chap7外延.ppt

1,Chap7 外延,定义:外延(epitaxy)是在单晶衬底上生长一层单晶膜的技术。它是在低于晶体熔点的温度下，在表面经过细致加工的衬底上沿着原来的结晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。 新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称为外延层。 长了外延层的衬底称为外延片。,2,按材料异同分类：,同质结：生长的外延层与衬底材料相同。 如Si-Si 异质结：外延层在结构、性质与衬底材料不同。如在蓝宝石上外延硅，在硅上外延砷化镓等等。GaAs-AlxGa(1-x) As,3,外延的种类可以分为正外延和反外延。 在低阻衬底上生长高阻外延层称为正外延。如高频大功率管是在N+单晶衬底上生长N型外延层。 反外延是在高阻衬底上生长低阻外延层，半导体器件直接制造在高阻上，如介质隔离的集成电路中的多晶硅外延生长。,4,CVD:Chemical Vapor Deposition,外延方法分类: 气相外延(VPE)常用 液相外延(LPE) . 固相外延(SPE)熔融再结晶 . 分子束外延(MBE)超薄 化学气相淀积(CVD)-低温,非晶,5,为什么要用外延法（外延法优点）：,给设计者提供了一种有别于扩散或离子注入的可以控制器件结构中杂质浓度分布的方法。因为不存在杂质相互补偿，可在衬底与外延层间形成接近突变pn结 外延层的性能在某些方面优于体材料，如不含氧和碳等杂质。 在低阻衬底上能外延一层高阻单晶层，这样在高阻层上制作的器件可以通知得到高集电极反向击穿电压和低集电极串联电阻。可以控制在极薄范围，又可以提高开关速度。 外延片在厚度、电阻率、均匀性、晶体结构等方面可以较好的控制，提高半导体器件的稳定性和可靠性。 利用外延技术可以选择性地生长单晶和隔离中的二氧化硅即多晶硅等，为集成电路的发展创造了有利条件。,6,外延的用途：,双极电路： 利用n/n+硅外延，将双极型高频功率晶体管制作在n型外延层内，n+硅用作机械支撑层和导电层，降低了集电极的串联电阻。 采用n/p外延片，通过简单的p型杂质隔离扩散，便能实现双极集成电路元器件间的隔离。 外延层和衬底中不同类型的掺杂形成的p-n结，它不是通过杂质补偿作用形成的，其杂质分布可接近理想的突变结。,7,外延改善NMOS存储器电路特性,(1)提高器件的抗软误差能力 (2)采用低阻上外延高阻层，可降低源、漏n+区耗尽层寄生电容，并提高器件对衬底中杂散电荷噪声的抗扰度 (3)硅外延片可提供比体硅高的载流子寿命，使半导体存储器的电荷保持性能提高。,8,软误差,从封装材料中辐射出的粒子进入衬底产生大量(约106量级)电子-空穴对，在低掺杂MOS衬底中，电子-空穴对可以扩散50m，易受电场作用进入有源区，引起器件误动作，这就是软误差。 采用低阻衬底上外延高阻层的外延片，则电子-空穴对先进入衬底低阻层，其扩散长度仅1m，易被复合，它使软误差率减少到原来的1/10。,9,CMOS电路采用外延片可使电路的寄生闸流管效应有数量级的改善。 Latch-up,10,器件微型化：,提高器件的性能和集成度要求按比例缩小器件的横向和纵向尺寸。其中，外延层厚和掺杂浓度的控制是纵向微细加工的重要组成部分；薄层外延能使p-n结隔离或氧化物隔离的横向扩展尺寸大为减小。,11,工艺多样化：,具有相反导电类型的外延层，在器件工艺中可形成结和隔离区； 薄层外延供器件发展等平面隔离和高速电路； 选择外延可取代等平面隔离工艺来发展平面隔离； 绝缘衬底上的多层外延工艺可以发展三维空间电路,12,7.1 硅气相外延工艺的基本原理 系统示意图,13,一、硅源 四种：四氯化硅，三氯硅烷(TCS)，二氯硅烷(DCS)， 硅烷 二、外延的步骤：6步。 1、反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层表面； 2、反应剂分子被生产层表面吸附； 3、被吸附的反应剂分子在生长层表面完成化学反应，产生硅原子及其他副产物； 4、 副产物从表面解吸； 5、 解吸的副产物以扩散方式转移到气相，随主气流排出反应室外； 6、 反应生成的硅原子定位于晶格点阵，形成单晶外延层。,14,外延生长速率与扩散、吸附/解吸、化学反应三者的速率有关，并受速率慢的控制。对于常压外延来说，吸附/解吸速率相对于扩散和化学反应速率要快得多，因而，生长速率主要取决于扩散和化学反应。 三、外延薄膜的生长模型 高温低生长速率，易生长单晶；低温高生长速率，易生长多晶。 四、化学反应过程 氢还原反应 硅烷热分解,15,五、生长速率,影响外延生长速率的主要因素： 反应剂浓度,16,温度：B区高温区（常选用），A区低温区,17,气体流速 :气体流速大生长加快，当气体流量大到一定程度时，基本不变。,18,衬底晶向： 不同晶面的键密度不同，键合能力不同，对生长速率就会有影响。硅的（111）晶面的双层原子面间的共价键密度最小，键合能力差，外延层生长速率慢，而（110）面之间的原子键密度大，键合能力强，外延层生长速率就相对快。,19,生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有关 矩形腔的均匀性较圆形腔好。晶面间的共价键数目越多，生长速率越慢。,等气压线,20,7.2 外延层中的杂质分布,1. 掺杂原理 2. 