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1、Si气相外延的基本原理,第07章 外延,引言Si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,硅烷热分解法外延SOS技术分子束外延层错、图形漂移及利用层错法测量厚度,Si气相外延的基本原理,引言,定义：是在单晶衬底上生长一层单晶膜的技术。新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称此为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。类型正向外延、反向外延在低阻衬底上生长高阻外延层为正向外延。在高阻衬底上生长低阻外延层为反向外延。,同质外延、异质外延外延层与衬底同种材料为同质外延。如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP外延层与衬底不同材料为异质外延。如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/
2、GaAs直接外延、间接外延直接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长.如真空淀积，溅射，升华等间界外延是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层,Si气相外延的基本原理,引言,外延的方法气相外延（VPE）：技术成熟，能很好地控制薄膜厚度和晶格完整性，所以在Si工艺中一直占据着主导地位。但为了保证晶格的完整性，气相外延必须在高温（800-1150）下进行。液相外延（LPE）：主要应用在-族化合物（GaAs、InP）半导体薄膜的外延制备中。固相外延（SPE）：在离子注入后的退火中得到了应用。将离子注入后的非晶区转变为单晶区的过程可视为固相
3、外延。,Si气相外延的基本原理,引言,外延生长的必要性双极晶体管可解决高频大功率器件的击穿电压和集电极串联电阻对集电区电阻率要求之间的矛盾而采取的一种折中方法。集电区n-/n+二层结构构成。硅原始衬底是高浓度的；外延层则是低浓度的。高浓度的原始衬底起着支撑芯片（约500微米的厚度）的机械强度和降低集电区体电阻的作用；低浓度的外延层（仅有10微米左右）则起着提高集电结反向击穿电压的作用。,CMOS生长外延层（2-4m，p-型或本征）是为了给CMOS器件提供一个光滑、损伤小、无SiOx沉积和低缺陷的完整性好的表面，以减小漏电流、改善器件的电学特性，消除闩锁效应。,Si气相外延的基本原理,7.1 S
4、i气相外延的基本原理,Si源SiCl4：应用最广泛，也是研究最多的Si源，但是用其生长外延层需要很高的温度，因此已经不适应当今IC工艺的要求。SiHCl3（TCS）：可在较低温度下外延，生长速度快，1um/min，用于厚外延层的制备。SiCl2H2（DCS）：用于更低温度下生长高质量的薄外延层，外延层的缺陷密度低于SiCl4和SiH4。是选择外延常用的Si源。SiH4 ：可在低于900度下生长很薄的外延层，且淀积率较高。Si2H6：低温外延中使用的新Si源。,Si气相外延的基本原理,7.1 Si气相外延的基本原理,外延薄膜的生长模型在外延生长过程中，反应剂先吸附在表面上。反应后生成Si和一些副
5、产物，副产物必须立即被排出，而生成的Si则按衬底晶向生长成薄膜。同质外延层通常都是生长在完整晶体的某个晶面上，但晶面的构造可以用三个分开但是彼此有着密切联系的特征来描述：平台、台阶、扭转。这种表面通常称为近晶面。,Si气相外延的基本原理,7.1 Si气相外延的基本原理,为了促使薄膜生长，Si原子必须始终保持被表面吸附的状态，被吸附的Si原子称为吸附原子。吸附原子处于表面上的不同位置时，对薄膜生长的影响不同。处于a位置（1个Si-Si键吸附）。处于b位置（2个Si-Si键吸附）。处于c位置（3个Si-Si键吸附）。薄膜生长是依靠晶体表面台阶的横向运动（二维）进行的。当一层生长以后，另一层开始生长
6、。,Si气相外延的基本原理,7.1 Si气相外延的基本原理,在任意特定的淀积温度下，都存在一个最大淀积率。高过最大淀积率，会生成多晶薄膜；低于最大淀积率，生成单晶薄膜（外延层）。解释如下：在高生长速率的情况下，吸附原子没有足够的时间迁移到扭转点，因而会形成多晶。温度升高时，表面迁移率随之上升，在与其他原子形成Si串之前就已到达扭转点，薄膜开始生长。Si单晶外延生长的激活能与Si自扩散的激活能一致，为5eV。,Si气相外延的基本原理,7.1 Si气相外延的基本原理,化学反应过程SiH4,Si气相外延的基本原理,7.1 Si气相外延的基本原理,SiCl4,Si气相外延的基本原理,7.1 Si气相外
