1、第七章 外延,外延：是指在单晶衬底(如硅片)上，按衬底晶向生长单晶薄膜的工艺过程。生长有外延层的硅片称为外延片。 同质外延：生长的外延层和衬底是同一种材料。 异质外延：外延生长的薄膜与衬底材料不同，或者生长化学组分、物理结构与衬底完全不同的外延层，如SOS 技术（在蓝宝石或尖晶石上生长硅）。 根据向衬底输送原子的方式，外延生长分为三种类型： 气相外延(VPE)、液相外延(LPE)和固相外延(SPE)。 在硅工艺中主要采用气相外延技术，能够很好地控制外延层厚度、杂质浓度、晶体完整性。缺点是必须在高温下进行，加重了扩散效应和自掺杂效应，影响对外延层掺杂的控制。,基本概念,如图所示，CMOS器件是做
2、在很薄的轻掺杂p型的外延层上。,与做在体硅上相比，在外延层上制做的CMOS器件有很好的电介质完整性和很小的漏电流。,外延工艺在CMOS集成电路中的应用,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 SOS技术 MBE（分子束外延） 外延层厚度和电阻率的测量,主要内容,7.1 硅气相外延的基本原理,目前生长硅外延层主要有四种源： 四氯化硅（SiCl4）：早期的集成电路一般采用SiCl4源，使用SiCl4生长外延层需要很高的温度，不适应现今集成电路工艺的要求，目前主要应用在传统的外延工艺中。 三氯硅烷（SiHCl3，TCS）： SiHCl3与SiCl4特性相似，但SiHCl3源可以在
3、较低的温度下进行外延，且生长速率较高，可用于生长厚外延层。 二氯硅烷（SiH2Cl2，DCS）：SiH2Cl2广泛应用于在更低温度下生长高质量薄外延层，外延层的缺陷密度低，是选择外延常用的一种硅源。 硅烷（SiH4）：可在低于900度的温度下生长很薄的外延层，而且可得到高淀积率。,7.1.1 硅源,7.1.2 外延薄膜的生长模型,同质外延层是生长在完整晶体的某个晶面上，晶面的构造特征描述为：平台、扭转、台阶，是切割硅片时偏离了晶向产生的，这样的表面称为近晶面。,1 反应剂被生长的表面吸附。 2 发生化学反应，生成硅和副产物，副产物立即排出，硅原子始终保持被表面吸附的状态，称为吸附原子。,外延生
4、长过程,3 二维层状生长过程（晶格匹配体系） 如果一个吸附硅原子处于平台上的A位置， 有几种可能发生：,如果吸附原子A保持不动，其他硅原子可以被吸附过来，形成硅串或硅岛。 大量的硅串在合并时，必定会产生严重的缺陷或形成多晶薄膜。,如果吸附原子具有比较高的能量，那么这个原子更倾向于沿着表面迁移，如果迁移到一个台阶边缘的位置，如图B位置，由于Si-Si键的相互作用，位置B比位置A更稳定，吸附原子就有很大的可能性保持在此位置。 吸附原子最稳定的位置是所谓的扭转位置（kink position），如图中的位置C。当吸附原子到达一个扭转位置时，形成了一半的Si-Si键，进一步的迁移就不太可能发生了。 在
5、继续生长过程中，更多的吸附原子必定会迁移到扭转位置，从而加入到生长的薄膜中。,薄膜生长是依靠晶体表面台阶的横向运动进行的，即为二维层状生长模型。高质量的外延生长需要非常清洁的硅表面。因为外延是横向生长的，晶体表面的杂质会阻碍生长，进而在薄膜上产生层错或位错缺陷。,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，会形成多晶； 随温度升高，硅原子表面迁移率增强，在与其他吸附原子形成硅串之前就已经到达了扭转点，易形成单晶。 在固定淀积温度下，存在一个最大淀积率。超过最大淀积率，会生成多晶薄膜；低于最大淀积率，生成单晶外延层。高温低生长速率时，易生长单晶；而低温高生长率易生成多晶。,最大淀积
6、率,如果吸附原子的迁移过程受到抑制，就有可能生成多晶薄膜，与淀积速率和温度有关。,维持单晶生长的最大淀积率随温度升高呈指数上升，如图，可求出激活能为5eV。5eV的激活能相当于硅的自扩散激活能。由此，我们可以说单晶外延生长与硅自扩散的机制是相同的。,上节课内容小结,CVD二氧化硅的特性和沉积方法 低温CVD SiO2 硅烷与氧气反应制备二氧化硅，LPCVD 硅烷和N2O反应，PECVD TEOS为源，PECVD SiO2可以对深宽比为0.8的沟槽实现无空隙填充。,2. 中温LPCVD SiO2 在中等温度下（680-730范围），以TEOS为源LPCVD淀积的SiO2薄膜有更好的保形性。,3.
