薄膜淀积与外延技术

.,微电子工艺学MicroelectronicProcessing第五章薄膜淀积与外延技术,张道礼教授Email:zhang-daoliVoice:87542894,.,超薄膜:10nm薄膜:50nm10mm典型薄膜:50nm1mm厚膜:10mm100mm,单晶薄膜多晶薄膜无序薄膜,5.1概述,采用一定方法，使处于某种状态的一种或几种物质（原材料)的基团以物理或化学方式附着于衬底材料表面，在衬底材料表面形成一层新的物质，这层新物质就是薄膜。,薄膜分类,.,（1）物态,（2）结晶态：,（3）化学角度,5.1概述,.,（4）组成,（5）物性,厚度，决定薄膜性能、质量通常，膜厚ks，则CsCG,这种情况为表面反应控制过程有2、如果hG10cm的宽束离子源用于溅射镀膜。,优点：轰击离子的能量和束流密度独立可控，基片不直接接触等离子体，有利于控制膜层质量。,缺点：速度太慢，不适宜镀制工件，工业上应用很难,5.3物理气相沉积,.,三、离子成膜,1.离子镀及其原理：,真空蒸发与溅射结合的镀膜技术，在镀膜的同时，采用带能离子轰击基片表面和膜层，使镀膜与离子轰击改性同时进行的镀膜技术。即利用气体放电产生等离子体，同时，将膜层材料蒸发，一部分物质被离化，在电场作用下轰击衬底表面（清洗衬底），一部分变为激发态的中性粒子，沉积于衬底表面成膜。,5.3物理气相沉积,.,真空度放电气体种类与压强蒸发源物质供给速率与蒸汽流大小衬底负偏压与离子电流衬底温度衬底与蒸发源的相对距离。,主要影响因素：,5.3物理气相沉积,.,真空蒸镀、溅射、离子镀三种不同的镀膜技术，入射到基片上的沉积粒子所带的能量不同。,真空蒸镀：热蒸镀原子约0.2eV溅射：溅射原子约1-50eV离子镀：轰击离子约几百到几千eV,离子镀的目的：提高膜层与基片之间的结合强度。离子轰击可消除污染、还能形成共混过渡层、实现冶金结合、涂层致密。,5.3物理气相沉积,蒸镀和溅射都可以发展为离子镀。,例如，蒸镀时在基片上加上负偏压，即可产生辉光放电，数百eV能量的离子轰击基片，即为二极离子镀。见下图。,.,2离子镀的类型和特点,离子镀设备在真空、气体放电的情况下完成镀膜和离子轰击过程，离子镀设备由真空室、蒸发源、高压电源、离化装置、放置工件的阴极等部分组成。,（1）空心阴极离子镀（HCD）,国内外常见的设备类型如下,HCD法利用空心热阴极的弧光放电产生等离子体（空心钽管为阴极，辅助阳极）镀料是阳极弧光放电时，电子轰击阳极镀料，使其熔化而实现蒸镀蒸镀时基片上加负偏压即可从等离子体中吸引Ar离子向基片轰击，实现离子镀,5.3物理气相沉积,.,5.3物理气相沉积,.,（2）多弧离子镀,原理：多弧离子镀是采用电弧放电的方法，在固体的阴极靶材上直接蒸发金属，装置无需熔池，原理如图所示。电弧的引燃依靠引弧阳极与阴极的触发，弧光放电仅仅在靶材表面的一个或几个密集的弧斑处进行。,5.3物理气相沉积,弧斑直径小于100um；弧斑电流密度105-107A/cm2；温度8000-40000K,弧斑喷出的物质包括电子、离子、原子和液滴。大部分为离子。,特点：直接从阴极产生等离子体，不用熔池，阴极靶可根据工件形状在任意方向布置，使夹具大为简化。,.,（3）离子束辅助沉积,低能的离子束1用于轰击靶材，使靶材原子溅射并沉积在基底上；离子束2起轰击（注入）作用，同时，可在室温或近似室温下合成具有良好性能的合金、化合物、特种膜层，以满足对材料表面改性的需要。