7、延的基本原理,SiHCl3、SiH2Cl2反应式同上，最终都分解为SiCl2。但反应的难易不同，即激活能不同。SiCl4（1.6-1.7eV）SiHCl3（0.8-1.0eV）SiH2Cl2（0.3-0.6eV）需要指出的是， SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2的反应都是可逆的，即Si会在氯硅烷环境中被腐蚀掉，腐蚀在低温和高温都会发生，而外延生长只在中间温度才会发生。,Si气相外延的基本原理,7.1 Si气相外延的基本原理,生长速率与工艺参数之间的关系生长速率与温度的关系生长速率依赖所用的Si源。高温区，生长速率由气相质量输运控制，对温度不敏感。低温区，由表面化学反应控制，对温度敏感。,
8、Si气相外延的基本原理,7.1 Si气相外延的基本原理,生长速率与反应剂浓度的关系受两个过程控制：H2还原SiCl4析出Si原子的过程。被释放出来的Si原子在衬底上生成单晶层的过程。其中较慢的一个决定外延生长速率。用SiH4作源，在正常温度下反应是不可逆的。,Si气相外延的基本原理,7.1 Si气相外延的基本原理,生长速率与流速的关系生长速率与流速的平方根成正比。流速越大，边界层越薄，单位时间扩散到衬底表面的反应剂越多，则生长速率越大。当速率很大，边界层很薄时，扩散到表面的反应剂超过了该温度下表面反应所需的数量，则由化学反应控制生长速率，故生长速率饱和。,Si气相外延的基本原理,7.1 Si气
9、相外延的基本原理,生长速率与衬底晶向的关系晶面的键密度不同，键合能力存在差别。生长速率 ,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,在外延工艺中，不仅需要外延层具有完美的晶体结构，而且对其厚度、导电类型以及电阻率等方面都有很高的要求。还希望外延层与衬底之间具有突变型的杂质分布，即使对导电类型相同的杂质也是如此。,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,外延生长中的掺杂原理外延层的掺杂可以采用原位掺杂方法，即杂质原子是在外延生长过程中被结合到外延层中。其优点是能够精确的控制掺杂的浓度。杂质的沉积过程与外延层生长过程相似，也存在质量输运和表面化学反应控制两个区域。杂质和Si的
10、化学动力学性质不同，使掺入杂质的外延生长过程变得更加复杂。,当Si层的生长速率恒定时TB掺入量TP、As掺入量外延层的生长速率也影响杂质掺入量R吸收杂质少R吸收杂质多外延层的生长速率受杂质类型和浓度影响掺入BR掺入P、AsR,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,外延生长中的扩散效应外延生长过程中，杂质可以通过多种渠道进入生长的外延薄膜中，其中最重要的是扩散效应和自掺杂效应。扩散效应的定义衬底中的杂质与外延层中的杂质，在外延生长时互相扩散，引起衬底和外延层界面附近的杂质浓度缓慢变化的现象。扩散效应的影响因素扩散效应对界面附近杂质分布情况的影响，与温度、衬底和外延层的掺杂情况、杂质
11、类型以及扩散系数、外延层生长速率和缺陷等因素有关。应尽量减小扩散效应的影响。,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,数学模型当杂质的扩散速度远小于外延层的生长速度时，可以认为衬底中的杂质向外延层中扩散，或外延层中的杂质向衬底中扩散，都可以认为是在半无限大的固体中扩散。这样就可以根据扩散一章中讨论的结果，求出杂质的分布情况。,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,掺杂衬底上生长本征外延层。Cs：衬底中均匀分布的原始杂质浓度。Ds：在外延温度下，衬底中杂质在外延层中扩散系数。x：由界面算起到外延层中的距离。t：外延时间。Ce(x)：外延层中的杂质浓度。,Si气相外延的基
12、本原理,7.2 外延层中的杂质分布,在本征衬底上生长掺杂外延层Ce0：外延表面处的杂质浓度。De：杂质在外延层中的扩散系数。,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,衬底和外延层都掺杂+：对应n/n+或p/p+-：对应p/n+或n/p+,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,自掺杂效应定义在外延生长过程中，衬底和外延层中的杂质因热蒸发、或者化学反应的副产物对衬底或外延层的腐蚀，都会使衬底和(或)外延层中的杂质进入到边界层中，改变了边界层中的掺杂成份和浓度，从而导致了外延层中杂质的实际分布偏离理想情况，这种现象称为自掺杂效应。自掺杂效应是汽相外延的本征效应，不可能完全避
