第六章外延生长

1、第六章 外延生长 （Epitaxial Growth）,外延生长（Epitaxial Growth）工艺, 概述 气相外延生长的热动力学 外延层的掺杂与缺陷 硅气相外延工艺 小结,参考资料： 微电子制造科学原理与工程技术第14章 （电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）,一、概述,按衬底晶相延伸生长的新生单晶薄层 外延层。 长了外延层的衬底 外延片。,同质外延：,异质外延：, 掺入杂质可改变外延 层的电学特性。 交替生长不同的外延 层可制作超晶格结构。,1、外延工艺的定义：,在单晶衬底上生长单晶薄膜的技术。,2、 外延工艺的分类：,三种外延工艺的示意图,(2) 按晶格畸变程度,a. 气相外延工艺

2、（Vpor-Phase Epitaxy） b. 液相外延工艺（Liquid-Phase Epitaxy）,超高真空蒸发,3、 外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构（组分）、厚度、 杂质种类及掺杂分布,(1) 双极工艺：器件隔离、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾 (2) CMOS工艺：减小闩锁（Latch-up）效应 (3) GaAs工艺：形成特定的器件结构层 (4) 其他：制作发光二极管、量子效应器件等,d. 其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、离子束外延等等,c. 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）,(3) 按工艺原理,二、气相外延生长的热动力学,与氧化模型类似

3、，假设粒子穿过气体边界层的流量 与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。,其中，hg是质量传输系数，Ks是表面反应速率系数，Cg和Cs分别是 气流中和圆片表面的反应剂浓度。,外延薄膜生长速率可写为：,其中，N是硅原子密度（51023cm-3）除以反应剂分子中的硅原子数。,Ks hg时， R由气相质量传输决定 Ks hg时， R由表面反应速率决定,（以硅外延为例）,1、Deal 模型：,1) Deal模型是一个半定量模型，但它将外延生长过程过于简单化处理：,a. 外延与氧化不同，衬底表面和气相中存在多种化学反应过程 b. 存在大量的、影响外延生长（促进或阻碍）的过程,例如： 在SiHCl系统

4、（SiH2Cl2+H2）中，,I） SiCl2、SiCl4、SiH2等含硅粒子在衬底表面的形成过程会阻碍硅 外延层的生长； II） Cl的存在会刻蚀吸附在衬底表面的硅原子或衬底表面本身的硅 原子。,2) 因此，需要采用与CVD技术中类似的方法，通过将VPE过程分 成几个连续步骤，来建立描述VPE的更精确的模型。,说 明,6）反应副产物的解吸附。,1) VPE步骤包括：,1）气相分解；,3）吸附；,2）传输到硅片表面；,4）扩散；,5）分解；,2、连续步骤模型,描述生长过程的更精确的模型,注意：VPE中的每一步 骤都可能影响外延生长 的速率，其中进行得最 慢的一步是关键限制因 素。,a. 总反应

5、式：,优点：可在低温下进行反应 缺点：气相成核严重，严重影响薄膜质量,b. 气相成核速率：随SiH4分气压提高而急剧上升。,当气相中形成的硅固体颗粒尺寸很小时，由于其表面能量高而 极不稳定，因此，尺寸小于某个临界值的颗粒会发生收缩而消失。,2) 硅烷热分解（600800）中的同质化学反应,该临界尺寸可写为：,其中，U 是表面的界面自由能，V 是原子体 积， 0 是反应剂的分气压与平衡气压的比 值（称为饱和度）。,I) 气相中颗粒的产生限制了工艺温度下SiH4的最大分气压。 一般采用H2将SiH4稀释到15。,II) 一般的硅外延工艺采用H2稀释SiHxCl4-x（x=1,2,3）作为馈气。 含

6、Cl越少，工艺温度越低。目前最常用的反应源是SiH2Cl2。,结 论,最先使用的SiCl4的反应温度在1150 以上，已经不再使用。,图14.5 一个大气压下，Cl:H比为0.06 时， Si-Cl-H系统的平衡气压。,a. 混合气体成分：H2、HCl和SiCl2 ， SiCl2是最主要的反应剂。,c. 生长速率(在反应速率限制区)，,其中的c1和c2分别是正向反应速率系数 和逆向反应速率系数。,3） Si-Cl-H系统的生长速率,b. 化学反应,图14.6 生长速率与SiCl4的函数关系，当Cl浓度高时 出现硅的刻蚀现象。,3、超饱和度（supersaturation）模型,(1) 超饱和度