,5.3物理气相沉积,.,.,5.4外延膜沉积技术,外延是指沉积膜与基片之间存在结晶学关系时，在基片上取向或单晶生长同一物质的方法。当外延膜在同一种材料上生长时，称为同质外延，如果外延是在不同材料上生长则称为异质外延。外延用于生长元素、半导体化合物和合金薄结晶层。这一方法可以较好地控制膜的纯度、膜的完整性以及掺杂级别。,.,外延特点：生成的晶体结构良好；掺入的杂质浓度易控制；可形成接近突变pn结的特点,5.4外延膜沉积技术,外延分类：,按工艺分类,A气相外延（VPE）：利用硅的气态化合物或者液态化合物的蒸汽，在加热的硅衬底表面和氢发生反应或自身发生分解还原出硅。,B液相外延（LPE）：衬底在液相中，液相中析出的物质并以单晶形式淀积在衬底表面的过程。此法广泛应用于III-V族化合半导体的生长。原因是化合物在高温下易分解，液相外延可以在较低的温度下完成。,.,C固相外延（SPE）D分子束外延（MBE）：在超高真空条件下，利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射到衬底表面，并在其上形成外延层的技术。特点：生长时衬底温度低，外延膜的组分、掺杂浓度以及分布可以实现原子级的精确控制。,5.4外延膜沉积技术,按导电类型分类,n型外延：n/n,n/p外延；p型外延：p/n,p/p外延,按反应室形式,卧式：产量大，设备结构简单；但是生成的外延层的厚度和电阻率的均匀性较差，外延生长时易出现滑移位错及片子弯曲。立式：维护容易，外延层的厚度和电阻率的均匀性及自掺杂效应能得到较好的控制；但设备大型话，制造难度大。桶式：较好的防止外延滑移位错，外延层的厚度和电阻率的均匀性好；但设备结构复杂，不易维护。,.,按材料异同分类,同质外延（autoepitaxy）：外延层和衬底为同种材料例如硅上外延硅。异质外延（heteroepitaxy）：外延层和衬底为不同种材料。例如SOI(绝缘体上硅)是一种特殊的硅片，其结构的主要特点是在有源层和衬底层之间插入绝缘层埋氧层来隔断有源层和衬底之间的电气连接),5.4外延膜沉积技术,按电阻率高低分类,正外延：低阻衬底上外延高阻层n/n+反外延：高阻衬底上外延低阻层,.,硅的气相外延,（1）原理：在气相外延生长过程中，有两步：,质量输运过程反应剂输运到衬底表面,表面反应过程在衬底表面发生化学反应释放出硅原子,外延的过程,5.4外延膜沉积技术,外延反应剂,通常用的外延反应剂：,SiCl4(*)、SiH2Cl2、SiH4、SiHCl3,.,SiCl4外延反应,H2的作用：运载和稀释气体；还原剂,上述两个反应的综合结果外延生长的同时伴随有衬底的腐蚀。,5.4外延膜沉积技术,.,原理图：,5.4外延膜沉积技术,.,（2）外延生长速率,控制外延速率很关键,过快可能造成：多晶生长；外延层中有过多的堆跺层错；夹渣,5.4外延膜沉积技术,.,影响外延生长速率的因素,A反应剂的浓度,工业典型条件Y=0.005-0.01,5.4外延膜沉积技术,.,影响外延生长速率的因素,B外延的温度,在实际生产中：外延温度选择在B区原因有二。a）B区的温度依赖型强；b）淀积的硅原子也需要足够的能量和迁移能力，高温,5.4外延膜沉积技术,.,影响外延生长速率的因素,C气体流速,由于1200高温下到达衬底表面的不会堆积：因此流速越大，外延层的生长速率越快。,5.4外延膜沉积技术,.,系统要求,气密性好；温度均匀；气流均匀；反应剂和掺杂剂的浓度和流量精确可控；外延前能对衬底做气相抛光；,5.4外延膜沉积技术,.,（3）系统及工序,5.4外延膜沉积技术,.,分子束外延（MBE)分子束外延是在超高真空条件下精确控制原材料的中性分子束强度，并使其在加热的基片上进行外延生长的一种技术。