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

1,第七章外延,主讲：毛维mwxidian西安电子科技大学微电子学院,2,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。,3,4,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,5,7.1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SiHCl3SiH2Cl2采用现代的低温工艺SiH4新硅源Si2H6,6,7.1.2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。,7,8,9,7.1.3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)2SiCl2,10,11,7.1.4生长速率与温度的关系,12,7.1.5生长速率与反应剂浓度的关系,13,7.1.6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。,14,7.2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。,15,7.2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。,16,7.2.2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+),17,18,7.2.3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。,19,20,7.3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：SiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH4；,21,选择性外延（SEG）,22,横向外延（ELO）,23,7.6SOS及SOI技术,SOISiliconOnInsulator或SemiconductorOnInsulator，意思是绝缘层上硅。SOSSiliconOnSapphire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4.510-6，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)1/2l0.816l,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25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