工艺技术_工艺晶体外延生长技术课件

第四单元 薄膜技术 第8章 晶体外延生长技术第9章 薄膜物理淀积技术第10章 薄膜化学汽相淀积 第8章 晶体外延生长技术 为什么需要外延 1 双极分离器件 如 大功率器件的串联电阻问题 2 双极IC 隔离与埋层问题 3 化合物半导体器件及超晶格的异质结问题4 MOS集成电路Chapter14 8 1外延层的生长8 1 1生长的一般原理和过程SiCl4的氢化还原 成核 长大 一般认为反应过程是多形式的两步过程如 1 气相中SiCl4 H2 SiCl2 2HCl生长层表面2SiCl2 Si SiCl4 2 气相中SiCl4 H2 SiHCl3 HCl生长层表面SHiCl3 H2 Si 3HCl 在 111 面上生长 稳定的是双层面 位置7 8 9比位置1 2 3 4稳定 在一定的衬底温度下 1 2 3 4位的原子很容易扩散 游离 到7 8 9相应的位置 使生长迅速在横向扩展 即 可看成是多成核中心的二维生长 如 1200 C时V 111 几百埃 分V 112 几百微米 分 8 1 2生长动力学 14 2 14 3 与热氧化过程不同的是 外延时只有气相质量转移过程和表面吸附 反应 过程 因而 气相外延是由下述步骤组成的多相过程1 反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层表面2 反应剂分子在生长层表面吸附 3 被吸附的反应剂分子在生长层的表面完成化学反应 产生硅原子及其它副产物 4 副产物分子丛表面解吸 5 解吸的副产物以扩散的形式转移到气相 随主气流排出反应腔 6 反应所生成的硅原子定位于晶格点阵 形成单晶外延层 因而在反应剂浓度较小时有 KS为表面化学反应系数 hG气相质量转移 传输 系数NT为分子总浓度 Y为反应剂摩尔数 v为外延层的生长速率 14 2 1 生长速率和反应剂浓度的关系 正比 a b c SiCl4 气 Si 固 2SiCl2 气 2 生长速率与外延温度的关系对于SiCl4 Ea 1 9eVSiH4 Ea 1 6eVDG0 0 1 1cm2s 1a 1 75 2 在较高温度下 kS hG质量转移控制在较低温度下 kS hG表面反应控制 在高温段 质量转移控制 生长速率受温度影响小 便于控制 可为 10 C 3 生长速率与衬底取向的关系v 110 v 100 v 111 4 气相质量转移进一步分析可得 由这一公式可得出什么 8 1 3外延堆垛层错CCAAAAAAAAAAAAACCBBBCCCCCCCCCCCCCBBBAAABBBBBBBBBBBAAAAACCCAAAAAAAAACCCCCBBBBCCCCCCCCCBBBBBAAAAABBBBBBBAAAAAACCCCCCAAAAACCCCCCCBBBBBBBBCCCBBBBBBBBAAAAAAAABAAAAAAAAA 层错 失配晶核 产生的原因 晶面的缺陷 机械损伤 位错 微缺陷 氧化斑点 杂质沉陷区 和表面污染 灰尘 杂质等 气体和反应剂的纯度不够 温度过低或起伏过大 生长速率过快等 HCl汽相抛光 8 2 汽相 外延生长工艺8 2 1外延层中的掺杂在外延反应剂中加入掺杂剂 如 PH3 PCl3 PCl5 AsCl3 AsH3 SbCl3 SbH3和BBr3 BCl3 B2H6等 1 掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制 2 生长速率和温度的影响为什么温度升高会使浓度降低 SiliconVaporPhaseEpitaxyReactors 8 2 2外延过程中的杂质再分布和自掺杂 1 衬底杂质的再分布N1 见page228 在外延区 时 一般都成立 2 掺入杂质的再分布总分布为 N N1 N2 3 自掺杂 autodoping 效应衬底中的杂质不断地蒸发出来 进入总气流并掺入外延层 4 减小自掺杂效应措施衬底杂质的选择 扩散系数小 蒸发速率低 如Sb 两步外延 低温 变温 技术 如选择适当的化学体系 光照 等离子体等 低压技术 掩蔽技术等8 2 3清洁技术8 2 4外延层性能检测电阻率 杂质分布 厚度 缺陷 红外干涉法IR Infrared Reflection coherence Page369 8 2 4外延过程中的图形漂移 Page367 对策 晶向偏2 5 含Cl 100 8 3GaAs外延生长工艺1 汽相外延 369 371 难点 As压与生长速率的控制 缺陷 2 液相外延 LPE 特点 杂质均匀 缺陷少 表面质量差 厚度不易控制 8 4异质结问题 370 372 晶格失配对策 衬底材料的晶向 过度层 缺陷控制和掺杂问题对策 催化 过度层 新技术 主流技术 气相外延 一种GeSi量子点 8 5先进外延生技术1 MBE molecularbeamepitaxy 配以RHEED Auger AES 进行原位监测 是一超高真空 UHV 系统 10 12 10 6Torr 衬底温度低 500 C精度高 但生长速率低 成本高 可以控制到单原子层 2 MOVPE Metal organicvaporphaseepitaxy 金属氧化物分解 375 380 如 三甲基铟 镓 三乙基铟 MR3 金属烷基 XH3 氢化物 MX 3RH如 Ga CH3 3 AsH3 GaAs 3CH4又如 xAlCH3 3 1 x Ga CH3 3 AsH3 GaAs 3CH4特点 低温分解 500 C 生长速率易于控制 杂质易于控制 生产效率远高于MBE 3 SOI SilicononInsulators SOS SilicononSapphire 是一种异质外延 通常Sapphire的晶向选为 0112 1012 1102 等 SIMOX SeparationbyImplantedOxygen 目前已经较广泛应用 WaferBonding SmartCut Toformgasvoidlayer 对于Si低温 600 C 高质量薄外延层 0 2 m表面粗糙度 2 均匀性 5 200mm 金属污染 5x1010