北京大学出版社外延

第七章外延外延定义Epitaxy:在…上排列(希腊语)外延:单晶衬底上淀积一层薄的单晶层.(新生单晶层是按衬底晶向延伸生长的,称为外延层;长了外延层的衬底称为外延片)外延分类衬底与外延层阻值不同正向外延反向外延衬底与外延层材料同质外延异质外延向衬底输送原子方式气相外延液相外延固相外延硅气相外延的基本原理-硅源SiCl4SiHCl3SiCl2H2SiH4主要应用在传统的外延工艺中生长速度快，1um/min，用于厚外延层的制备生长高质量的薄外延层，外延层的缺陷密度低于SiCl4和SiH4。生长很薄的外延层，且得到高淀积率。生长外延层需要很高的温度可以在较低的温度下外延用在更低的温度下在低于900度下生长外延层近晶面外延生长示意图吸附原子台阶边缘扭转位置下平台上平台ACBA结论１．吸附原子的迁移过程受到抑制，就可能生成多晶薄膜．２．淀积速率和温度影响吸附原子的迁移．特定的淀积温度下，存在一个最大淀积率，超过最大淀积率，生成多晶薄膜；低于最大淀积层，生成单晶外延层．特定的淀积速率下，温度越高，易生长单晶；温度越低，易生成多晶．原因：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．当温度升高时，表面迁移率上升，由于硅原子迁移速率的加快，在与其他吸附原子形成硅串前已经到达扭转点．一旦到达扭转点，薄膜开始横向生长．单晶外延生长与硅自扩散的机制是相同的．化学反应过程ＳiＣl４氢还原法的总反应：ＳiＣl４＋Ｈ２Ｓis＋４ＨＣl总反应包括下列中间反应ＳiＣl４＋Ｈ２ＳiＨＣl３＋ＨＣlＳiＣl４＋Ｈ２ＳiＣl２＋２ＨＣlＳiＨＣl３＋Ｈ２ＳiＨ２Ｃl２＋ＨＣlＳiＨＣl３ＳiＣl２＋ＨＣlＳiＨ２Ｃl２ＳiＣl２＋Ｈ２

硅的析出反应：ＳiCl２＋Ｈ２Ｓis＋２ＨＣl２ＳiＣl２Ｓis＋ＳiＣl４生长速率与温度间的关系１．生长率依赖于所选用的硅烷，生长率ＳiＨ４＞ＳiＨ２Ｃl２＞ＳiＨＣl３

＞ＳiＣl４２．高温区（Ｂ），生长速率对温度的变化不敏感，生长速率由气相质量输运控制，并且对反应室的几何形状和气流有很大的依赖性；低温区（Ａ），生长速率对温度的变化非常敏感，生长速率完全由表面化学反应控制．生长速率与温度间扩散关系原因：高温区：表面化学反应速率常数很大，决定外延生长速率的主要因素是单位时间内反应剂输运到衬底表面的数量，或是化学反应的副产物通过扩散方式离开衬底表面的速率．低温区：化学反应的快慢决定生长速率，控制反应速率的机制在所有的情况下是相同的．现象解释：反应表面对氢的解吸

