1、納米薄膜的外延生長第1頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二外延生長（Epitaxial Growth）工藝 概述 氣相外延生長的熱動力學 外延層的摻雜與缺陷 硅氣相外延工藝 小結參考資料：微電子制造科學原理與工程技術第14章（電子講稿中出現的圖號是該書中的圖號）第2頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二外延層界面襯底一、概述 按襯底晶相延伸生長的新生單晶薄層 外延層。 長了外延層的襯底 外延片。 同質外延： 異質外延： 摻入雜質可改變外延 層的電學特性。 交替生長不同的外延 層可制作超晶格結構。1、外延工藝的定義：在單晶襯底上生長單晶薄膜的技術。2、 外延

2、工藝的分類：(1) 按材料第3頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二三種外延工藝的示意圖(2) 按晶格畸變程度第4頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二a. 氣相外延工藝（Vpor-Phase Epitaxy）b. 液相外延工藝（Liquid-Phase Epitaxy）超高真空蒸發3、 外延層的作用：獨立控制薄膜晶體結構（組分）、厚度、 雜質種類及摻雜分布(1) 雙極工藝：器件隔離、解決集電極高擊穿電壓與串連電阻的矛盾(2) CMOS工藝：減小閂鎖（Latch-up）效應(3) GaAs工藝：形成特定的器件結構層(4) 其他：制作發光二極管、量子效應器件等

3、d. 其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、離子束外延等等c. 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）(3) 按工藝原理第5頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二二、氣相外延生長的熱動力學與氧化模型類似，假設粒子穿過氣體邊界層的流量與薄膜生長表面化學反應消耗的反應劑流量相等。其中，hg是質量傳輸系數，Ks是表面反應速率系數，Cg和Cs分別是 氣流中和圓片表面的反應劑濃度。外延薄膜生長速率可寫為：其中，N是硅原子密度（51023cm-3）除以反應劑分子中的硅原子數。Ks hg時， R由氣相質量傳輸決定Ks 0因此，系統處于外延生長狀態。第15頁，共30頁，

4、2022年，5月20日，10點8分，星期二a. Cl的含量增加后，超飽和度下降，當SiCl4含量為2030時， 由外延生長轉為刻蝕。b. 當SiCl4含量為10左右時，外延生長速率有一個最大值？超飽和度模型未能預測，因為低濃度下外延生長速率是受氣相質量輸運限制的。c. 超飽和度的值過大，會影響單晶薄膜的質量（與薄膜生長模式 有關）。結 論第16頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二4、薄膜生長的三種模式：(1) 逐層生長（Layer Growth）理想的外延生長模式(2) 島式生長（Island Growth）超飽和度值越大，吸附分子主要在臺面中心結團生長。(3) 逐層+島式

5、生長（Layers and Islands Growth）第17頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二5、硅片表面的化學反應(1) 在化學反應限制區，不同硅源的化學反應激活能是相似的。(2) 一般認為，硅外延速率受限于H從硅片表面的解吸附過程。(3) 硅片表面的主要反應劑是SiCl2，反應劑是以物理方式吸附 在硅片表面。第18頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二圖14.8 不同硅源外延淀積速率與溫度的關系第19頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二三、外延層的摻雜與缺陷(1) 無意識摻雜源：襯底固態源、氣態自摻雜。a. 襯底固態源在外延過

6、程中的擴散決定了外延層-襯底分界面 附近的雜質分布。當外延生長速率時，外延層雜質分布服從余誤差分布。b. 氣相自摻雜：襯底中雜質從圓片表面解吸出來，在氣相中 傳輸，并再次吸附到圓片表面。其雜質分布的表達式為：其中，f 是陷阱密度，Nos 是表面陷阱數，xm 是遷移寬度。1、外延層的摻雜：無意摻雜與有意識摻雜。第20頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二(2) 有意摻雜：最常用的摻雜源B2H6 AsH3 PH3外延層摻雜的雜質分布示意圖第21頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二(1) 外延層中的缺陷種類：體內缺陷與表面缺陷 a. 體內缺陷：堆跺層錯與位錯，由

7、襯底缺陷延伸或外延工藝引入 b. 表面缺陷：表面凸起尖峰、麻坑、霧狀缺陷等 通過改進襯底制備工藝、清洗工藝和外延工藝條件，可極大 改善上述缺陷密度。2、外延生長缺陷(2) 外延層的圖形漂移： 外延生長速率與晶向有關，111面的圖形漂移最嚴重。第22頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二四、硅的氣相外延工藝1、 反應原理：外延工藝一般在常壓下進行氫還原反應：硅烷分解反應：反應溫度、反應劑濃度、氣體流速、反應腔形狀結構、襯底晶向等。低缺陷密度、厚度及其均勻性、摻雜雜質的再分布最小2、 影響外延生長速率的主要因素：3、 外延層的質量：第23頁，共30頁，2022年，5月20日，10

8、點8分，星期二(1) 化學清洗工藝：高純度化學溶液清洗高純度去離子水沖洗 高純度N2甩干SC-1的主要作用是去除微顆粒，利用NH4OH的弱堿性來活化硅 的表面層，將附著其上的微顆粒去除SC-2的主要作用是去除金屬離子，利用HCl與金屬離子的化合作 用來有效去除金屬離子沾污SC-3的主要作用是去除有機物（主要是殘留光刻膠），利用 H2SO4的強氧化性來破壞有機物中的碳氫鍵結4、硅外延前的清洗工藝：去除表面氧化層、雜質（有機物、無機物金屬離子等）和顆粒第24頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二DHF的主要作用是去除自然氧化層b. 外延生長：SiH2Cl2H2c. 冷卻：惰性氣體

9、沖洗腔室，降溫到維持溫度。圖14.25 在VPE反應腔內生長1m厚度硅外延層的典型溫度/時間過程(2) 硅外延加工工藝的過程a. 預清洗：H2、H2/HCl混合氣氛或真空中去除自然氧化層第25頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二a. 快速熱處理工藝：SiH2Cl2在高溫下進行短時外延b. 超高真空CVD外延： 低溫低氣壓下，硅烷分解形成硅外延層圖14.26A RTCVD外延系統示意圖(3) 先進的硅外延工藝：第26頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二a. 鹵化物GaAs氣相外延：HCl+AsH3氣體流過加熱的固體Ga源， 生成GaCl氣體，輸運至圓片表面生成GaAs。b. 金屬有機物化學氣相淀積（MOCVD）：用于生長高質量 （具有原子層級的突變界面）IIIV族化合物c. 分子束外延（MBE）技術：生長厚度精度為原子層級，膜質 量為器件級的外延層(4) 其他外延工藝第27頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二圖14.14 各種外延生長技術的溫度和氣壓范圍第28頁，共30頁，2022年，5月20日，10點8分，星期二 硅的氣相外延技術： VPE的熱動力學：Deal模型與連續步驟模型。 SiC