13、免。自掺杂效应的最终影响程度取决于外延温度、Si源、生长速率、反应器几何形状、压强等。,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,数学模型在杂质浓度为Cs的衬底上生长本征外延层x是从界面算起的垂直距离，Ce(x)为外延层中x处的杂质浓度Cs为衬底中均匀分布的杂质浓度为生长指数，由实验确定，单位是cm-1。,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,在非掺杂衬底上生长掺杂外延层因为自掺杂效应的影响，外延层中的杂质浓度分布形式为 ：其中Ceo为稳态时外延层中的杂质浓度，即对应于无限厚处的杂质浓度。,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,在掺杂衬底上生长掺杂外延层杂
14、质的最终分布应是上述两种情况的叠加“+”和“-”分别对应n/n+(p/p+)和p/n+(n/p+)型外延片。,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,减小自掺杂效应的措施P194页,1-7。,Si气相外延的基本原理,7.2 外延层中的杂质分布,同时考虑扩散效应和自掺杂效应重掺杂衬底上生长轻掺杂外延层紧靠衬底的外延层显示了比要掺杂的浓度高得多的掺杂水平，这是因为在外延生长过程中，掺杂剂从衬底扩散到外延层中。与扩散速度相比，外延生长速率要大得多，因此很快就抑制了这种影响。随之是自掺杂效应对过渡区的影响。当外延层生长一定厚度时，自掺杂效应的影响也降低了，外延层中的杂质浓度达到了期望值。,
15、Si气相外延的基本原理,7.3 低压外延,低压外延是为了减小自掺杂效应，得到陡峭的杂质分布而发展起来的一种外延工艺。特点压力一般在1103-2104Pa之间。低压下，气体分子的平均自由程增大，杂质的扩散速度增大，因而由衬底逸出的杂质能很快地穿过边界层，被排出反应室，重新进入外延层的机会大大减小，从而降低了自掺杂效应。压力低，当外延停止时，反应室中的残存反应剂和掺杂剂能很快被清除，缩小了多层外延之间的过渡区，并能改善电阻率的均匀性，减小埋层图形的漂移和畸变。给Si源浓度的变化提供了更大的幅度。,压力的影响压力越低，生长速率越小，可以通过提高浓度来改善。厚度和电阻率得到改善，这是因为低压下，气流以
16、层流形式流动，无旋涡型气流。晶体的完整性受影响，主要原因包括反应系统漏气；基座与衬底间温差大；基座、反应室等在减压时释放出吸附气体；外延生长温度低等。温度的影响压力越低，生长外延层的温度下限也随之下降，可通过提高温度来提高生长速率。,Si气相外延的基本原理,7.4 选择外延,定义选择外延是指利用外延生长的基本原理，以及硅在绝缘体上很难核化成膜的持性，在硅表面的特定区域生长外延层而其他区域不生长的技术。用途改进器件的隔离方法，代替LOCOS技术，接触孔平坦化，以及许多重要器件要求在特定区域进行外延而发展起来的一种工艺。基本原理选择外延的基本原理是根据硅在SiO2上成核可能性最小，在Si3N4上比
17、在SiO2上大一点，在Si上可能性最大的特性完成的。Cl可以抑制在气相中和掩膜层表面处成核，所以通过调节Si/Cl比，可以从非选择性生长向选择性生长和腐蚀方向变化。,Si气相外延的基本原理,7.4 选择外延,选择外延的类型：以Si为衬底， 用SiO2或Si3N4为掩膜，利用光刻方法开出窗口，在暴露出Si的窗口内进行外延生长；或者在暴露的Si上外延Si，而同时在掩膜上淀积多晶Si。以Si为衬底，用SiO2或Si3N4为掩膜，刻出窗口，在暴露出Si的衬底上再刻出图形，然后再进行外延生长。在没有掩膜的Si衬底的凹陷处进行外延生长，也称在沟槽上进行外延生长。生长过程中要加入适量的HCl以抑制在掩膜上的
18、成核。,Si气相外延的基本原理,7.4 选择外延,横向超速外延还有一种类型的选择外延称为横向超速外延(ELO),是指当选择外延生长的薄膜超过掩膜的台阶高度时，外延不但继续垂直生长，而且也沿横向生长。,Si气相外延的基本原理,7.5 SiH4 热分解外延法,定义SiH4的化学反应与SiCl4不同，在一定温度下它可直接进行热分解反应，释放出硅，淀积到衬底表面上，生成外延层。SiH4热分解法外延生长过程可分以下几个阶段SiH4分子靠扩散运动穿过边界层到达硅表面并被吸附。 SiH4在硅表面分解，释放出硅原子和氢分子。氢分子靠扩散运动离开界面并随主气流被排除。硅原子在衬底(或外延层)表面运动，并定位于适
