第七章 外延 硅集成电路工艺基础教学课件.ppt

上节课内容小结 生长速率与温度之间的关系 低温区(A区)：表面化学反应控制。 高温区(B区)：实际外延是在高温区外延，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。 原位掺杂：杂质原子是在外延生长过程中掺入到外延层晶格中的，杂质源使外延生长过程变得更为复杂。 掺杂剂：B2H6，PH3，AsH3，稀释后与生长外延层的反应剂一同输送到反应室。 右图是几种掺杂剂的掺入效率与生长温度的关系。硅的生长速率保持恒定时，硼的掺入量随生长温度上升而增加，而磷和砷却随温度上升而下降。 实际掺杂效率还与掺杂剂的类型和浓度、外延层的生长速率、衬底的取向等因素有关。 7.2.1 掺杂原理 7.2.2 扩散效应 扩散效应：衬底中的杂质与外延层中的杂质，在外延生长时互相扩散，引起衬底与外延层界面附近的杂质浓度缓慢变化。 当杂质的扩散速度远小于外延层的生长速度时，外延层中的杂质浓度分布由下式给出： 式中“+”和“-”分别对应 n/n+ (p/p+) 和 p/n+ (n/p+)型外延片。 7.2.3 自掺杂效应 自掺杂效应：在外延生长过程中，衬底或外延层中的杂质进入边界层中，改变了边界层的掺杂成份和浓度，导致外延层中杂质的实际分布偏离理想情况。 在掺杂衬底上生长掺杂外延层时，因为自掺杂效应，外延层中的杂质浓度分布为： 式中Cs为衬底中均匀分布的杂质浓度，Ce0为无限厚处外延层的杂质浓度。 “+”和“-”分别对应 n/n+ (p/p+) 和 p/n+ (n/p+)型外延片。 在重掺杂衬底上生长含有相同导电类型的轻掺杂外延层时，杂质浓度分布右图中(a)所示。 在轻掺杂衬底上，生长不同导电类型的重掺杂外延层，杂质分布情况如图中(b)所示。由图可见，在外延过程中由于自掺杂效应的影响，引起pn结位置的移动。 由图可以看到，杂质浓度的突变型分布是不能实现的。 同时考虑扩散效应和自掺杂效应，在重掺杂衬底上生长轻掺杂外延层时，衬底与外延层之间过渡区的杂质分布如图。 紧靠近衬底的外延层(A区)，掺杂浓度高，这是因为在外延生长过程中掺杂剂从衬底扩散到外延层中。 与扩散速度相比外延生长速度要大得多，因此很快就抑制了这种影响。B区是自掺杂效应对过渡区的影响。 当外延层生长一定厚度时，自掺杂效应影响也降低，外延层中杂质浓度达到期望值。 同时考虑扩散效应和自掺杂效应的杂质浓度分布 (1) 为了减小B的自掺杂，保证外延质量和速度前提下，尽量降低外延生长温度。但对于As杂质无效，As的自掺杂程度随着温度的降低而增强。 (2) 对于n型衬底，应该使用蒸气压低并且扩散速率也低的杂质作为埋层杂质。如用Sb替代高蒸气压的As和高扩散速率的P。 (3) 对于重掺杂的衬底，需要使用轻掺杂的硅来密封重掺杂衬底的底面和侧面，进而减少杂质的外逸。 (4) 为了减小自掺杂，外延系统应当工作在低压条件下，此时气态杂质原子的扩散速率高，由衬底逸出的大部分杂质被主气流带出反应室。对As和P的效果显著，而对B的作用不明显。 减小自掺杂效应影响的方法 (5) 可以使用经过离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度。 (6) 可以在埋层或者衬底上生长未掺杂的薄膜（本征层）来避免衬底中的杂质外逸，之后再进行原位掺杂。 (7) 应当避免在高温下采用HCl对衬底进行腐蚀，或者在腐蚀之后使用低温气流除去因腐蚀外逸的杂质。 7.3 低压外延 为了减小自掺杂效应，发展了低压外延工艺。低压外延的压力一般在1×103-2×104Pa之间。 在低压情况下，杂质的扩散速度加快，由衬底逸出的杂质能快速穿越边界层而被排出反应室，从而降低了自掺杂效应对外延层中杂质浓度和分布的影响，可以得到陡峭的杂质分布。 当压力变低时，边界层厚度增加，似乎会延长杂质穿越边界层的时间，但比较而言，扩散速度加快的影响是主要的，虽然边界层增厚，但杂质穿过边界层进入主气流所需时间同常压外延相比，还是大大缩短了。 7.4 选择性外延(SEG, Selective Epitaxial Growth) 选择外延： 利用硅在绝缘体上很难核化成膜的特性，以SiO2或Si3N4为掩膜，在硅表面特定区域生长外延层的技术。 存在问题： 窗口边缘生长速率比中心的生长速率高，其比值取决于窗口的大小，降低生长速率可以在一定程度上控制这个比值。 Si在SiO2或Si3N4上是异质外延，存在较大晶格失配，不易形成晶核。 对于选择外延，要进行外延的地方是窗口内或硅表面的凹陷处，这些地方的成核能较低。 具有选择性的原因： 提高硅淀积选择性的因素： ①选择减压反应系统；②提高淀积温度； ③减少气流中硅源的摩尔分数；④保证