硅集成电路工艺基础7

1、第七章外延，外延：是指在硅芯片等单晶衬底上，用衬底晶体生长单晶薄膜的过程。具有外延层的硅片称为外延芯片。同质外延：生长的外延层和衬里是相同的材料。异质外延：外延生长的薄膜与内衬材料不同，或生长化学组，物理结构与衬里完全不同的外延层，如SOS技术(硅在蓝宝石或尖晶石中生长)。根据向基板传递原子的方式，外延生长分为气相外延(VPE)、液体外延(LPE)和固相外延(SPE)三种茄子类型。在硅工艺中主要采用气相外延技术，能很好地控制外层厚度、杂质浓度、晶体完整性。缺点是必须在高温下进行，加重扩散效果和自掺杂效果，影响对外层掺杂的控制。基本概念，如图所示，CMOS零件位于极薄的轻质掺杂P型外延层。在外延

2、层上制造的CMOS器件与本体硅相比，介质完整性好，泄漏电流小。外延工艺在CMOS集成电路中的应用，气相外延的基本原理外延层中的杂质分布低压外延选择外延SOS技术MBE(分子团外延层)外延层厚度和电阻率测量，主要内容，7.1硅气体外延的基本原理，目前生长硅外延层主要是四氯化硅(SiCl4):早期三氯硅烷二氯硅烷(SiH2Cl2，DCS):SiH2Cl2广泛用于在低温下生长高质量薄外层，外层缺陷密度低，是选择外延时常用的硅源。硅(SiH4):在低于900度的温度下，可以生长薄的外延层，并获得高积累率。7.1.1硅源，7.1.2外延薄膜的生长模型，均质外延层生长在完全晶体的晶面上。晶面的结构特征如下

3、：平台、扭转、楼梯、1反应剂吸附在生长的表面。2发生化学反应，产生硅和副产品，副产品立即排出，硅原子总是保持在表面吸附的状态，称为吸附原子。外延生长过程，三维分层生长过程(晶格匹配系统)吸附硅原子位于平台的A位置，则有几个茄子的可能性。如果吸附原子A不移动，其他硅原子就会吸附，形成硅串或硅岛。大量硅线绳合并时，一定会出现严重的缺陷或形成多晶薄膜。如果吸附原子具有较高的能量，牙齿原子倾向于沿表面移动，如图B位置所示，移动到楼梯边缘，由于Si-Si键的相互作用，位置B比位置A更稳定，吸附原子保持在牙齿位置的可能性很大。吸附原子最稳定的位置是所谓的扭转位置，如图所示的位置C所示。吸附原子到达扭转位置

4、时，形成了半Si-Si键，不再有迁移的可能性。在继续生长过程中，更多的吸附原子必须转移到扭转位置，添加到生长的薄膜中。(约翰f肯尼迪，原子，原子，原子，原子，原子，原子，原子)薄膜生长是根据晶体表面楼梯的横向运动，即二维分层生长模型进行的。高质量的外延生长需要非常干净的硅表面。外延横向生长，晶体表面的杂质会阻碍生长，薄膜会产生层错或错误的缺陷。在高增长率的情况下，没有足够的时间吸附原子，没有足够的时间移动到扭转点，从而形成多情。(威廉莎士比亚、原子、原子、原子、原子、原子、原子、原子)温度升高，硅原子表面的迁移率提高，在形成其他吸附原子和硅串之前，已经达到扭转点，很容易形成单晶体。在固定沉积温

5、度下，具有最大沉积速率。超过最大沉积速度时，产生多晶薄膜。低于最大沉积速率，产生单晶外延层。高温低增长率，易生长单晶；低温高增长率容易产生多情。最大堆积率，吸附原子的移动过程受到抑制时，可以产生多晶薄膜，这与堆积率和温度有关。保持单晶生长的最大累积率随温度上升呈指数上升。如图所示，激活可以是5eV。5eV的活化相当于硅的自扩散活化能。因此，可以说单晶体的外延增长等于硅本身扩散的机制。上节课内容摘要，CVD二氧化硅的特性和沉积方法低温CVD SiO2硅和氧反应制备二氧化硅，LPCVD硅烷和N2O反应，PECVD TEOS为源，PECVD SiO2可以填充空隙，其深度比为0.8的凹槽。2 .中温L