氢会占据硅的表面位置，如果不被排除，将会阻止新的硅原子加入到生长的薄膜中．生长速率与温度间的关系过渡温度取决于：１．源的摩尔分数２．淀积系统的类型３．气流速率４．源气体的选用外延温度选在高温区：１．生长速率处于质量输运控制范围，温度的微小波动不会影响生长速率显著变化．２．淀积在表面的硅原子具有足够的能量和迁移能力，易找到合适的位置形成单晶．生长速率与反应剂浓度的关系外延生长速率由以下两因素较慢一个决定：１氢还原ＳiＣl４析出硅原子２被释放出来的硅原子在衬底上生成单晶层分析：１．ＳiＣl４浓度较小，ＳiＣl４被氢还原析出硅原子的速度远小于被释放出来的硅原子在衬底上生成单晶硅速度，化学反应速度控制外延层的生长速率．２．增加ＳiＣl４浓度，化学反应速率加快，生长速度提高．浓度大到一定程度，化学反应释放硅原子速度大于硅原子在衬底表面的排列生长速度．３．进一步增大ＳiＣl４浓度（Ｙ＝０.１）生长速率减小；当Ｙ＝０.２７时，逆向反应发生硅被腐蚀．４．反向腐蚀越严重，生长速率下降，当Ｙ＞０.２８时，只存在腐蚀反应．生长速率与气体流速的关系１．气体流速越大，边界层越薄，相同时间内转移到单位衬底表面上的反应剂数量越多，外延层生长速率也越快．２．当气流大到一定程度时，外延层的生长速率基本不随气体流量增大而加快．因为此时边界层厚度很薄，输运到衬底表面的反应剂数量可能超过外延温度下的化学表面反应需要的数量，此时生长速率由化学反应速率决定．衬底晶向对生长速率的影响不同晶面的键密度不同，键合能力存在差别，会对生长速率产生一定影响．１．共价键密度小，键合能力差，生长速率慢．（１１１）２．共价键密度大，键合能力强，生长速率快．（１００）外延层中的杂质分布外延工艺与其他工艺相比的优势?1.完美的晶体结构2.精确地控制厚度,导电类型及电阻率(掺杂浓度)3.外延层与衬底间有突变的杂质分布.ＳiＣl４在高温下生成外延层中的杂质分布-掺杂原理外延层中的杂质原子是在外延生长过程中被结合到外延层的晶格中.-----1杂质淀积的过程中,由于质量输运和表面化学反应控制,掺杂效率与综合因素有关(生长温度,生长速率,气流中掺杂剂相对于硅源的摩尔数,反应室的情况…)-----2外延层的生长速度也依赖于掺杂剂的类型和浓度;外延薄膜中所吸收的杂质数量又取决于外延层的生长速度.外延层中的杂质分布-扩散效应外延中,掺杂渠道-扩散效应;自掺杂效应扩散效应: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杂质浓度的缓慢变化.扩散效应对杂质分布的影响因素:1.温度,衬底和外延层的掺杂情况2.杂质类型及扩散系数3.外延层的生长速度和缺陷外延层中的杂质分布-自掺杂效应自掺杂效应:在外延生长过程中,衬底和外延层中的杂质因热蒸发,或因化学反应的副产物对衬底或外延层的腐蚀,都会使衬底和外延层中的杂质进入边界层中,改变了边界层中的掺杂成分和浓度,从而导致了外延层中杂质的实际分布偏离理想情况.减小自掺杂效应措施:1.在保证外延质量和速度的前提下,尽量降低外延生长温度.2.对n型衬底,使用蒸汽压低,扩散速率也低的杂质作为埋层杂质.3.对重掺杂的衬底,需要使用轻掺杂的硅来密封重掺杂衬底的底面和侧面,进而减少杂质的外逸.4.外延系统应当工作在低压条件下(气态的杂质原子在低压下的扩散速度比常压情况下高,由衬底外逸的大部分杂质就可以被主气流带出反应室)5.可以使用经过离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度.6.可以在埋层或衬底上先生长未掺杂的薄膜避免衬底中的杂质外逸,之后再进行原位掺杂.7避免在高温下采用HCl对衬底进行腐蚀,或在腐蚀后用低温气流除去因腐蚀外逸的杂质.低压外延目的:减小自掺杂效应原因:低压情况下,气体分子密度变稀,分子平均自由程增大,杂质的扩散速度加快,所以衬底逸出的杂质能快速地穿过边界层被排出反应室,重新进入外延层的机会减小,降低了自掺杂效应对外延层中杂质浓度和分布的影响.压力:1×103~2×104Pa之间优点:1缩小多层外延之间的过渡区2改善电阻率的均匀性3减小埋层图形的漂移和畸变4给硅源浓度的变化提供了更大的幅度低压外延低压对自掺杂影响的两种效应:压力变低,边界层厚度增加,衬底逸出的杂质穿过边界层的时间变长,加重自掺杂效应.(次要因素)压力变低,杂质穿过边界层进入主气流的时间比常压外延短(主要因素)低压外延对反应室的要求:能承受内外的压力差(水平圆形管和立式钟罩型)反应室的密封性要好低压外延异于常压外延的参数影响压力的影响硅源的摩尔浓度相同时,生长速率一般要下降.