7、 TEOS与臭氧混合源的二氧化硅淀积,加入臭氧(O3)做为反应剂可以得到很高的淀积速率。 由TEOS/O3方法淀积的二氧化硅薄膜有非常好的保形性，可以很好地填充深宽比大于6:1的沟槽，以及间距为0.35m金属线之间的间隙，而不形成空隙。,上节课内容小结,三层绝缘结构： 在TEOS/O3淀积之前，先用PECVD方法淀积一层薄的SiO2层，以保证有相同的沉积速率（淀积速率依赖于薄膜淀积的表面材料）； 在TEOS/O3淀积SiO2层； 再用PECVD方法淀积一层SiO2作为保护层，避免氧化层中含有的Si-OH键吸收水汽。,上节课内容小结,CVD掺杂二氧化硅,1. 磷硅玻璃 PSG在高温下可以流动，从
8、而可以形成更为平坦的表面，使随后淀积的薄膜有更好的台阶覆盖。 回流平坦化温度1000-1100 。 磷最好限制在6-8wt。,2. 硼磷硅玻璃 可以获得850 以下的玻璃回流平坦化，比PSG回流平坦化温度低，降低了浅结中的杂质扩散。,上节课内容小结,CVD氮化硅的特性及沉积方法,氮化硅薄膜是无定形的绝缘材料，在集成电路中可以作为：钝化层：强掩蔽力（Na、水汽），保形覆盖，针孔较少 低温PECVD:选择性氧化的掩蔽膜：氧很难透过Si3N4，SiO2作为缓冲层应力补偿 LPCVD氮化硅：,上节课内容小结,钨的化学气相沉积,在集成电路互连系统中，钨主要用途有两个方面： 填充通孔和接触孔：对于特征尺寸
9、小于1m的工艺，由于深宽比太大，PVD铝无法完全填充，而CVD钨能够完全填充。 局部互连材料：由于钨的电导率较低，只能用于短程互连线，而铝和铜仍然用于全局互连。,覆盖式化学气相沉积钨与回刻,上节课内容小结,CVD 钨的化学反应（反应自停止）以上两个反应提供钨核层沉积较厚的钨薄膜,上节课内容小结,硅化钨的化学气相沉积ploycide（多晶硅/难熔金属硅化物）多层栅结构,采用DCS和WF6反应生成WSix薄膜的台阶覆盖好一些，且碎裂剥落也不太严重，因而用DCS取代了SiH4进行CVD硅化钨。,上节课内容小结,TiN的化学气相沉积,在ULSI互连系统中，使用铝合金、铜、钨等金属作为互连线或者填充接触
10、孔和通孔，在这层金属下面要先淀积一层TiN薄膜。其作用是： 对于铝合金层，它作为扩散阻挡层防止在金属互连层之间形成接触点； 对于钨或铜的覆盖层，它既作为扩散阻挡层又作为附着层，称为衬垫。CVD的TiN薄膜保形性好，可以形成理想的填充 LPCVD：沉积温度高，600度以上，超过了Al能承受的范围，只能用于接触孔的淀积。 MOCVD：淀积温度低， 400度以下，在接触孔和通孔中都能使用。,上节课内容小结,优点：CVD铝对接触孔有很好的填充性；较低的电阻率(与钨相比)；一次完成填充和互连。MOCVD Al：沉积温度低200度 Al的有机化合物有毒、易燃、接触水会爆炸，必须密封保存，合理操作。 化学性
