集成电路制造工艺之--外延

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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。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

2、示，CMOS器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：①四氯化硅（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。②三氯硅烷（SiHCl3，TCS）：SiHCl3与SiCl4

3、特性相似，但SiHCl3源可以在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。⑤二氯硅烷（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。④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

4、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

5、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

6、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CVDSiO2硅烷与氧气反应制备二氧化硅，LPCVD硅烷和N2O反应，PECVDTEOS为源，PECVDSiO2可

7、以对深宽比为0.8的沟槽实现无空隙填充。2.中温LPCVDSiO2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.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0.35m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TE

8、OS/O3淀积SiO2层；再用PECVD方法淀积一层SiO2作为保护层，避免氧化