原因:反应剂的分压变小及生长动力学控制过程的变化.低压外延层的厚度和电阻率有明显的改善.原因:低压时,反应管内的气流以层流形式流动,在热基座和冷壁间不存在因温度差引起的旋涡型气流.低压外延层的晶体完整性要受到一定影响.原因: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低压外延异于常压外延的参数影响温度的影响压力降低,生长外延层的温度下限下降,生长速率可随温度的升高而增加;当温度达到某个值的时候,生长速率不随温度上升而变化.原因:生长过程由表面化学反应控制转为质量输运控制.选择外延定义: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特性,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.基本原理:硅在衬底上核化的可能性SiO2(异质外延)<Si3N4(异质外延)<Si(同质外延),落在绝缘体上的原子因不易成核而迁移到更易成核的硅单晶区.(在Si-SiO2界面会产生较大的晶格失配,与Si-Si同质外延相比其晶核形成能增高;另一方面,要进行外延生长的地方是窗口内或者硅表面的凹陷处,这些地方将降低核能)选择外延提高原子活动性的因素:1.氧化物表面的高清洁度2.源中存在足够的氯(HCl)原因:氯可以抑制在气相中和掩膜层表面处成核,通过调节Si/Cl的比率,可以从非选择性生长向选择性生长和腐蚀方向变化.选择顺序:SiCl4,SiHCl3,SiH2Cl2,SiH4选择外延的三种类型(1)waferSiO2SiO2waferSiO2SiO2外延硅waferSiO2SiO2外延硅Poly-SiPoly-SiwaferSiO2SiO2缺点:在窗口边缘进行选择外延时,在窗口边缘不但具有较高的生长速率,而且生长速率也不规则.原因:到达窗口内的反应剂,如果不能成核,会在衬底表面做迁移运动,直到到达窗口边缘并淀积,窗口边缘的生长速率比中心的生长速率高改善:降低生长速率选择外延的三种类型(2)在这种外延生长过程中，晶面取向不同表现出不同的生长特性．回填材料的导电类型一般与衬底相反．硅的选择回填中，ＳiＨ４／ＨＣl／Ｈ２生长体系在（１００）取向衬底上得到最好的平面生长．因为这个体系的生长速率与温度的关系没有ＳiＣl／Ｈ２那样密切，可以通过调节气相Ｃl／Ｓi比，使表面上的生长速率为零．waferSiO2SiO2waferSiO2SiO2waferSiO2SiO2选择外延的三种类型(３)在这种工艺中，依靠气相掺杂，可使沟槽内的导电类型与衬底相反而建立多重Ｐ－Ｎ结，这种结构的外延层多用于太阳能电池和其他器件．waferwaferwafer选择外延提高硅淀积选择特性的其他因素：１选择减压反应系统２提高淀积温度３减少气流中硅源的摩尔分数４保证硅片和系统的清洁横向超速外延（ＥＬＯ）当选择外延生长的薄膜超过ＳiＯ２的台阶高度时，外延不但继续垂直生长，而且也沿横向生长横向与纵向生长速率之比取决于窗口或台阶的高度以及衬底的取向．ＳiＯ２ＳiＯ２ＳiＯ２垂直选择外延横向超速外延硅烷热分解法外延SiCl4SiHCl3SiCl2H2SiH4主要应用在传统的外延工艺中生长速度快，1um/min，用于厚外延层的制备生长高质量的薄外延层，外延层的缺陷密度低于SiCl4和SiH4。生长很薄的外延层，且得到高淀积率。生长外延层需要很高的温度可以在较低的温度下外延用在更低的温度下在低于900度下生长外延层硅烷热分解法外延化学反应式:SiH4Si(固)+2H2(气)优点:不存在反向腐蚀效应,对反应室无腐蚀作用.可以在相对低的温度下完成(600C分解;650-900C产生外延层)减弱了自掺杂效应和扩散效应.提高外延层电阻率的均匀性,有利于薄层外延生长.杂质玷污较少,硅烷纯度高.可以精确控制流量,外延层生长的重复性好.硅烷热分解法外延生长过程:(1)SiH4分子靠扩散运动穿过边界层到达硅表面被吸附.(2)SiH4在硅表面分解,释放出硅原子和氢分子.(3)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,并定位于适当的晶格位置上.存在的问题:(1)SiH4能在气相中自行分解,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.(解决措施:1加大气体流量,选定合适温度并准确控制.2在反应中加入适量的HCl)(2)同其他氯的硅化物相比,SiH4容易氧化形成硅粉.(避免氧化物质和水汽的存在)

