纳米薄膜的外延生长ppt课件

第六章第六章 外延生长外延生长（ Epitaxial Growth）外延生长（外延生长（ Epitaxial Growth） 工艺工艺 概述概述 气相外延生长的热动力学气相外延生长的热动力学 外延层的掺杂与缺陷外延层的掺杂与缺陷 硅气相外延工艺硅气相外延工艺 小结小结参考资料：参考资料： 微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术 第第 14章章（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）外延层外延层界面界面衬底衬底一、概述一、概述按衬底晶相延伸生长的按衬底晶相延伸生长的 新生单晶薄层新生单晶薄层 外延层外延层 。长了外延层的衬底长了外延层的衬底 外延片外延片 。同质外延同质外延 ：异质外延异质外延 ： 掺入杂质掺入杂质 可改变外延可改变外延层的层的 电学特性电学特性 。 交替生长不同的外延交替生长不同的外延层层 可制作可制作 超晶格结构超晶格结构 。1、 外延外延 工艺的工艺的 定义定义 ： 在在 单晶衬底单晶衬底 上生长上生长 单晶薄膜单晶薄膜 的技术。的技术。2、 外延工艺的外延工艺的 分类分类 ：(1) 按材料按材料三种三种 外延工艺外延工艺 的示意图的示意图(2) 按晶格畸变程度按晶格畸变程度a. 气相外延工艺气相外延工艺 （ Vpor-Phase Epitaxy）b. 液相外延工艺液相外延工艺 （ Liquid-Phase Epitaxy）超高真空蒸发超高真空蒸发3、 外延层的作用：外延层的作用： 独立控制薄膜独立控制薄膜 晶体结构晶体结构 （组分）、（组分）、 厚度厚度 、杂质种类及掺杂分布杂质种类及掺杂分布(1) 双极工艺：双极工艺： 器件隔离器件隔离 、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾(2) CMOS工艺：工艺： 减小闩锁（减小闩锁（ Latch-up） 效应效应(3) GaAs工艺：工艺： 形成特定的器件形成特定的器件 结构层结构层(4) 其他：其他： 制作制作 发光二极管发光二极管 、 量子效应器件量子效应器件 等等d. 其他其他 ： RTCVD外延、外延、 UHVCVD外延、离子束外延等等外延、离子束外延等等c. 分子束外延分子束外延 （ Molecular Beam Epitaxy）(3) 按工艺原理按工艺原理二、气相外延生长的热动力学二、气相外延生长的热动力学与与 氧化模型氧化模型 类似，假设粒子穿过气体边界层的流量类似，假设粒子穿过气体边界层的流量与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。其中，其中， hg是是 质量传输系数质量传输系数 ， Ks是表面是表面 反应速率系数反应速率系数 ， Cg和和 Cs分别是分别是气流中和圆片表面的气流中和圆片表面的 反应剂浓度反应剂浓度 。外延薄膜外延薄膜 生长速率生长速率 可写为：可写为：其中，其中， N是硅原子密度是硅原子密度 （ 5 1023cm-3） 除以反应剂分子中的硅原子数。除以反应剂分子中的硅原子数。Ks hg时时 ， R由由 气相质量传输气相质量传输 决定决定Ks 0因此，系统处于因此，系统处于 外延生长状态外延生长状态 。a. Cl的含量增加的含量增加 后，后， 超饱和度下降超饱和度下降 ，当，当 SiCl4含量为含量为 20 30 时，时，由外延生长转为刻蚀由外延生长转为刻蚀 。b. 当当 SiCl4含量为含量为 10 左右时，外延生长速率有一个左右时，外延生长速率有一个 最大值最大值 ？超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气相相 质量输运限制质量输运限制 的。的。c. 超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式有关）。有关）。结结 论论4、薄膜生长的三种模式：、薄膜生长的三种模式：(1) 逐层生长逐层生长 （ Layer Growth） 理想的外延生长模式理想的外延生长模式(2) 岛式生长岛式生长 （ Island Growth） 超饱和度值越大，吸超饱和度值越大，吸附分子主要在台面中附分子主要在台面中心结团生长。心结团生长。(3) 逐层逐层 +岛式生长岛式生长 （ Layers and Islands Growth）5、硅片表面的化学反应、硅片表面的化学反应(1) 在在 化学反应限制区化学反应限制区 ，不同硅源的，不同硅源的 化学反应激活能化学反应激活能 是相似的。是相似的。(2) 一般认为，硅一般认为，硅 外延速率外延速率 受限于受限于 H从硅片表面的从硅片表面的 解吸附过程解吸附过程 。(3) 硅片表面的主要反应剂是硅片表面的主要反应剂是 SiCl2， 反应剂是以物理方式吸附反应剂是以物理方式吸附在硅片表面。在硅片表面。