6、PCVD SiO2在中等温度(680-730范围)下将TEOS积累到源LPCVD中的SiO2薄膜具有更好的保湿效果。3 .TEOS和吴尊混合源中的二氧化硅积累，将吴尊(O3)作为反应剂放入，可以获得高积累率。用TEOS/O3方法积累的二氧化硅薄膜具有很好的保湿效果，可以很好地填充深度大于633601且间距为0.35米的金属线之间的间隙。上一讲内容摘要，三层绝缘结构：在TEOS/O3牙齿堆积之前，用PECVD方法堆积薄SiO2层，以确保相同的沉积速度(沉积速度取决于薄膜沉积表面材料)。在TEOS/O3上沉积SiO2层；然后用PECVD方法将SiO2层积累为保护层，防止氧化层中包含的Si-OH键吸

7、收水分。上节课内容摘要，CVD掺杂二氧化硅，1 .人间ricon玻璃PSG可以在高温下流动，形成更平坦的表面，随后堆积的薄膜可以成为更好的楼梯罩。回流平整温度1000-1100。磷最好限制在6-8wt之间。2 .硼砂玻璃可平整850以下的玻璃回流，低于PSG回流和平温度，减少浅结中杂质的扩散。上节课内容摘要，CVD氮化硅的特性和沉积方法，氮化硅薄膜作为无定型绝缘材料可在集成电路中使用：钝化层：强掩蔽力(Na，水蒸气)，共形罩，针孔低温PECVD:选择性氧化少的掩膜：氧气通过Si3N4钨的化学气相沉积，在集成电路互连系统中，钨的主要用途有两个茄子方面：通孔填充和接触孔填充：对于特征尺寸小于1m的

8、工艺，深度长宽比太大小，PVD铝不能完全填充，CVD钨可以完全填充。局部互连材料：钨的电导率低，只能用于短距离互连，铝和铜仍然用于全球互连。复盖化学气相沉积钨和衍射，上节课内容摘要，CVD钨的化学反应(反应本身停止)以上两种茄子反应为钨原子核层沉积厚钨薄膜，上节课内容摘要，硅化钨的化学气相沉积聚硅/难熔金属硅化合物(ploycide)多层栅结构，使用DCS，使用对于铝合金层，用作防止金属互连层之间形成触点的扩散阻断层。对于钨或铜的复土厚度，这是扩散阻断层和附着层，称为衬垫。CVD的TiN薄膜形成良好，可以形成理想的填充LPCVD。沉积温度高，超出600度以上Al牙齿可承受范围，只能用于接触孔的

9、积累。MOCVD:沉积温度低、低于400度，适用于接触孔和通孔。总结上节课的内容，优点：CVD铝对接触孔具有良好的可充电性。低电阻率(与钨相比)；一次完成填充和互连。MOCVD Al:沉积温度低的200度Al有机化合物有毒、易燃、接触水爆炸，必须密封，合理操作。化学性质活跃，必须低温保存，在进入反应室之前，必须采取措施保持稳定性CVD铝抗栓移动能力。CVD是指铝铜合金制备复合层(CVD铝PVD铝铜)、铝的化学气相沉积、上节课内容摘要、外延：在硅芯片等单晶基板上压衬。同质外延：生长的外延层和衬里是相同的材料。异质外延：外延生长的薄膜与内衬材料不同，或生长化学组，物理结构与衬里完全不同的外延层，如

10、SOS技术(硅在蓝宝石或尖晶石中生长)。根据向基板传递原子的方式，外延生长分为气相外延(VPE)、液体外延(LPE)和固相外延(SPE)三种茄子类型。在硅工艺中主要采用气相外延技术，能很好地控制外层厚度、杂质浓度、晶体完整性。缺点是必须在高温下进行，加重扩散效果和自掺杂效果，影响对外层掺杂的控制。研究结果表明，7.1.3化学反应过程，生长硅外层的硅源有多种，各来源的反应过程中存在很多中间产物。以SiCl4为例，总反应：反应室发现有四种茄子物质：SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、HCl。中间反应：上述反应均为气相反应，产物SiCl2吸附在内衬表面，产生固体Si原子。如图所示，SiCl4浓

11、度随水平距离的增加而减少，其他三种茄子成分浓度随与进气口水平距离的增加而增加。另一方面，以SiCl4作为硅源生长外延层的活化能(1.6-1.7eV)最高，SiHCl3(0.8-1.0eV)和SiH2Cl2(0.3-0.6eV)的激活顺序减少。反应都是先形成SiCl2，最终生成硅。SiCl2被认为是气象外演中最重要的反应剂。所有反应都是可逆的，在适当的热力学条件下，反应可以反向进行。硅也可能在氯硅烷环境中腐蚀。右图显示了SiCl4氢还原法外延过程中增长率与温度的关系。腐蚀发生在高温和低温下，外延生长只发生在中等温度下。7.1.4增长率与温度之间的关系，例如徐璐使用其他硅源时外层增长率与温度的关系

