外延
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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。
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
来自百度文库
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。
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。
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。
3.1.2 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
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。
注意:窗口侧壁的生长速率不规则性导 致边缘和中心生长速率差别的问题; 晶面取向不同导致的生长特性差别;
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。
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 )
3.2.3 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;
'
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。
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
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。
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
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
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。
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
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
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