图图 14.8 不同硅源外延淀积速率与温度的关系不同硅源外延淀积速率与温度的关系三、外延层的掺杂与缺陷三、外延层的掺杂与缺陷(1) 无意识掺杂源：无意识掺杂源： 衬底固态源衬底固态源 、 气态自掺杂气态自掺杂 。a. 衬底固态源衬底固态源 在外延过程中的扩散决定了外延层在外延过程中的扩散决定了外延层 -衬底分界面衬底分界面附近的杂质分布。附近的杂质分布。当外延生长速率当外延生长速率 时，时，外延层杂质分布服从余误差分布。外延层杂质分布服从余误差分布。b. 气相自掺杂气相自掺杂 ： 衬底中杂质从圆片表面解吸出来，在气相中衬底中杂质从圆片表面解吸出来，在气相中传输，并再次吸附到圆片表面。传输，并再次吸附到圆片表面。其杂质分布的表达式为：其杂质分布的表达式为：其中，其中， f 是陷阱密度，是陷阱密度， Nos 是是 表面陷阱数，表面陷阱数， xm 是是 迁移宽度。迁移宽度。1、外延层的掺杂：、外延层的掺杂： 无意掺杂无意掺杂 与与 有意识掺杂有意识掺杂 。(2) 有意掺杂：有意掺杂： 最常用的掺杂源最常用的掺杂源 B2H6 AsH3 PH3外延层掺杂的杂质分布示意图外延层掺杂的杂质分布示意图(1) 外延层中的缺陷种类：外延层中的缺陷种类： 体内缺陷体内缺陷 与与 表面缺陷表面缺陷a. 体内缺陷体内缺陷 ： 堆跺层错与位错，由衬底缺陷延伸或外延工艺引入堆跺层错与位错，由衬底缺陷延伸或外延工艺引入b. 表面缺陷表面缺陷 ： 表面凸起尖峰、麻坑、雾状缺陷等表面凸起尖峰、麻坑、雾状缺陷等通过改进衬底制备工艺、清洗工艺和外延工艺条件，可极大通过改进衬底制备工艺、清洗工艺和外延工艺条件，可极大改善上述缺陷密度。改善上述缺陷密度。2、外延生长缺陷、外延生长缺陷(2) 外延层的图形漂移：外延层的图形漂移：外延生长速率与晶向有关，外延生长速率与晶向有关， 111面的图形漂移最严重。面的图形漂移最严重。四、硅的气相外延工艺四、硅的气相外延工艺1、 反应原理：反应原理： 外延工艺一般在常压下进行外延工艺一般在常压下进行氢还原反应：氢还原反应：硅烷分解反应：硅烷分解反应：反应反应 温度温度 、反应剂、反应剂 浓度浓度 、气体、气体 流速流速 、反应、反应 腔形状结构腔形状结构 、衬底衬底 晶向晶向 等。等。低缺陷密度、厚度及其均匀性、掺杂杂质的再分布最小低缺陷密度、厚度及其均匀性、掺杂杂质的再分布最小2、 影响外延生长速率的主要因素：影响外延生长速率的主要因素：3、 外延层的质量：外延层的质量：(1) 化学清洗工艺：化学清洗工艺： 高纯度高纯度 化学溶液清洗化学溶液清洗 高纯度高纯度 去离子水冲洗去离子水冲洗 高纯度高纯度 N2甩干甩干SC-1的主要作用是去的主要作用是去 除微颗粒除微颗粒 ，利用，利用 NH4OH的弱碱性来活化硅的弱碱性来活化硅的表面层，将附着其上的的表面层，将附着其上的 微颗粒微颗粒 去除去除SC-2的主要作用是去除金属离子，利用的主要作用是去除金属离子，利用 HCl与金属离子的化合作与金属离子的化合作用来有效去除用来有效去除 金属离子金属离子 沾污沾污SC-3的主要作用是的主要作用是 去除有机物去除有机物 （主要是残留光刻胶），利用（主要是残留光刻胶），利用H2SO4的强氧化性来破坏有机物中的碳氢键结的强氧化性来破坏有机物中的碳氢键结4、硅外延前的清洗工艺：、硅外延前的清洗工艺：去除表面氧化层、杂质（有机物、无机物金属离子等）和颗粒去除表面氧化层、杂质（有机物、无机物金属离子等）和颗粒DHF的主要作用是去除自然氧化层的主要作用是去除自然氧化层b. 外延生长外延生长 ： SiH2Cl2 H2c. 冷却冷却 ： 惰性气体冲洗腔室，降温到维持温度。惰性气体冲洗腔室，降温到维持温度。图图 14.25 在在 VPE反应腔内生长反应腔内生长1m厚度硅外延层的典型温度厚度硅外延层的典型温度/时间过程时间过程(2) 硅外延加工工艺的过程硅外延加工工艺的过程a. 预清洗预清洗 ： H2、 H2/HCl混合气氛或真空中去除自然氧化层混合气氛或真空中去除自然氧化层a. 快速热处理工艺快速热处理工艺 ： SiH2Cl2在高温下进行在高温下进行 短时外延短时外延b. 超高真空超高真空 CVD外延外延 ： 低温低气压低温低气压 下，硅烷分解形成硅外延层下，硅烷分解形成硅外延层图图 14.26A RTCVD外延系统示意图外延系统示意图(3) 先进的硅外延工艺：先进的硅外延工艺：a. 卤化物卤化物 GaAs气相外延气相外延 ： HCl+AsH3气体流过加热的固体气体流过加热的固体 Ga源，源，生成生成 GaCl气体，输运至圆片表面生成气体，输运至圆片表面生成 GaAs。b. 金属有机物化学气相淀积（金属有机物化学气相淀积（ MOCVD）：）： 用于生长高质量用于生长高质量（具有原子层级的突变界面）（具有原子层级的突变界面） III V族化合物族化合物c. 分子束外延（分子束外延（ MBE） 技术技术 ： 生长厚度精度为原子层级，膜质生长厚度精度为原子层级，膜质量为器件级的外延层量为器件级的外延层(4) 其他外延工艺其他外延工艺图图 14.14 各种外延各种外延生长技术的温度和生长技术的温度和气压范围气压范围 硅的气相外延技术：硅的气相