从本质上讲，分子束外延也属于真空蒸发方法。,5.4外延膜沉积技术,.,1、分子束外延,（2）设备,第4章外延工艺三、其它外延,.,134,134,2、异质外延（1）概述,异质外延也叫非均匀外延，外延层与衬底材料不相同，如SOS材料就是Si/Al2O3异质外延材料，一些薄膜集成电路就是采用的SOS材料。,第4章外延工艺三、其它外延,.,分子束外延（MBE)特点(1)由于系统是超高真空，因此杂质气体(如残余气体)不易进人薄膜，薄膜的纯度高。(2)外延生长一般可在低温下进行。(3)可严格控制薄膜成分以及掺杂浓度。(4)对薄膜进行原位检测分析，从而可以严格控制薄膜的生长及性质。当然，分子束外延生长方法也存在着一些问题，如设备昂贵、维护费用高、生长时间过长、不易大规模生产等。,5.4外延膜沉积技术,.,分子束外延的基本装置由超高真空室(背景气压1.3X10-9Pa),基片加热块、分子束盒、反应气体进入管、交换样品的过渡室组成。外，生长室包含许多其他分析设备用于原位监视和检测基片表面和膜，以便使连续制备高质量外延生长膜的条件最优化。除了具有使用高纯元素。,5.4外延膜沉积技术,.,液相外延生长(LPE)液相外延生长原则上讲是从液相中生长膜，溶有待镀材料的溶液是液相外延生长中必需的。当冷却时，待镀材料从溶液中析出并在相关的基片上生长。对于液相外延生长制备薄膜，溶液和基片在系统中保持分离。在适当的生长温度下，溶液因含有待镀材料而达到饱和状态。然后将溶液与基片的表面接触，并以适当的速度冷却，一段时间后即可获得所要的薄膜，而且，在膜中也很容易引人掺杂物。,5.4外延膜沉积技术,.,热壁外延生长(HWE)热壁外延是一种真空沉积技术，在这一技术中外延膜几乎在接近热平衡条件下生长，这一生长过程是通过加热源材料与基片材料间的容器壁来实现的。蒸发材料的损失保持在最小;生长管中可以得到洁净的环境;管内可以保待相对较高的气压;源和基片间的温差可以大幅度降低。,5.4外延膜沉积技术,.,异质外延：异质外延也叫非均匀外延，外延层与衬底材料不相同，如SOS材料就是Si/Al2O3异质外延材料，一些薄膜集成电路就是采用的SOS材料。,衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量的溶解现象衬底与外延层热力学参数相匹配，即热膨胀系数接近。以避免生长的外延层由生长温度冷却至室温时，热膨胀产生残余应力，截面位错，甚至外延层破裂现象发生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,5.4外延膜沉积技术,异质外延的相容性,.,异质外延的失配率,其中：a外延层参数；a衬底参数。有热膨胀系数失配率和晶格常数失配率,5.4外延膜沉积技术,.,异质外延的反相畴,又叫反相混乱，例如非极性的Si上生长极性GaAs在生长的初期Si衬底上有的区域附着Ga，有的区域附着As，不能形成单相的GaAs层，这就叫反相畴。因此常用MBE法外延GaAs。