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的现象。 3. 自掺杂效应：在外延生长过程中，衬底和外延层中的杂质因蒸发、或者化学反应的副产物对衬底或外延层的腐蚀，都会使衬底和（或）外延层中的杂质进入到边界层中，改变了边界层中的掺杂成分和浓度，从而导致了外延层中的实际分布偏离理想情况，这种现象称为自掺杂效应。 采取7项措施减小自掺杂效应的影响。,2019/11/12,21,外延中的掺杂,掺杂剂 氢化物: PH3， AsH3，BBr3，B2H6氯化物: POCl3，AsCl3,22,在外延层的电阻率还会受到下列三种因素的干扰,重掺杂衬底中的大量杂质通过热扩散方式进入外延层，称为杂质外扩散。 衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然后重新返回外延层，称为气相自掺杂。 气源或外延系统中的污染杂质进入外延，称为系统污染。,23,同型杂质 异型杂质,24,7.3 低压外延,在低压情况下，分子密度变稀，分子平均自由程增大，杂质的扩散速度加快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，因而可以得到陡峭的杂质分布；缩小了外延层之间的过度区，并能改善电阻率的均匀性，减少埋层图形的漂移和畸变；另外，对衬底产生腐蚀时的硅源临界浓度不常压外延高。 降低自掺杂效应对外延层中杂质浓度和分布的影响 1、压力的影响 压力降低-生产速率下降，可通过调整硅源浓度来提高生长速率。 2、温度的影响 生长速率随温度升高而增加，当增加到某个值时，生长速率便不再随温度上升而变化。,25,7.4 选择外延,1. SEG：利用外延生长的基本原理，以及硅在绝缘体上很难核化成膜的特性，在硅表面的特定区域生长外延层而其他区域不生长的技术。 2. 三种类型 分别掌握其特点，应用，适合的硅源。 3. 横向超速外延（ELO） 当选择外延生长的薄膜超过SiO2的台阶高度时，外延不但垂直生长，而且也沿横向生长。,26,7.5 硅烷热分解法外延,1、硅烷是目前一种常用的汽相外延反应剂。在一定温度下直接进行热分解反应，释放出硅，淀积到衬底表面上，生成外延层。 2、优点:没有卤化物产生，所以不存在反向腐蚀，在低温下完成，在600以上的温度便可以发生分解反应。减弱了自掺杂效应和扩散效应，有能提高外延层电阻率的均匀性，有利于薄层外延生长，可以精确控制流量，所以外延生长的重复性很好。,27,3、热分解过程3个阶段 4、生长过程同样受质量输运控制和表面化学反应控制两种情况的控制。 5、生长速率与温度、SiH4浓度的关系 6.存在问题：SiH4可以在气相中自行分解；同其他氯的硅化物相比，SiH4非常容易形成硅粉；其缺陷密度常常比SiCl4氢还原法外延高；对反应系统要求高。 7、主要应用举例,28,7.6 SOS技术,1、SOI：Silicon on Insulator，在绝缘衬底上进行硅的异质外延。 SOS：silicon on sapphire(spinel)，在蓝宝石或尖晶石的衬底上进行硅的外延。 2、SOI技术的优点： 寄生电容小， 从而对高束和高度集成的电路特别有利。 提高了器件的抗辐射能力 抑制了CMOS电路的闩锁效应 SOI工艺比体硅CMOS工艺简单，还能排除某些在体硅CMOS中存在的危害成品率的因素。 3、异质外延衬底材料的选择 4、SOS工艺存在问题以及改进方法,29,7.7 分子束外延,1、分子束（MBE）Molecular Beam Epitaxy 分子束外延是一种在超高真空下的蒸发技术。它是利用蒸发提供的定向分子 束或原子束，撞击到清洁的衬底表面上生成外延层的工艺过程。 2、原理 3、应用 4、MBE设备的特点 5、基本工作条件 6、优点：共五点 7、获得纯净衬底表面工艺的方法：主要有三种,30,外延层中的缺陷与检测 1. 缺陷种类: a.存在与衬底中并连续延伸到外延层中的位错 b .衬底表面的析出杂质或残留的氧化物，吸附的碳氧化物导致的层错； c . 外延工艺引起的外延层中析出杂质； d .与工艺或与表面加工(抛光面划痕、损伤), 碳沾污等有关，形成的表面锥体缺陷(如角锥 体、圆锥体、三棱锥体、小丘)； e . 衬底堆垛层错的延伸;,7.8 层错、图形漂移及利用层错法测量厚度,31,32,33,34,2.埋层图形的漂移与畸变,35,漂移规律,111面上严重,偏离24度,漂移显著减小, 常用偏离3度. 外延层越厚,偏移越大 温度越高,偏移越小 生长速率越小,偏移越小 SiCl4 SiH2Cl2 SiH4 硅生长-腐蚀速率的各向异型是发生漂移的根本原因.,36,7.9 外延层电阻率的测量,1. 测量方法 2. 扩展电阻法特点 3. 扩展电阻法测量原理,37,7.10 外延层质量控制及外延层的测量,一、外延层质量控制 1晶格完整性 2.膜厚的均匀性 3.掺杂浓度的控制 4.埋层图形的漂移和畸变,38,二、外延层参数测量,39,1.电阻率的测量 是外延层的重要参数。 2.厚度测量 外延层的厚度及其均匀性对外延层质量来说十分重要，也是每次必测的参数之一。 3.位错和层错密度的测量 测量位错的方法有X光衍射、电子显微镜和红外透射等等。实际生产中常用化学腐蚀金相法。层错密度的测量与位错密度相同，不同的是时间要短些。 4.高阻夹层的检验,40,三、外延层质量讨论 主要