微細加工與MEMS技術張慶中14外延

在 的工藝稱為 。集成電路中 的各種器件通常就是做在外延層上的。 大多數的外延工藝都可利用各種 CVD 技術來實現，例如 LPCVD、PECVD、快速熱處理 CVD（RTCVD）、金屬有機 物 CVD（MOCVD）、超高真空 CVD（UHVCVD），以及激 光、可見光、X 射線輔助 CVD 等 。有些外延工藝則可以利用 蒸發技術來實現 ，例如分子束外延（MBE）、離子束外延和 離化團束外延等。 對外延膜質量的評價指標有： 。 在許多工藝步驟之前，都必須對硅片進行清洗，以去除殘 留雜質、顆粒和自然氧化層。外延之前的清洗尤為重要。 1 號清洗液（NH4OH : H2O2 : H2O = 1 : 1 : 5）主要用于去 除各種有機化合物，也可去除各種金屬雜質。 2 號清洗液（HCl : H2O2 : H2O = 1 : 1 : 6）主要用于去除各 種堿金屬離子和重金屬離子。 每種清洗液清洗后，用冷、熱、冷去離子水沖洗。清洗結 束前用稀釋的 HF 溶液浸泡 ，以去除表面的自然氧化層及清洗 過程中形成的氧化層，再漂洗，甩干。 即使經過 HF 溶液浸泡的硅片 ，在進入加工室之前仍會因 曝露在空氣中而形成自然氧化層。對于蒸發和濺射鍍膜，可在 淀積之前進行 。對于外延，一般采用 。在外延生長 之前先向反應室通入含 1% HCl 的 H 混合氣體，利用 H 的還原 性和 HCl 的腐蝕性可去掉表面的自然氧化層，甚至一薄層硅。 除了對硅片必須嚴格清洗外，外延工藝對反應室和氣體的 潔凈度也有特別嚴格的要求。 氣相外延（Vapor-Phase Epitaxy , VPE）是集成電路制造 工藝中最普遍使用的外延工藝，實際是一種高溫 CVD 工藝。 o 普通氣相外延的溫度高達 1200 C 左右。若溫度太低，不但 影響生長速率，而且會使外延膜從單晶變成多晶。 在高溫下，雜質擴散很嚴重，難以獲得極薄的或摻雜濃度 突變的外延膜。降低溫度是氣相外延的發展方向。現在某些外 o 延已經可以在 1000 C 以下的溫度進行。利用快速熱處理 CVD o 單片系統已經實現 800 C 下極薄的高質量硅外延膜的生長。 與 CVD 工藝相同，氣相外延過程可分為幾個連續的步驟。 反應氣體從反應室入口處向硅片附近輸運，通過同質反應生成 系列次生分子，次生分子擴散穿過滯流層到達硅片表面并被吸 附，在硅片表面發生異質反應生成單晶硅，氣體副產物解吸附 并被排出系統。 外延膜的生長速率 R 可表為 J k h C R ? ? s g ? g N ks ? hg N 式中，Cg 代表主氣流中的反應劑濃度，N 代表硅的原子密度除 以反應氣體分子中的硅原子數。 當溫度較低時，hg >> ks ，生長速率由表面反應速率常數 ks 決定；當溫度較高時，hg > ks ，生長速率由表面反應速率常數 ks 決定；當溫度較高時，hg << ks ，生長速率由氣相質量轉移 系數 hg 決定。 實際生產中外延溫度在高溫區，生長速率由氣相質量轉移 系數 hg 決定，這時溫度的微小變動不會對生長速率造成顯著的 影響，因此外延對溫度控制精度的要求不是太高。 在高溫區進行外延生長時，到達硅片表面的硅原子有足夠 的能量和遷移能力，可在硅片表面運動而到達晶格位置，從而 外延出單晶薄膜。溫度太低或太高，都會形成多晶薄膜。溫度 太高還會導致雜質的擴散加重。 在一般的工藝條件下，外延生長速率約為 1 ?m /min。 可以利用 熱分解法來進行硅的氣相外延。但這種方法 SiH4 雖然溫度較低，卻因 會在氣相中成核而產生較多的顆粒 ， SiH4 除非使用超高真空，否則外延層的質量很差。 硅的氣相外延多利用硅氯化物 SiHxCl4-x ( x = 0、1、2、3 ) 與 H2 的反應來淀積單晶硅 。反應氣體分子中氯原子數越少 ， 所需的化學反應激活能就越小，反應溫度就越低。最早使用的 o 是 SiCl4，激活能為 1.6 ~1.7 eV，反應溫度在 1150 C 以上。現在 普遍使用的是 SiH2Cl2 ，激活能為 0.3 ~ 0.6 eV。 所有的氯硅烷都有相似的反應途徑，先通過同質反應產生 氣態的次生反應物 SiCl2 和 HCl，然后再發生以下可逆反應 SiCl2 + H2 Si + 2 HCl 以 SiCl4 為例，當反應劑濃度較低時 ，SiCl2 和 HCl 的濃度 都較低 ，正向反應占優勢，進行外延生長，生長速率隨反應劑 濃度的提高而加快 。由于 HCl 濃度比 SiCl2 濃度提高得更快 ， 當反應劑濃度達到某值時，生長速率達到最大，之后隨反應劑 濃度的提高而變慢。當反應劑濃度繼續提高到某值時，逆向反 應占優勢，發生對硅的腐蝕，且腐蝕速率隨反應劑濃度的提高 而加快。 生長速率太快也會導致形成多晶層。 生 長 速 率 多晶 單晶 0 腐蝕 反應劑濃度 定義氣體的超飽和度為 ? p ? ? p ? ? ? ? Si ? ? ? Si ? ? pCl ?Feed ? pCl ?Eq 當 ? 為正時發生外延生長，當 ? 為負時發生硅的腐蝕。 氣體流速將影響滯流層的厚度。滯流層平均厚度與氣體流 速之間的關系是 1 ? ? v0 一般的外延工藝條件下，生長速率由氣相質量轉移系數 hg 決定，生長速率隨氣體流速的增加而增加。但當氣體流速很大 時，滯流層厚度很薄，hg 變得很大，使外延生長由反應劑輸運 限制過渡到化學反應速率限制，這時生長速率由化學反應速率 常數 ks 決定而與氣體流速的關系不大。 外延生長時存在 和 。 1、襯底中的雜質和外延膜中的雜質在外延生長時的高溫 下的 。 當雜質擴散速率遠小于外延生長速率時，可看作恒定表面 濃度擴散，雜質分布為余誤差分布。當在摻雜濃度為 NS 的襯底 上生長本征外延層時，外延層的雜質濃度分布為 N ? ? x ?? N ? x ? N (x) ? S ?1? erf ? ?? ? S erfc ? ? E 2 ? ? 2 ? ? ?? ? 2 DSt ??? ? 2 DSt ? 當在本征襯底上生長摻雜濃度為 的外延層時，外延層 N E ? 的雜質濃度分布為 N ? ? x ?? N (x) ? E? ?1? erf ? ?? E 2 ? ? ?? ? 2 DEt ??? 當襯底和外延層都摻雜時，外延層的雜質濃度分布為 N ? ? x ?? N ? ? x ?? N (x) ? S ?1? erf ? ?? ? E? ?1? erf ? ?? E 2 ? ? 2 ? ? ?? ? 2 DSt ??? ?? ? 2 DEt ??? 上式中，“ + ” 號對應于襯底和外延層的摻雜類型相同時； “ - ” 號對應于襯底和外延層的摻雜類型相反時。 2、襯底雜質通過蒸