质外延工艺获得。7.6.1 异质外延异质外延也叫非均匀外延，外延层与衬底材料1 异质外延的相容性衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量的溶解现象；衬底与外延层热力学参数相匹配，即热膨胀系数接近。以避免外延层由生长温度冷却至室温时，产生残余热应力，界面位错，甚至外延层破裂。衬底与外延层晶格参数相匹配，即晶体结构，晶格常数接近，以避免晶格参数不匹配引起的外延层与衬底接触的界面晶格缺陷多和应力大的现象。 1 异质外延的相容性衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量的2 失配率其中：a外延层参数； a衬底参数。有热膨胀失配系数和晶格常数失配率。2 失配率其中：a外延层参数； a衬底参数。有热膨胀失

19、配系3 反相畴又叫反相混乱（APDI），非极性的Si上生长极性GaAs在生长的初期Si衬底上有的区域附着Ga，有的区域附着As，不能形成单相的GaAs层，这就叫反相畴。3 反相畴又叫反相混乱（APDI），非极性的Si上生长极性G4 GaAs/Si外延当前较成熟的方法是直接生长法，两步MBE外延工艺过程：As气氛中，约900热处理；一步生长，150-400是生长厚约20nm的非晶GaAs缓冲层；二步生长是单晶生长，450-600在此期间一步生长的非晶也转化为单晶了 T/t/min一步二步预处理GaAs/Si外延工艺4 GaAs/Si外延当前较成熟的方法是直接生长法，两步MBSOI (Si on

20、Insulator)技术SOI是指在绝缘层上异质外延硅得到的材料。SOI电路是介质隔离，寄生电容小，使得速度快、抗幅射能力强、抑制了CMOS电路的闩锁。目前一些高速、高集成度薄膜集成电路就采用的SOI材料。 SOS (Si on Sapphre或Spinel) 是SOI中的一种，衬底是蓝宝石(-Al2O3) ，或尖晶石(MgO.Al2O3)SOS工艺：SiH4或SiH2Cl2，约1000VPE。SOI (Si on Insulator)技术SOI是指在绝液相外延是利用溶液的饱和溶解度随温度的变化而变化，使溶液结晶析出在衬底上进行外延的方法。硅的液相外延是将硅溶入锡中，在949时溶液饱和，当降低

21、温度10-30时溶液过饱和，硅析出，在单晶硅衬底上生长出外延层。 7.6.2 液相外延液相外延是利用溶液的饱和溶解度随温度的变化而变化，使溶液结晶7.6.3 固相外延固相外延是将晶体衬底上的非晶或者多晶层高温转化为单晶层。离子注入时，损伤造成的非晶区和非晶层经退火晶化过程就是固相外延。7.6.3 固相外延固相外延是将晶体衬底上的非晶或者多晶层高7.7 外延层缺陷及检测 外延层质量直接关系到做在它上面的各种器件的性能，所以应检测、分析外延层缺陷及产生原因，并对外延层特征量进行测试：外延层缺陷分析图形漂移和畸变层错法测外延层厚度检测内容电阻率测量7.7 外延层缺陷及检测 外延层质量直接关系到做7.

22、7.1 外延层缺陷分析外延层中的缺陷有表面缺陷和内部晶格结构缺陷（体内缺陷）。通常体内缺陷会显现在表面。表面缺陷：云雾状表面、角锥体、表面突起、划痕、星状体、麻坑等。体内缺陷：位错、层错等。7.7.1 外延层缺陷分析外延层中的缺陷有表面缺陷和内部晶格雾状表面缺陷雾圈 白雾 残迹 花雾雾圈 白雾 残迹 花雾雾状表面缺陷雾圈 角锥体星形线（滑移线）划痕：由机械损伤引起角锥体星形线（滑移线）划痕：由机械损伤引起外延层（111）衬底15432外延层各种缺陷位错层错表面突起、角锥体等外延层内杂质沉淀衬底点缺陷团的延伸层错法测量外延层厚度外延层（111）衬底15432外延层各种缺陷位错层错法测量外7.7.

23、2 图形漂移和畸变 Si各向异性是出现漂移和畸变的主要原因： T漂移；G 漂移低压外延，P 漂移 (100)晶片，图形漂移最小。对于(111)晶片取向25，影响最小7.7.2 图形漂移和畸变 Si各向异性是出现漂移和畸变的主7.7.3 检测内容镜检晶格完好性测量外延层厚度电阻率均匀性掺杂浓度、分布是否满足要求7.7.3 检测内容镜检7.7.4 层错法测外延层厚度 层错源于界面的图形大于源于外延层内部的，要选择大的图形。不能选择靠近外延层边缘的图形。 化学腐蚀后，外延层要减薄一定厚度，在腐蚀时只要能显示图形就可以，时间不应过长。计算厚度时，应考虑腐蚀对厚度的影响。lTl外延层衬底（111）方向硅

24、的层错形状7.7.4 层错法测外延层厚度 层错源于界面的图形大于源于外7.7.5扩展电阻法测电阻率扩展电阻法，可测量微区的电阻率或电阻率分布其他测电阻率方法：四探针法，C-V法7.7.5扩展电阻法测电阻率扩展电阻法，可测量微区的电阻率或扩展电阻法金属探针嵌入一个半无限均匀的半导体，半导体和金属电阻率相差几个数量级，欧姆接触，接触点电流呈辐射状扩展，沿径向电阻是不等的，接触电阻R称为扩展电阻。扩展电阻法金属探针嵌入一个半无限均匀的半导体，半导体和金属电扩展电阻法（续）扩展电阻主要集中在接触点附近的半导体中。实际上金/半接触两者功函数有差别，存在接触势垒，势垒高度与温度、探针材料、探针压力、半导体表面状态等因素有关。具体测量，应保证： 零偏电阻扩展电阻扩展电阻法（续）扩展电阻主要集中在接触点附近的半导体中。硅外延材料技术规范 序号特征参数测试方法1外延层掺杂剂P,P+:Boron N,N+:Phosphoru