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1、第七章外延外延：是指在單晶襯底(如硅片)上，按襯底晶向生長單晶薄膜的工藝過程。生長有外延層的硅片稱為外延片。（作業(yè)1）同質外延：生長的外延層和襯底是同一種材料。異質外延：外延生長的薄膜與襯底材料不同，或者生長化學組分、物理結構與襯底完全不同的外延層，如SOS技術（在藍寶石或尖晶石上生長硅）。根據(jù)向襯底輸送原子的方式，外延生長分為三種類型：氣相外延(VPE)、液相外延(LPE)和固相外延(SPE)。在硅工藝中主要采用氣相外延技術，能夠很好地控制外延層厚度、雜質濃度、晶體完整性。缺點是必須在高溫下進行，加重了擴散效應和自摻雜效應，影響對外延層摻雜的控制。基本概念
2、如圖所示，CMOS器件是做在很薄的輕摻雜p型的外延層上。與做在體硅上相比，在外延層上制做的CMOS器件有很好的電介質完整性和很小的漏電流。外延工藝在CMOS集成電路中的應用氣相外延的基本原理外延層中的雜質分布低壓外延選擇外延SOS技術MBE（分子束外延）外延層厚度和電阻率的測量主要內容7.1硅氣相外延的基本原理目前生長硅外延層主要有四種源：①四氯化硅（SiCl4）：早期的集成電路一般采用SiCl4源，使用SiCl4生長外延層需要很高的溫度，不適應現(xiàn)今集成電路工藝的要求，目前主要應用在傳統(tǒng)的外延工藝中。②三氯硅烷（SiHCl3，TCS）：SiHCl3與SiCl
3、4特性相似，但SiHCl3源可以在較低的溫度下進行外延，且生長速率較高，可用于生長厚外延層。⑤二氯硅烷（SiH2Cl2，DCS）：SiH2Cl2廣泛應用于在更低溫度下生長高質量薄外延層，外延層的缺陷密度低，是選擇外延常用的一種硅源。④硅烷（SiH4）：可在低于900度的溫度下生長很薄的外延層，而且可得到高淀積率。7.1.1硅源7.1.2外延薄膜的生長模型同質外延層是生長在完整晶體的某個晶面上，晶面的構造特征描述為：平臺、扭轉、臺階，是切割硅片時偏離了晶向產生的，這樣的表面稱為近晶面。平臺Kink單原子層階梯階梯原子平臺空位Adatom1反應劑被生長的表面吸附
4、。2發(fā)生化學反應，生成硅和副產物，副產物立即排出，硅原子始終保持被表面吸附的狀態(tài)，稱為吸附原子。外延生長過程3二維層狀生長過程（晶格匹配體系）如果一個吸附硅原子處于平臺上的A位置，有幾種可能發(fā)生：如果吸附原子A保持不動，其他硅原子可以被吸附過來，形成硅串或硅島。大量的硅串在合并時，必定會產生嚴重的缺陷或形成多晶薄膜。如果吸附原子具有比較高的能量，那么這個原子更傾向于沿著表面遷移，如果遷移到一個臺階邊緣的位置，如圖B位置，由于Si-Si鍵的相互作用，位置B比位置A更穩(wěn)定，吸附原子就有很大的可能性保持在此位置。吸附原子最穩(wěn)定的位置是所謂的扭轉位置（kinkpos
5、ition），如圖中的位置C。當吸附原子到達一個扭轉位置時，形成了一半的Si-Si鍵，進一步的遷移就不太可能發(fā)生了。在繼續(xù)生長過程中，更多的吸附原子必定會遷移到扭轉位置，從而加入到生長的薄膜中。薄膜生長是依靠晶體表面臺階的橫向運動進行的，即為二維層狀生長模型。（作業(yè)2）高質量的外延生長需要非常清潔的硅表面。因為外延是橫向生長的，晶體表面的雜質會阻礙生長，進而在薄膜上產生層錯或位錯缺陷。在高生長速率的情況下，吸附原子沒有足夠的時間遷移到扭轉點，會形成多晶；隨溫度升高，硅原子表面遷移率增強，在與其他吸附原子形成硅串之前就已經到達了扭轉點，易形成單晶。在固定淀積溫
6、度下，存在一個最大淀積率。超過最大淀積率，會生成多晶薄膜；低于最大淀積率，生成單晶外延層。高溫低生長速率時，易生長單晶；而低溫高生長率易生成多晶。最大淀積率如果吸附原子的遷移過程受到抑制，就有可能生成多晶薄膜，與淀積速率和溫度有關。維持單晶生長的最大淀積率隨溫度升高呈指數(shù)上升，如圖，可求出激活能為5eV。5eV的激活能相當于硅的自擴散激活能。由此，我們可以說單晶外延生長與硅自擴散的機制是相同的。上節(jié)課內容小結CVD二氧化硅的特性和沉積方法低溫CVDSiO2硅烷與氧氣反應制備二氧化硅，LPCVD硅烷和N2O反應，PECVDTEOS為源，PECVDSiO2可以對
7、深寬比為0.8的溝槽實現(xiàn)無空隙填充。2.中溫LPCVDSiO2在中等溫度下（680-730℃范圍），以TEOS為源LPCVD淀積的SiO2薄膜有更好的保形性。3.TEOS與臭氧混合源的二氧化硅淀積加入臭氧(O3)做為反應劑可以得到很高的淀積速率。由TEOS/O3方法淀積的二氧化硅薄膜有非常好的保形性，可以很好地填充深寬比大于6:1的溝槽，以及間距為0.35?m金屬線之間的間隙，而不形成空隙。上節(jié)課內容小結三層絕緣結構：在TEOS/O3淀積之前，先用PECVD方法淀積一層薄的SiO2層，以保證有相同的沉積速率（淀積速率依賴于薄膜淀積的表面材料）；在TEOS/O
8、3淀積SiO2層；再用PECVD方法淀積一層SiO2