(3)外延层的缺陷密度比SiCl4氢还原法外延高.(4)对反应系统要求高.

SOS技术SOI(SiliconOnInsulator或SemiconductorOnInsulator):在绝缘衬底上进行硅的异质外延SOS(SiliconOnSapphire或SiliconOnSpinel):在蓝宝石或尖晶石衬底上进行硅的外延,是SOI的一种.SOI技术优点:1.与制造在体硅或硅的同质外延层相比,由于SOI是介质隔离,寄生电容小,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.2.提高了器件抗辐射能力.3.抑制了CMOS电路的闩锁效应.4.硅-绝缘体CMOS工艺比体硅CMOS工艺简单,还能排除某些在体硅CMOS中存在的危害成品率的因素.

SOS技术衬底材料考虑因素:外延层与衬底材料的相容性1.晶体结构:绝缘体的晶格参数十分接近于单晶硅晶格参数2.热膨胀系数:热膨胀系数相近;相差较大在温度变化时会在单晶硅膜内产生应力,外延层缺陷增多.3.绝缘衬底的质量:蓝宝石晶体制备方法1焰熔法2切克劳斯基法3边缘限定馈给法4.熔点,蒸汽压…分子束外延(MBE)工作原理: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生成外延层.MBE设备组成部分:1.超高真空系统(真空度1.33*10-8Pa以上)2.生长系统喷射炉:放在不同喷射炉内的不同元素按一定比例喷射出来.衬底基座:可以倾斜,旋转一定角度,同时可以放置,接送和加温样品.3.测量,分析,监控系统包括质谱仪(监视分子束的种类和强度),俄歇电子能谱仪(监视表面化学成分,组分和杂质的剖面分布),高能电子衍射仪(检测表面原子排列情况),薄膜厚度测试仪,电子显微镜等.分子束外延(MBE)MBE前衬底表面清洁工艺:1.高温热处理去除衬底表面的SiO2.(热处理温度太高)SiO2+SiSiO(1200C)2用Ar+溅射,再退火(引起衬底表面的损伤)3利用脉冲激光反复辐射.外延层的缺陷按所在位置分两类表面缺陷:显露在外延层表面的缺陷,可用肉眼或金相显微镜观察到.主要有:云雾状表面;角锥体;划痕;星状体;麻坑等体内缺陷:位于外延层内部的晶体结构缺陷.主要有:位错,层错(也有起源于外延层内部,甚至衬底内部,但随外延层生长一直延伸到外延层表面)层错层错:由原子排列次序发生错乱引起的,也叫堆积层错.产生层错的原因:衬底表面的损伤和玷污,外延温度过低,衬底表面上残留的氧化物,外延过程中掺杂剂不纯,空位或间隙原子的凝聚,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.