12、。增长率与硅源相关，在同一温度下，增长率从高到低为SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4。有两个茄子增长区：(Grove模型)高温区(B区):增长速度与携带气体中所含反应剂的分压接近线性，对温度变化不敏感，增长率由气相质量运输控制。随着温度的上升，增长率略有提高，是因为气象反应剂的扩散能力随着温度的上升而微弱增加。低温区(a区):增长率对温度变化非常敏感。生长率由表面化学反应控制，化学反应活性约为1.5eV，表明与使用的硅源无关，调节反应率的机制相同。研究表明，限制机制是反应表面对氢的解吸。氢占据硅表面的位置，如果不排除，就可以防止新的硅原子添加到生长膜中。实际外缘温度是在高温区域

13、(B区)中选取的。表面Si原子具有足够的能量和移动能力，可以移动到扭转位置，从而容易产生单晶。7.1.5增长率与反应剂浓度的关系，在SiCl4氢还原法外延过程中，生长率主要受氢还原SiCl4析出硅原子过程的两个茄子过程控制。硅原子在基板上生成单晶体层的过程。速度中较慢的决定了外延生长的速度。当SiCl4浓度低时，SiCl4通过氢还原析出硅原子的速度远远低于Si原子在衬底上生成单晶体的速度，因此化学反应速度控制了外层的生长速度。SiCl4浓度增加，化学反应速度加快，增长率提高。当SiCl4浓度增大到一定程度时，化学反应释放硅原子的速度比硅原子排列在基板表面的速度快，此时增长率由硅原子排列在基板表

14、面的速度控制。进一步提高SiCl4浓度。也就是说，当Y值达到0.1时，增长率开始下降。当SiCl4的浓度增加到0.27时，会发生逆反应，硅会腐蚀。在氢中，如果SiCl4的摩尔分数大于0.28，则只有腐蚀反应。典型的增长率为1m/min，如图所示。7.1.6增长率与气体流速的关系，SiCl4氢还原法外延温度一般在1200度左右的高温下到达内衬表面的反应剂立即反应，薄膜增长率由反应剂扩散方式通过边界层的质量输送过程控制。气体流速越大，外延层的生长速度越快。气体流速在一定程度上较大，外延层增长率基本上不会随着气体流速的增加而加速，此时增长率由化学反应率决定。7.1.7衬对生长率的影响，衬面的方向对外

15、延生长率也有一定的影响。不同晶面结合密度不同，结合能力有差异，对生长速度有一定影响。硅的(111)晶面双层原子面之间的共价键密度最低，结合能力弱，因此外延层增长率慢。(110)晶面之间的原子结合密度高，结合能力强，外延层增长率相对较快。7.2，外延层中杂质的分布，外延工艺不仅需要外延层的完美晶体结构，还需要精确控制外延层的掺杂浓度。外延层和基板之间存在突变杂质分布。SiCl4氢还原法的外延温度高，导致基板中的杂质蒸发，气相中的杂质成分和浓度基板中的杂质与外层中的杂质相互扩散，使界面中的杂质分布变慢，在原地混合。杂质原子在外延生长过程中混合在外延层晶格中，杂质源使外延生长过程更加复杂。兴奋剂：B

16、2H6，PH3，AsH3，稀释后，与生长外层的反应剂一起运到反应室。右图是几种茄子兴奋剂的混合效率与生长温度的关系。硅的增长率恒定时，硼的混合量随着生长温度的上升而增加，磷和砷随温度的上升而减少。实际掺杂效率与兴奋剂的类型和浓度、外延层的增长率、衬里的喜好等有关。7.2.1掺杂原理，7.2.2扩散效果，扩散效果：基板中的杂质和外延层中的杂质在外延生长时徐璐扩散，基板和外延层介面附近的杂质浓度慢慢变化。如果杂质的扩散速度远远小于外延层的生长速度，则外延层中杂质浓度的分布分别对应于n/n (p/p)和p/n (n/p)型外延片。7.2.3自掺杂效应，自掺杂效应：在外延生长过程中，基板或外延层中的杂质进入边界层，边界层中的掺杂成分和浓度发生变化，在外延层中杂质的实际分布偏离了理想情况。掺杂基板中掺杂的外延层生长时，由于自掺杂效应，外延层中的杂质浓度是类型中Cs均匀分布在基板中的杂质浓度，Ce0是无限厚度外延层中的杂质浓度。和-分别对应于n/n (p/p)和p/n (n/p)外推片段。包含相同导电类型的轻掺杂外延层在重掺杂衬底上生长时杂质浓度分布的右侧(A)所示。在光掺杂衬中，徐璐不同导电类型的重掺杂