19、当的晶格格位置上。对SiH4热分解法来说，也同样存在质量输运控制和表面化学反应控制两种情况，但两种情况下反应速率都与SiH4浓度成正比。,Si气相外延的基本原理,7.5 SiH4 热分解外延法,优点SiH4热分解外延的一个优点是反应可在相对低的温度下完成，通常在650900的温度下进行；因而减弱了自掺杂效应和扩散效应，使界而两边的杂质浓度接近突变型分布，同时又能提高外延层电阻串的均匀性，也有利于薄层外延生长。在进行多层外延生长时，可在层与层之间的界面处实现杂质浓度的陡峭分布。另外，硅烷热分解法外延过程中杂质污染较少，可以制备出高电阻串的外延层。缺点首先是SiH4可以在气相中自行分解，造成过早核
20、化，对外延层的晶体结构产生重要影响，甚至生成多晶。其二，同其他氯的硅化物相比，SiH4非常容易氧化形成硅粉。,Si气相外延的基本原理,7.6 SOS技术,SOISOI （Silicon On Insulator 或 Semiconductor On Insulator）指在绝缘衬底上进行硅的异质外延。SOI主要优点是：制造在SOI上的电路与制造在体硅或者硅的同质外延层上的电路相比寄生电容小，从而对高速和高集成度的电路特别有利，主要体现在更低的功耗和更高的速度上。提高了器件的抗辐射能力 。抑制了CMOS电路的闩锁效应 。SOI-COMS工艺比Si-COMS工艺简单，还能排除硅COMS工艺中危害成
21、品率的某些因素。,Si气相外延的基本原理,7.6 SOS技术,SOSSOS（Silicon On Saphire 或 Silicon On Spinel）是SOI中的一种工艺，它是指在蓝宝石或尖晶石上进行硅外延。他是目前SOI技术中工艺比较成熟也是应用较多的一种。SOI工艺中应注意的问题SOS外延是异质外延，衬底材料的选择直接关系到外延层的质量，尤其外延层与衬底材料之间的相容性，包括晶体结构，熔点，蒸汽压，热膨胀系数等均对外延层的质量有很大影响。 晶格参数十分接近于单晶Si晶格参数的绝缘体上有可能获得相当好的外延生长层。衬底和外延层的热膨胀系数相近是得到优良异质外延层的重要因素之一。,Si气相
22、外延的基本原理,7.7 分子束外延,定义分子束外延(MBE)，是一种在超高真空(优于1.3310-8Pa)环境下的蒸发技术，利用蒸发源提供的定向分子束或原子束撞击到清洁的衬底表面上，以单原子层生长，形成外延层的工艺过程。用途广泛用于元素半导体、-族、-族化合物半导体、合金、金属、氧化物的单晶生长。特点大大降低了反应室中的残余气体，保证了外延层的高纯度。可以精确控制层厚、界面，层与层之间可以不存在过渡区。生长温度低，降低了扩散效应和自掺杂效应，也减小了衬底杂质的再分布和热缺陷。,MBE的生长步骤包括：分子或原子迁移到衬底表面。再气化。形成二维的孤立凝块。在台阶处合并形成。 沿台阶迁移并在拐角处合
23、并成形。,Si气相外延的基本原理,7.7 分子束外延,MBE系统结构非常复杂。我们可以大致把它分为真空系统，电力系统，生长系统和原位测量系统。右图为普通的MBE生长室示意图，包括衬底托，真空系统，努森箱，质谱仪，俄歇电子能谱仪，高能电子衍射仪，膜厚测试仪，电子显微镜等等。其最突出的特点就是设备齐全的原位观测仪器，可实现实时对薄膜的控制生长。,Si气相外延的基本原理,7.8层错、图形漂移及利用层错法测量厚度,外延层的质量直接关系到作在他上面的各种器件的性能，质量包括：电阻率分布是否均匀。厚度、掺杂的类型以及数量是否满足要求。外延层中的各种缺陷要少，晶体完整性和表面状况要好。外延层中的缺陷按其所在
24、位置分为两类表面缺陷：显露与外延层表面的缺陷，如云雾状表面、角锥体、划痕、星状体、麻坑等。体内缺陷：存在于外延层内部的晶格结构缺陷。如位错和层错。有些起源于外延层内部，有些起始于衬底表面。,Si气相外延的基本原理,7.8层错、图形漂移及利用层错法测量厚度,层错层错也称堆积层错，是外延层上最常见而又容易检测到的缺陷，是由原子排列次序发生错乱所引起的。 利用化学腐蚀法便可显示层错的图形。,产生层错的原因衬底表面的损伤和玷污外延温度过低衬底表面残留的氧化物外延过程中掺杂剂不纯空位或者间隙原子的凝聚外延生长时点阵失配衬底上的微观表面台阶生长速度过高,Si气相外延的基本原理,7.8层错、图形漂移及利用层错法测量厚度,产生层错的具体过程完美晶体的排列应是AABBCCAAB产生层错的话ABCCAABBCCA.结构参照p7，图1.8,Si气相外延的基本原理,7.8层错、图形漂移及利用层错法测量厚度,利用层错测量薄膜厚度堆积层错是一种面缺陷。面缺陷数目不同，在外延层表面可能显示出如图7.17所示的三种情况。图中示出一道边，两道边和由三道边围成的三角形缺陷。当两个或多个层借相遇时可能构成更为复杂的图案。 由于层错源于衬底处的缺陷，因此测得层错在表面的长度后可根据下式计算外延层厚度：,