11、质活泼，必须低温保存，进入反应室前，采取措施以保持稳定性 CVD铝抗电迁移能力差：CVD铝铜合金制备复合层（CVD铝+PVD铝铜）,铝的化学气相沉积,上节课内容小结,外延：是指在单晶衬底(如硅片)上，按衬底晶向生长单晶薄膜的工艺过程。 同质外延：生长的外延层和衬底是同一种材料。 异质外延：外延生长的薄膜与衬底材料不同，或者生长化学组分、物理结构与衬底完全不同的外延层，如SOS 技术（在蓝宝石或尖晶石上生长硅）。 根据向衬底输送原子的方式，外延生长分为三种类型： 气相外延(VPE)、液相外延(LPE)和固相外延(SPE)。 在硅工艺中主要采用气相外延技术，能够很好地控制外延层厚度、杂质浓度、晶体
12、完整性。 缺点是必须在高温下进行，加重了扩散效应和自掺杂效应，影响对外延层掺杂的控制。,7.1.3 化学反应过程,生长硅外延层的硅源有很多种，研究发现每种源的反应过程都存在很多中间产物。以SiCl4为例，总反应： 发现反应室有四种物质存在：SiCl4，SiHCl3，SiH2Cl2和HCl。中间反应：以上反应均为气相反应，产物SiCl2吸附于衬底表面生成固态Si原子。,如图所示， SiCl4浓度随水平距离的增加而减小，其他三种成份浓度随离入气口的水平距离增加而上升 。,相比之下，用SiCl4作为硅源生长外延层的激活能（1.6-1.7eV）最高，SiHCl3（0.8-1.0eV）和SiH2Cl2（
13、0.3-0.6eV）的激活能依次减小。反应都是先形成SiCl2，最终生成硅。 SiCl2被认为是气相外延中的最主要反应剂。,所有的反应都是可逆的，在适当的热力学条件下，反应可以逆向进行。硅也会在氯硅烷环境中被腐蚀掉。右图给出的是SiCl4氢还原法外延过程中生长速率与温度的关系。腐蚀在高温和低温时发生，而外延生长只有在中间温度才会发生。,7.1.4 生长速率与温度之间的关系,如图是采用不同的硅源时，外延层生长速率与温度的关系。 生长速率与硅源有关，相同温度下，生长速率从高到低为：SiH4、SiH2Cl2、 SiHCl3和SiCl4。 存在两个生长区域：（Grove模型） 高温区(B区) ：生长速
14、率与携带气体中所含反应剂的分压近似成线性关系，对温度变化不敏感，生长速率由气相质量输运控制。随着温度上升，生长速率略有增加，是因为气相中反应剂的扩散能力随温度上升有微弱增加。,低温区(A区)：生长速率对温度变化非常地敏感。生长速率是由表面化学反应控制，化学反应激活能约为1.5eV，与所使用的硅源无关，说明控制反应速率的机制相同。研究认为限制机制是反应表面对氢的解吸。氢占据硅表面位置，如果不被排除，会阻止新的硅原子加入到生长薄膜中。 实际外延温度是选在高温区(B区)：在高温区外延，表面Si原子有足够的能量和迁移能力，运动到扭转的位置，易生成单晶。,7.1.5 生长速率与反应剂浓度的关系,SiCl
15、4氢还原法外延过程中，生长速率主要受两个过程控制：氢还原SiCl4析出硅原子过程；硅原子在衬底上生成单晶层的过程。 速度中较慢的一个将决定外延生长速率。当SiCl4浓度较小时， SiCl4被氢还原析出硅原子的速度远小于Si原子在衬底上生成单晶的速度，因此化学反应速度控制着外延层的生长速率。 SiCl4浓度增加时，化学反应速度加快，生长速率提高。,当SiCl4浓度大到一定程度时，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，此时生长速率受硅原子在衬底表面排列生长的速度控制。进一步增大 SiCl4浓度，也就是当y值达到0.1时，生长速率就开始减小。当SiCl4的浓度增长到0.27时，逆
