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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。（作业1）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
2、件是做在很薄的轻掺杂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源可以在较低的温
3、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。 平台Kink单原子层阶梯阶梯原子平台空位Adatom1 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
4、吸附的状态，称为吸附原子。外延生长过程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
5、步的迁移就不太可能发生了。 在继续生长过程中，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。 （作业2）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
6、长单晶；而低 温高生长率易生成多晶。 最大淀积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1.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
7、的SiO2薄膜有更好的保形性。3. 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PS
8、G在高温下可以流动，从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 触孔和通孔，
10、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。化学性质活泼，必须低温保存，
11、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 、晶体完整性。缺点是必须在高温下进行，加
12、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（0.3-0.6eV）的激活能依次减
13、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（作业2 ）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) ：生长速率与携带气体中所含反应剂的分压
14、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SiCl4氢还原法外延过程中，生长
15、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，逆向反应发生，硅被
16、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。（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，晶面之间的原子键密度越
