硅集成电路工艺基础7

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。（作业1）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（kinkposition），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。（作业2）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1.低温CVDSiO2硅烷与氧气反应制备二氧化硅，LPCVD硅烷和N2O反应，PECVDTEOS为源，PECVDSiO2可以对深宽比为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TEOS/O3淀积SiO2层；再用PECVD方法淀积一层SiO2作为保护层，避免氧化层中含有的Si-OH键吸收水汽。上节课内容小结CVD掺杂二氧化硅1.磷硅玻璃PSG在高温下可以流动，从而可以形成更为平坦的表面，使随后淀积的薄膜有更好的台阶覆盖。回流平坦化温度1000-1100℃。磷最好限制在6-8wt％。2.硼磷硅玻璃可以获得850℃以下的玻璃回流平坦化，比PSG回流平坦化温度低，降低了浅结中的杂质扩散。上节课内容小结CVD氮化硅的特性及沉积方法氮化硅薄膜是无定形的绝缘材料，在集成电路中可以作为：钝化层：强掩蔽力（Na、水汽），保形覆盖，针孔较少低温PECVD:选择性氧化的掩蔽膜：氧很难透过Si3N4，SiO2作为缓冲层应力补偿LPCVD氮化硅：)(6)(6)()(4)(3243322气H气HCl固NSi气NH气HSiCl)()())(()(2234气H固HNSi气或NNH气SiHzyx上节课内容小结钨的化学气相沉积在集成电路互连系统中，钨主要用途有两个方面：填充通孔和接触孔：对于特征尺寸小于1m的工艺，由于深宽比太大，PVD铝无法完全填充，而CVD钨能够完全填充。局部互连材料：由于钨的电导率较低，只能用于短程互连线，而铝和铜仍然用于全局互连。覆盖式化学气相沉积钨与回刻上节课内容小结CVD钨的化学反应（反应自停止）以上两个反应提供钨核层沉积较厚的钨薄膜)(3(2(3)(246气固）固）气SiFWSiWF)(12(2(3)(246气固）气）气HFWSiHWF)(6((3)(26气固）气）气HFWHWF上节课内容小结硅化钨的化学气相沉积ploycide（多晶硅/难熔金属硅化物）多层栅结构)()(6((2)(246气气固）气）气HHFWSiSiHWF)()(6)(5.1((5.3)(42226气气气固）气）气HClHFSiClWSiClSiHWF采用DCS和WF6反应生成WSix薄膜的台阶覆盖好一些，且碎裂剥落也不太严重，因而用DCS取代了SiH4进行CVD硅化钨。上节课内容小结TiN的化学气相沉积在ULSI互连系统中，使用铝合金、铜、钨等金属作为互连线或者填充接触孔和通孔，在这层金属下面要先淀积一层TiN薄膜。其作用是：对于铝合金层，它作为扩散阻挡层防止在金属互连层之间形成接触点；对于钨或铜的覆盖层，它既作为扩散阻挡层又作为附着层，称为衬垫。CVD的TiN薄膜保形性好，可以形成理想的填充LPCVD：沉积温度高，600度以上，超过了Al能承受的范围，只能用于接触孔的淀积。MOCVD：淀积温度低，400度以下，在接触孔和通孔中都能使用。上节课内容小结优点：①CVD铝对接触孔有很好的填充性；②较低的电阻率(与钨相比)；③一次完成填充和互连。MOCVDAl：沉积温度低200度Al的有机化合物有毒、易燃、接触水会爆炸，必须密封保存，合理操作。化学性质活泼，必须低温保存，进入反应室前，采取措施以保持稳定性CVD铝抗电迁移能力差：CVD铝铜合金制备复合层（CVD铝+PVD铝铜）铝的化学气相沉积上节课内容小结外延：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。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。7.1.3化学反应过程生长硅外延层的硅源有很多种，研究发现每种源的反应过程都存在很多中间产物。以SiCl4为例，总反应：发现反应室有四种物质存在：SiCl4，SiHCl3，SiH2Cl2和HCl。中间反应：以上反应均为气相反应，产物SiCl2吸附于衬底表面生成固态Si原子。HClSiHClHSiCl324)(4)()(2)(24气固气气HClSiHSiClHClSiClHSiCl2224HClClSiHHSiHCl2223HClSiClSiHCl232222HSiClClSiHHClSiHSiCl222422SiClSiSiCl如图所示，SiCl4浓度随水平距离的增加而减小，其他三种成份浓度随离入气口的水平距离增加而上升。相比之下，用SiCl4作为硅源生长外延层的激活能（1.6-1.7eV）最高，SiHCl3（0.8-1.0eV）和SiH2Cl2（0.3-0.6eV）的激活能依次减小。反应都是先形成SiCl2，最终生成硅。SiCl2被认为是气相外延中的最主要反应剂。所有的反应都是可逆的，在适当的热力学条件下，反应可以逆向进行。硅也会在氯硅烷环境中被腐蚀掉。右图给出的是SiCl4氢还原法外延过程中生长速率与温度的关系。腐蚀在高温和低温时发生，而外延生长只有在中间温度才会发生。7.1.4生长速率与温度之间的关系（作业2）如图是采用不同的硅源时，外延层生长速率与温度的关系。生长速率与硅源有关，相同温度下，生长速率从高到低为：SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。存在两个生长区域：（Grove模型）高温区(B区)：生长速率与携带气体中所含反应剂的分压近似成线性关系，对温度变化不敏感，生长速率由气相质量输运控制。随着温度上升，生长速率略有增加，是因为气相中反应剂的扩散能力随温度上升有微弱增加。低温区(A区)：生长速率对温度变化非常地敏感。生长速率是由表面化学反应控制，化学反应激活能约为1.5eV，与所使用的硅源无关，说明控制反应速率的机制相同。研究认为限制机制是反应表面对氢的解吸。氢占据硅表面位置，如果不被排除，会阻止新的硅原子加入到生长薄膜中。实际外延温度是选在高温区(B区)：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。7.1.5生长速率与反应剂浓度的关系SiCl4氢还原法外延过程中，生长速率主要受两个过程控制：氢还原SiCl4析出硅原子过程；硅原子在衬底上生成单晶层的过程。速度中较慢的一个将决定外延生长速率。当SiCl4浓度较小时，SiCl4被氢还原析出硅原子的速度远小于Si原子在衬底上生成单晶的速度，因此化学反应速度控制着外延层的生长速率。SiCl4浓度增加时，化学反应速度加快，生长速率提高。当SiCl4浓度大到一定程度时，化学反应释放硅原子速度大于硅原子在衬底表面的排列生长速度，此时生长速率受硅原子在衬底表面排列生长的速度控制。进一步增大SiCl4浓度，也就是当y值达到0.1时，生长速率就开始减小。当SiCl4的浓度增长到0.27时，逆向反应发生，硅被腐蚀。当氢气中SiCl4的摩尔分数大于0.28时，只存在腐蚀反应。典型生长速率为1m/min，如图所示。7.1.6生长速率与气体流速的关系SiCl4氢还原法外延温度一般在1200度左右的高温下，到达衬底表面的反应剂会立即发生反应，（薄膜生长速率受反应剂以扩散方式穿越边界层的质量输运过程控制。气体流速越大，外延层生长速率越快