集成电路制造技术外延微电子学院微电子教学中心PPT课件.ppt

第七章外延 主讲 毛维mwxidian 西安电子科技大学微电子学院 1 绪论 定义 在单晶衬底上 按衬底晶向生长一层新的单晶薄膜的工艺技术 外延层 衬底上新生长的单晶层 外延片 生长了外延层的衬底硅片 应用 双极器件与电路 轻掺杂的外延层 较高的击穿电压 重掺杂的衬底降低集电区的串联电阻 CMOS电路 避免了闩锁效应 降低漏电流 2 3 外延的分类 按工艺分类 气相外延 VPE 硅的主要外延工艺 液相外延 LPE 化合物的外延 固相外延 SPE 离子注入退火过程 分子束外延 MBE MolecularBeamEpitaxy 按材料分类同质外延 外延层与衬底的材料相同 如Si上外延Si GaAs上外延GaAs 异质外延 外延层与衬底的材料不相同 如Si上外延SiGe或SiGe上外延Si 蓝宝石上外延Si SOS SilicononSapphire 蓝宝石上外延GaN SiC 按压力分类常压外延 100kPa 低压 减压 外延 5 20kPa 绪论 4 7 1硅气相外延的基本原理 7 1 1硅源 SiCl4采用传统的高温工艺 SiHCl3 SiH2Cl2采用现代的低温工艺 SiH4新硅源Si2H6 5 7 1 2外延生长模型 生长步骤 传输 反应物从气相经边界层转移到Si表面 吸附 反应物吸附在Si表面 化学反应 在Si表面进行化学反应 得到Si及副产物 脱吸 副产物脱离吸附 逸出 脱吸的副产物从表面转移到气相 逸出反应室 加接 生成的Si原子加接到晶格点阵上 延续衬底晶向 生长特征 横向二维的层层生长 6 7 8 7 1 3化学反应 H2还原SiCl4体系 生长总反应 SiCl4 2H2Si s 4HCl g 气相中间反应 SiCl4 H2SiHCl3 HClSiCl4 H2SiCl2 2HClSiHCl3 H2SiH2Cl2 HClSiHCl3SiCl2 HClSiH2Cl2SiCl2 H2吸附生长 SiCl2 吸附 H2Si s 2HCl 硅的析出反应 或SiCl2 吸附 Si s SiCl4 硅的析出反应 腐蚀反应 SiCl4 Si s 2SiCl2 9 10 7 1 4生长速率与温度的关系 11 7 1 5生长速率与反应剂浓度的关系 12 7 1 6生长速率v与气体流速U的关系 SiCl4外延温度 1200 输运控制 边界层厚度 x x U 1 2 故 v随U的增大而增加 13 7 2外延层的杂质分布 外延掺杂的特点 原位掺杂 外延掺杂的优点 掺杂浓度可精确控制 突变型分布 分布偏离 自掺杂效应 衬底杂质蒸发进入边界层 扩散效应 衬底与外延层杂质相互扩散 14 7 2外延层的杂质分布 7 2 1掺杂原理 淀积过程 与外延相比 相似 输运控制和反应控制不同 动力学性质 掺入效率 与T v U以及杂质剂的摩尔分数等有关 掺杂源 B2H6 PH3 AsH3 15 7 2 2扩散效应 扩散效应 衬底杂质与外延层杂质相互扩散 导致界面处杂质再分布 杂质扩散 满足菲克第二定律 扩散方程 即 衬底杂质分布 假定外延层本征生长 外延层杂质浓度为N1 x 余误差函数 外延层杂质分布 假定衬底本征 外延层杂质浓度为N2 x 余误差函数 实际再分布 衬底和外延层都掺杂 外延层杂质浓度为N x N1 x N2 x n n p p p n n p 16 17 7 2 3自掺杂效应 非故意掺杂 定义 衬底杂质及其他来源杂质非人为地掺入外延层 来源 各种气相自掺杂 衬底扩散蒸发的杂质 在外延生长的初期 衬底背面及侧面释放的杂质 外延生长前吸附在表面的杂质 气相腐蚀的杂质 其他硅片释放的杂质 外延系统 基座 输入气体中的杂质 18 19 7 3低压外延 5 20kPa 低压作用 减小自掺杂效应 优点 杂质分布陡峭 厚度及电阻率的均匀性改善 外延温度随压力的降低而下降 减少了埋层图形的畸变和漂移 7 4选择性外延SEG 在特定区域有选择地生长外延层 原理 Si在SiO2或Si3N4上很难核化成膜 选择性 特定区域 硅源 硅源的选择性顺序 SiCl4 SiHCl3 SiH2Cl2 SiH4 20 选择性外延 SEG 21 2020 1 7 22 横向外延 ELO 23 7 6SOS及SOI技术 SOI SiliconOnInsulator或SemiconductorOnInsulator 意思是绝缘层上硅 SOS SiliconOnSapphire或SemiconductorOnSpinel 意思是蓝宝石上硅或尖晶石上硅 注意 SOI技术是一种异质外延技术 SOS是SOI中的一种 24 25 26 SOS的不足 SOS结构存在下列主要问题 硅 蓝宝石界面比Si SiO2界面质量差 蓝宝石的介电常数接近10 SiO2是3 9 会产生较大的寄生电容 膨胀系数的差异引入的应力 硅的膨胀系数是4 5 10 6 蓝宝石比它大一倍左右 蓝宝石导热性差 27 SOI技术的特点与优势 1 速度高 在相同的特征尺寸下 工作速度可提高30 40 2 功耗低 在相同的工作速度下 功耗可降低50 60 3 特别适合于小尺寸器件 4 特别适合于低压 低功耗电路 5 集成密度高 封装密度提高约40 6 低成本 最少少用三块掩模版 减少13 20 30 的工序 7 耐高温环境 工作温度300 500 8 抗辐照特性好 是体硅器件的50 100倍 28 7 7分子束外延 MBE MBE MolecularBeamEpitaxy原理 在超高真空下 利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原子或分子束 直接射到衬底表面 形成外延层 应用 元素半导体 Si Ge化合物半导体 GaAs GaN SiGeMBE的特点 温度低 生长速度低 化学组成及掺杂浓度精确可控 厚度可精确控制到原子级 29 30 31 7 8缺陷及检测 缺陷种类 a 存在于衬底中并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 32 33 34 7 8 1层错机理 由于原子排列次序发生错乱而产生的缺陷 原因 衬底表面的损伤 玷污 残留的氧化物 外延温度过低 生长速度过高 掺杂剂不纯等 位置 衬底与外延层的界面处 影响 导致杂质的异常扩散 引起杂质分布不均匀 成为重金属杂质的淀积中心 引起p n结的软击穿 低压击穿 甚至穿通 7 8缺陷及检测 35 36 37 7 8 2层错法测量外延层厚度 原理 化学腐蚀的各向异性 即层错界面两边的原子结合较弱 具有较快的腐蚀速率 计算 T 2 3 1 2l 0 816l 38 7 8 3图形漂移和畸变 39 7 8 3图形漂移和畸变 原因 外延生长 腐蚀速率的各向异型 漂移规律 111 面 严重 偏离2 5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 40 7 9外延层电阻率的测量 方法 四探针法 三探针法 电容 电压 CV 法 扩展电阻法等扩展电阻法特点 可以测量微区的电阻率或电阻率分布 原理 当金属探针与半导体材料呈欧姆接触时 电阻主要集中在接触点附近的半导体中 而且呈辐射状向半导体内扩展 采用探针形式 单探针 两探针 三探针