微细加工与MEMS技术张庆中14外延

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1、在单晶衬底上淀积单晶薄膜的工艺称为外延。集成电路中的各种器件通常就是做在外延层上的。第14章外延生长大多数的外延工艺都可利用各种CVD技术来实现，例如LPCVD、PECVD、快速热处理CVD（RTCVD）、金属有机物CVD（MOCVD）、超高真空CVD（UHVCVD），以及激光、可见光、X射线辅助CVD等。有些外延工艺则可以利用蒸发技术来实现，例如分子束外延（MBE）、离子束外延和离化团束外延等。对外延膜质量的评价指标有：膜的厚度、组分、掺杂浓度及其均匀性、缺陷密度等。在许多工艺步骤之前，都必须对硅片进行清洗，以去除残留杂质

2、、颗粒和自然氧化层。外延之前的清洗尤为重要。14.1清洗和自然氧化物去除1号清洗液（NH4OH:H2O2:H2O=1:1:5）主要用于去除各种有机化合物，也可去除各种金属杂质。2号清洗液（HCl:H2O2:H2O=1:1:6）主要用于去除各种碱金属离子和重金属离子。每种清洗液清洗后，用冷、热、冷去离子水冲洗。清洗结束前用稀释的HF溶液浸泡，以去除表面的自然氧化层及清洗过程中形成的氧化层，再漂洗，甩干。即使经过HF溶液浸泡的硅片，在进入加工室之前仍会因曝露在空气中而形成自然氧化层。对于蒸发和溅射镀膜，可在淀积之前进行反溅射。对

3、于外延，一般采用腐蚀。在外延生长之前先向反应室通入含1%HCl的H混合气体，利用H的还原性和HCl的腐蚀性可去掉表面的自然氧化层，甚至一薄层硅。除了对硅片必须严格清洗外，外延工艺对反应室和气体的洁净度也有特别严格的要求。气相外延（Vapor-PhaseEpitaxy,VPE）是集成电路制造工艺中最普遍使用的外延工艺，实际是一种高温CVD工艺。14.2气相外延生长的热动力学普通气相外延的温度高达1200oC左右。若温度太低，不但影响生长速率，而且会使外延膜从单晶变成多晶。在高温下，杂质扩散很严重，难以获得极薄的或掺杂浓度突变的

4、外延膜。降低温度是气相外延的发展方向。现在某些外延已经可以在1000oC以下的温度进行。利用快速热处理CVD单片系统已经实现800oC下极薄的高质量硅外延膜的生长。与CVD工艺相同，气相外延过程可分为几个连续的步骤。反应气体从反应室入口处向硅片附近输运，通过同质反应生成系列次生分子，次生分子扩散穿过滞流层到达硅片表面并被吸附，在硅片表面发生异质反应生成单晶硅，气体副产物解吸附并被排出系统。一、生长速率与温度的关系式中，Cg代表主气流中的反应剂浓度，N代表硅的原子密度除以反应气体分子中的硅原子数。外延膜的生长速率R可表为当温度

5、较低时，hg>>ks，生长速率由表面反应速率常数ks决定；当温度较高时，hg<

6、解法来进行硅的气相外延。但这种方法虽然温度较低，却因SiH4会在气相中成核而产生较多的颗粒，除非使用超高真空，否则外延层的质量很差。硅的气相外延多利用硅氯化物SiHxCl4-x(x=0、1、2、3)与H2的反应来淀积单晶硅。反应气体分子中氯原子数越少，所需的化学反应激活能就越小，反应温度就越低。最早使用的是SiCl4，激活能为1.6~1.7eV，反应温度在1150oC以上。现在普遍使用的是SiH2Cl2，激活能为0.3~0.6eV。二、生长速率与反应剂浓度的关系所有的氯硅烷都有相似的反应途径，先通过同质反应产生气态的次生反应

7、物SiCl2和HCl，然后再发生以下可逆反应SiCl2+H2Si+2HCl以SiCl4为例，当反应剂浓度较低时，SiCl2和HCl的浓度都较低，正向反应占优势，进行外延生长，生长速率随反应剂浓度的提高而加快。由于HCl浓度比SiCl2浓度提高得更快，当反应剂浓度达到某值时，生长速率达到最大，之后随反应剂浓度的提高而变慢。当反应剂浓度继续提高到某值时，逆向反应占优势，发生对硅的腐蚀，且腐蚀速率随反应剂浓度的提高而加快。生长速率太快也会导致形成多晶层。定义气体的超饱和度为当为正时发生外延生长，当为负时发生硅的腐蚀。反应剂浓度生长

8、速率多晶单晶腐蚀0气体流速将影响滞流层的厚度。滞流层平均厚度与气体流速之间的关系是三、生长速率与气体流速的关系一般的外延工艺条件下，生长速率由气相质量转移系数hg决定，生长速率随气体流速的增加而增加。但当气体流速很大时，滞流层厚度很薄，hg变得很大，使外延生长由反应剂输运限制过渡到化学反应