16、向反应发生，硅被腐蚀。当氢气中SiCl4的摩尔分数大于0.28时，只存在腐蚀反应。 典型生长速率为1m/min，如图所示。,7.1.6 生长速率与气体流速的关系,SiCl4氢还原法外延温度一般在1200度左右的高温下，到达衬底表面的反应剂会立即发生反应，薄膜生长速率受反应剂以扩散方式穿越边界层的质量输运过程控制。气体流速越大，外延层生长速率越快。当气体流量大到一定程度时，外延层生长速率基本不随气体流量增大而加快，这时的生长速率则由化学反应速率所决定。,7.1.7 衬底晶向对生长速率的影响,衬底表面的取向对外延生长速率也有一定的影响。不同晶面的键密度不同，键合能力就存在差别，因而对生长速率就会产
17、生一定的影响。硅的(111)晶面的双层原子面之间的共价键密度最小，键合能力差，故外延层生长速率就慢。(110)晶面之间的原子键密度大，键合能力强，外延层生长速率就相对地快。,7.2、外延层中的杂质分布,外延工艺不仅要求外延层具有完美的晶体结构，还要求：精确控制外延层掺杂浓度；外延层与衬底之间具有突变型的杂质分布。SiCl4氢还原法的外延温度高，导致：衬底中杂质蒸发，改变了气相中的杂质成份和浓度衬底中杂质与外延层中杂质互扩散，使界面处杂质分布变缓,原位掺杂：杂质原子是在外延生长过程中掺入到外延层晶格中的，杂质源使外延生长过程变得更为复杂。 掺杂剂：B2H6，PH3，AsH3，稀释后与生长外延层的
18、反应剂一同输送到反应室。右图是几种掺杂剂的掺入效率与生长温度的关系。硅的生长速率保持恒定时，硼的掺入量随生长温度上升而增加，而磷和砷却随温度上升而下降。实际掺杂效率还与掺杂剂的类型和浓度、外延层的生长速率、衬底的取向等因素有关。,7.2.1 掺杂原理,7.2.2 扩散效应,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的杂质浓度缓慢变化。 当杂质的扩散速度远小于外延层的生长速度时，外延层中的杂质浓度分布由下式给出：式中“+”和“-”分别对应 n/n+ (p/p+) 和 p/n+ (n/p+)型外延片。,7.2.3 自掺杂效应,自掺杂效应：在外延生长过程中
19、，衬底或外延层中的杂质进入边界层中，改变了边界层的掺杂成份和浓度，导致外延层中杂质的实际分布偏离理想情况。在掺杂衬底上生长掺杂外延层时，因为自掺杂效应，外延层中的杂质浓度分布为：式中Cs为衬底中均匀分布的杂质浓度，Ce0为无限厚处外延层的杂质浓度。 “+”和“-”分别对应 n/n+ (p/p+) 和 p/n+ (n/p+)型外延片。,在重掺杂衬底上生长含有相同导电类型的轻掺杂外延层时，杂质浓度分布右图中(a)所示。在轻掺杂衬底上，生长不同导电类型的重掺杂外延层，杂质分布情况如图中(b)所示。由图可见，在外延过程中由于自掺杂效应的影响，引起pn结位置的移动。由图可以看到，杂质浓度的突变型分布是不能实现的。,
