微电子工艺(3)外延

3.2 气相外延

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（Chenmical Vapor Deposition，化学汽相
淀积）类似，是广义上的CVD工艺。


不是本征效应，是杂质的固相 扩散带来。
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， +（p/p+） + 对应 n/n 都如同在半无限大的固体中的扩散。 -对应p/n+（n/p+） 当衬底和外延层都掺杂时，外延层 中最终杂质分布

NS N E ( x) 2
选择外延（Selective epitaxial growth，SEG）
•如何实现？ 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。 外延生长晶粒成核速度 SiO2〈Si3N4〈Si •Cl或HCl作用： 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，以抑制气相中和掩蔽层表面处成核；Cl↑，选 择性↑，因为HCl可将在氧化物表面形成的小团的硅刻蚀掉； •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；或在暴露的硅窗口内生长外延，在掩膜生长PolySi； 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.沟槽处外延生长
外延工艺常用的硅源Cl4(sil.tet)，是应用最广泛，也 是研究最多的硅源--------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
3.2.3 外延速率的影响因素
温度 硅源 反应剂浓度 其它因素：衬底晶向(110)> (111)； 反应室形状；
气体流速
外延速率的影响因素（一）
温度对生长速率的影响
质量传递 控制 实际外延 选此区
表面反应 控制
-1
外延速率的影响因素(二)

硅源对生长速率的影响
含氯的Si-Cl-H体系 无氯的Si-H体系 硅源不同，外延温度不同,由高到低排序的硅 源为：SiCl4>SiHCl3>SiH2Cl2>SiH4；
x x 1 erf N E 0 1 erf 2 2 DS t 2 DE t
综合效果
杂质再分布综合效果示意图
减小杂质再分布效应措施




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。 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。
制作在外延层上的双阱CMOS剖面图


微波器件的芯片制造，需要具有突变杂质分布的复杂 多层结构衬底材料。可以采用多层外延工艺来实现这 类衬底材料的制备。 采用异质外延的SOS／CMOS电路，外延衬底为绝缘的 蓝宝石，能够有效地防止元件之间的漏电流，抗辐照 闩锁；而且结构尺寸比体硅CMOS电路小，因SOS结构 不用隔离环，元件制作在硅外延层小岛上，岛与岛之 间的隔离距离只要满足光刻工艺精度，就能达到电隔 离要求，所以元件之间的间距很小，CMOS电路的集成 度也就提高了。
3.2.5 设备
立式和桶式外延装置示意图
气相外延设备
3.2.6 外延方法
低压外延 选择外延 SOI技术

低压外延low-pressure epitaxy


目的：减小自掺杂效应 压力：1*103—2*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， 温度影响 压力降低，生长外延层温度下限也降低； 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

外延层杂质浓度分布计算
假设1：外延层生长时外延剂中无杂质， 杂质来源于自掺杂效应
N E ( x) N S e x
假设2：衬底杂质无逸出（或认为衬底未 掺杂）
N E ( x) N E 0 (1 ex )
界面杂质叠加的数学表达式为
N E ( x) N S ex N E 0 (1 ex )


自掺杂效应 扩散效应
影响： 改变外延层和衬底杂质浓度及分布 对p/n或n/p硅外延，改变pn结位置

自掺杂效应(Autodoping)
自掺杂效应是指高温外延时，高掺 杂衬底的杂质反扩散进入气相边界 层，又从边界层扩散掺入外延层的 现象 。 自掺杂效应是气相外延的本征效应， 不可能完全避免。
异质外延衬底和外延层的材料不同，晶体结构和晶格常数 不可能完全匹配。外延生长工艺不同，在外延界面会出现 两种情况——应力释放带来界面缺陷，或者在外延层很薄 时出现赝晶（pseudomorphic）
异质外延生长工艺的两种类型
晶格失配 lattice mismatch 失配率
aa f 100 % ' a
微电子工艺
第3章 外延
(Epitaxy)
田
丽
第3章 外延
3.1 概述 3.2 气相外延 3.3 分子束外延 3.4 其它外延 3.5 外延层缺陷及检测

3.1 概述
3.1.1外延概念


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 不同。n/n+，n/p，GaAs/Si。
'

其中：a外延层晶格参数； a′衬底晶格参数。 有热膨胀失配系数和晶格常数失配率。
热失配影响 单晶薄膜物 理和电学性 质
晶格失配导致 外延膜中缺陷 密度非常高
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。
生长指（常）数Φ

Φ(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; SiCl4反应过程中的Φ要 比SiH4的小; 边界层越厚，Φ就越大。

互扩散效应(Outdiffusion)

互（外）扩散效应，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。
3.2.1 Si-Cl-H系统反应过程
SiCl2+H2
2SiCl2
Sis+2HCl
Sis+SiCl4
3.2.2气相外延原理
δ x
α
SiH4热分解外延


SiH4 → Si（s）+2H2（g） 优势： 1.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； 2.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
3.2.1硅的气相外延工艺
卧式气相外延设备示意图
工艺步骤及流程
两个步骤： 准备阶段：准备硅基片和进行基座去硅处理； 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 1170℃→HCl排空→HCl腐蚀→H2冲洗→降温 →N2冲洗

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1170℃→HCl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
3.1.3 外延工艺用途
优势： 1.高的集电结击穿电压 2.低的集电极串联电阻
双极型晶体管
n+埋层 n-Si外延层 SiO2 p+隔离墙

P-Si衬底
利用外延技术的 pn结隔离是早期 双极型集成电路 常采用的电隔离 方法。
pn结隔离示意图

P阱
n阱
将CMOS电路制作在外 延层上比制作在体硅抛 光片上有以下优点： ①避免了闩锁效应； ②避免了硅层中SiOx的 沉积； ③硅表面更光滑，损伤 最小。
气相质量传递过程


边界层指基座 表面垂直于气 流方向上，气 流速度、反应 剂浓度、温度 受到扰动的薄 气体层。 基座表面做成 斜坡状，和气 流方向呈一定 角度，α角一般 在3~10°。
基座表面边界层示意图
• 本质上是化学分
2 表面过程 解和规则排列两 个过程。 •SiH4表面外延过 SiH = Si+2H 4 2 程实质上包含了 吸附、分解、迁 移、解吸这几个 环节。 •表面外延过程表 明外延生长是横 表面外延过程示意图 向进行。