微电子工艺(3)外延

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。
'

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。
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。
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。
作用是将硅基片表面残存的氧化物（SiOx） 以及晶格不完整的硅腐蚀去掉，露出新鲜 和有完整晶格的硅表面，利于硅外延成核， 而且使衬底硅和外延层硅之间键合良好， 避免衬底硅表面缺陷向外延层中延伸。
工艺




反应剂有：SiCl4、SiHCl3、 SiH2Cl2、 SiH4，气态反 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、AsH3 SiH4为反应剂， PH3为掺杂剂： SiH4（H2） Si+2H2↑ 2PH3（H2） P+6H2↑ SiH4在主流气体中只百分之几；PH3也用氢气稀释至 十~五十倍。

而外延生长速率正相反。
外延速率的影响因素（三）

反应剂浓度对生长 速率的影响
SiCl4摩尔浓度 大于0.27出现 腐蚀现象
SiCl4浓度与生长速率的关系
速率、温度对结晶类型的影响
-1
3.2.4 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
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
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
3.1.2 外延工艺种类



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) 气相外延工艺成熟，可很好 按温度划分：高温外延(1000℃ 以上)；低温外延 的控制薄膜厚度，杂质浓度 (1000℃ 以下)；变温外延 --先低温下成核，再高温下 和晶格的完整性，在硅工艺 生长外延层 中一直占主导地位 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 按外延层结构分类: 普通外延，选择外延，多层外延 其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等
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。


同质外延又称为均匀外延，是外延层与衬底材料相同 的外延。 异质外延也称为非均匀外延，外延层与衬底材料不相 同，甚至物理结构也与衬底完全不同。GaAs/Si 、 SOI（SOS）等材料就可通过异质外延工艺获得。 异质外延的相容性 1. 衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量 的溶解现象； 2.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。 3.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。

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 )
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
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
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。


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。
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பைடு நூலகம்外延层；对反应系统要求高
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；


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
外延工艺常用的硅源




四氯化硅 SiCl4(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
3.1.3 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。
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。