7、的定义：,当超饱和度为正时，系统为超饱和， 外延生长； 当超饱和度为负时，系统不饱和， 刻蚀过程。,超饱和度是描述外延生长工艺的重要的一级近似。,a. 计算反应进气中的硅/氯分压比。 b. 用查图法求出反应温度下的硅/氯平衡分压比。,(2) 超饱和度的计算：,先计算反应腔中Cl H的比率，再查图读 取SiCl比率。,图14.7 一个大气压下硅/氯平衡比率,(3) 估算SiCl4浓度的饱和度的例子,外延生长使用SiCl4，生长温度为1270 ， SiCl4 /H2=0.05/0.95。 计算系统的超饱和度，并确定是刻蚀还是外延生长状态？,解： 1、进气中Si/Cl比为0.25， 2、温度T127

8、02731543K，由SiCl4 /H2=0.05/0.95 可知 Cl /H0.054/0.9520.11 3、查图14.7得到：(Psi/PCl) eq 0.16 4、系统的超饱和度 = 0.250.14=0.11 0 因此，系统处于外延生长状态。,a. Cl的含量增加后，超饱和度下降，当SiCl4含量为2030时， 由外延生长转为刻蚀。 b. 当SiCl4含量为10左右时，外延生长速率有一个最大值？,超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气 相质量输运限制的。,c. 超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式 有关）。,结 论,4、薄膜生长的三种模式：,(1) 逐

9、层生长（Layer Growth）,理想的外延生长模式,(2) 岛式生长（Island Growth）,超饱和度值越大，吸 附分子主要在台面中 心结团生长。,(3) 逐层+岛式生长（Layers and Islands Growth）,5、硅片表面的化学反应,(1) 在化学反应限制区，不同硅源的化学反应激活能是相似的。 (2) 一般认为，硅外延速率受限于H从硅片表面的解吸附过程。 (3) 硅片表面的主要反应剂是SiCl2，反应剂是以物理方式吸附 在硅片表面。,图14.8 不同硅源外延淀积速率与温度的关系,三、外延层的掺杂与缺陷,(1) 无意识掺杂源：衬底固态源、气态自掺杂。 a. 衬底固态源在

10、外延过程中的扩散决定了外延层-衬底分界面 附近的杂质分布。,外延层杂质分布服从余误差分布。,b. 气相自掺杂：衬底中杂质从圆片表面解吸出来，在气相中 传输，并再次吸附到圆片表面。,其杂质分布的表达式为：,其中，f 是陷阱密度，Nos 是表面陷阱数，xm 是迁移宽度。,1、外延层的掺杂：,无意掺杂与有意识掺杂。,(2) 有意掺杂：最常用的掺杂源B2H6 AsH3 PH3,外延层掺杂的杂质分布示意图,(1) 外延层中的缺陷种类：体内缺陷与表面缺陷 a. 体内缺陷：堆跺层错与位错，由衬底缺陷延伸或外延工艺引入 b. 表面缺陷：表面凸起尖峰、麻坑、雾状缺陷等 通过改进衬底制备工艺、清洗工艺和外延工艺条

11、件，可极大 改善上述缺陷密度。,2、外延生长缺陷,(2) 外延层的图形漂移： 外延生长速率与晶向有关，111面的图形漂移最严重。,四、硅的气相外延工艺,1、 反应原理：,外延工艺一般在常压下进行,氢还原反应：,硅烷分解反应：,反应温度、反应剂浓度、气体流速、反应腔形状结构、 衬底晶向等。,低缺陷密度、厚度及其均匀性、掺杂杂质的再分布最小,2、 影响外延生长速率的主要因素：,3、 外延层的质量：,(1) 化学清洗工艺：高纯度化学溶液清洗高纯度去离子水冲洗 高纯度N2甩干,SC-1的主要作用是去除微颗粒，利用NH4OH的弱碱性来活化硅 的表面层，将附着其上的微颗粒去除,SC-2的主要作用是去除金属

12、离子，利用HCl与金属离子的化合作 用来有效去除金属离子沾污,SC-3的主要作用是去除有机物（主要是残留光刻胶），利用 H2SO4的强氧化性来破坏有机物中的碳氢键结,4、硅外延前的清洗工艺：,去除表面氧化层、杂质（有机物、无机物金属离子等）和颗粒,DHF的主要作用是去除自然氧化层,b. 外延生长：SiH2Cl2H2 c. 冷却：惰性气体冲洗腔室，降温到维持温度。,图14.25 在VPE反应腔内生长 1m厚度硅外延层的典型温度 /时间过程,(2) 硅外延加工工艺的过程,a. 预清洗：H2、H2/HCl混合气氛或真空中去除自然氧化层,a. 快速热处理工艺：SiH2Cl2在高温下进行短时外延 b. 超高真空CVD外延： 低温低气压下，硅烷分解形成硅外延层,图14.26A RTCVD外延系统示意图,(3) 先进的硅外延工艺：,a. 卤化物GaAs气相外延：HCl+AsH3气体流过加热的固体Ga源， 生成GaCl气体，输运至圆片表面生成GaAs。 b. 金属有机物化学气相淀积（MOCVD）：用于生长高质量 （具有原子层级的突变界面）IIIV族化合物 c. 分子束外延（MBE）