,5.4外延膜沉积技术,.,传统同质外延生长，单晶半导体层是生长在单晶的半导体衬底上此半导体层和衬底为相同的材料，有相同的晶格常数因此同质外延是名符其实的晶格匹配外延工艺同质外延工艺提供了一种控制掺杂浓度分布的重要方法，使器件和电路表现可以最佳化例如，浓度相对低的n型硅层可以外延生长在n+硅衬底上，此种结构可大幅度降低衬底的串联电阻对异质外延而言，外延层和衬底是两种不同的半导体，且外延层的生长必须维持理想的界面结构，这表示穿过界面的化学键必须连续而不被打断因此这两种半导体必须拥有相同的晶格间距，或者可变形去接受一共同间距此两种情况分别称为晶格匹配(Iattice-matched)外延和形变层(strain-layer)外延,晶格匹配的构造和缺陷,5.4外延膜的构造和缺陷,.,图(a)表示衬底和薄膜有相同晶格常数的晶格匹配外延一个重要例子是AlxGa1-xAs在砷化镓衬底上的外延生长，其中x在0至1之间AlxGa1-xAs的晶格常数和砷化镓的晶格常数之间不同程度小于0.13,5.4外延膜的构造和缺陷,.,对晶格不匹配的情形，若外延层有较大的晶格常数且可弯曲它将在生长平面上被压缩至符合衬底的间距，而弹性力将会强迫它往垂直界面的方向扩展，这种结构形式称为形变层外延，如图(b)所示,5.4外延膜的构造和缺陷,.,另一方面，若外延层有较小的晶格常数，它将会在生长平面的方向上扩大，而在垂直界面的方向上被压缩上述的形变层外延，当其厚度增加时，形变或有变形化学键的原子总数会增加，且在某些点上的位错会结核来释放同质形变能量，此厚度称为系统的临界层厚度图(c)表示在界面上有刃位错的情况,5.4外延膜的构造和缺陷,.,一个相关的异质结构是形变层超晶格(strained-layersuper-lattice，SLS)超晶格是一种人工制造的一维周期性结构，由不同材料所构成，且其周期约为10nm右图表示一SLS，由两种不同的平衡晶格常数a1a2的半导体生长出的一具有统一晶格常数6的结构，其中a1ba2,5.4外延膜的构造和缺陷,.,如果此层非常薄，则因为外延中均匀的拉力使之可以承受晶格的不匹配因此在这种情形下，不会有位错在界面产生，故可获得高品质的晶体材料这些人造结构的材料可以用MBE来生长，这些材料为半导体的研究提供了一个新的领域，而且使一些高速和光学应用的新型固态器件制造变为可能,5.4外延膜的构造和缺陷,.,外延层缺陷,外延层的缺陷会降低器件的性能例如，缺陷会降低迁移率和增加漏电流外延的缺陷可以归纳为以下五种：(1)从衬底来的缺陷这些缺陷会从衬底传播到外延层。为避免这些缺陷，必须要求无位错的半导体衬底(2)从界面来的缺陷在衬底和外延层界面的氧化层沉淀或任何形式的污染物都可能形成方向失配的聚集或包含堆垛层错的结核这些聚集和堆垛层错可能会结合正常的结核并形成倒金字塔形的薄膜为避免这些缺陷，衬底的表面需彻底地清洁另外，可做临场回蚀(in-situetchback),5.4外延膜的构造和缺陷,.,(3)沉淀(precipitate)或位错环它们的形成是因为过饱和的掺杂剂或其他杂质造成的含有极高有意、无意的掺杂剂浓度或其他杂质的外延层极易有这些缺陷(4)小角晶界和孪晶在生长时，任何不当方位的外延薄膜的区域都可能会相遇结合而形成这些缺陷(5)刃位错它们是在两个晶格常数不匹配半导体的异质外延中形成的如果两者的晶格均很坚硬，它们将保持原有的晶格间距，界面将含有称为错配(misfit)或刃位错的错误键结的原子行刃位错亦可在形变层厚度大于临界层厚度时形成,5.4外延膜的构造和缺陷,.,薄膜中涉及的研究课题,生长机制和技术薄膜成分缺陷与位错表面形态薄膜中的扩散现象界面的性质应力引起的应变物理性质（电学、光学、机械等）,.,淀积技术包括哪两种？用表格的方式描述二氧化硅、多晶硅、氮化硅的性质、用途、淀积方法（包括方程式、APCVD、LPCVD或