集成电路制造技术-外延-微电子学院微电子教学中心

集成电路制造技术-外延-微电子学院微电子教学中心第一页，共41页。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①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。 ②CMOS电路：避免了闩锁效应：降低漏电流。

第二页，共41页。第三页，共41页。外延的分类

①按工艺分类：气相外延（VPE）：硅的主要外延工艺；液相外延（LPE）：Ⅲ-Ⅴ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）

②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。③按压力分类常压外延：100kPa；低压（减压）外延：5-20kPa。绪论第四页，共41页。7.1硅气相外延的基本原理7.1.1硅源①SiCl4采用传统的高温工艺②SiHCl3③SiH2Cl2采用现代的低温工艺④SiH4新硅源Si2H6第五页，共41页。7.1.2外延生长模型生长步骤①传输：反应物从气相经边界层转移到Si表面；②吸附：反应物吸附在Si表面；③化学反应：在Si表面进行化学反应，得到Si及副产物；④脱吸：副产物脱离吸附；⑤逸出：脱吸的副产物从表面转移到气相，逸出反应室；⑥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。第六页，共41页。第七页，共41页。第八页，共41页。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第九页，共41页。第十页，共41页。7.1.4生长速率与温度的关系第十一页，共41页。7.1.5生长速率与反应剂浓度的关系第十二页，共41页。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：δ（x）=（μx/ρU)1/2；故，v随U的增大而增加。第十三页，共41页。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：①自掺杂效应---衬底杂质蒸发进入边界层；②扩散效应---衬底与外延层杂质相互扩散。第十四页，共41页。7.2外延层的杂质分布7.2.1掺杂原理①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②掺入效率：与T、v、U以及杂质剂的摩尔分数等有关。③掺杂源：B2H6、PH3、AsH3。第十五页，共41页。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①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②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③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+)第十六页，共41页。第十七页，共41页。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①衬底扩散蒸发的杂质：在外延生长的初期；②衬底背面及侧面释放的杂质；③外延生长前吸附在表面的杂质；④气相腐蚀的杂质；⑤其他硅片释放的杂质。⑥外延系统：基座、输入气体中的杂质。第十八页，共41页。第十九页，共41页。7.3低压外延（5-20kPa）低压作用：减小自掺杂效应；优点：①杂质分布陡峭；②厚度及电阻率的均匀性改善；③外延温度随压力的降低而下降；④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：①特定区域；②硅源。硅源的选择性顺序：SiCl4>SiHCl3>SiH2Cl2>SiH4；第二十页，共41页。选择性外延（SEG）第二十一页，共41页。横向外延（ELO）第二十二页，共41页。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。第二十三页，共41页。第二十四页，共41页。第二十五页，共41页。SOS的不足SOS结构存在下列主要问题：①硅-蓝宝石界面比Si-SiO2界面质量差。②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。③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。④蓝宝石导热性差。第二十六页，共41页。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。第二十七页，共41页。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：①温度低；②生长速度低；③化学组成及掺杂浓度精确可控；④厚度可精确控制到原子级；第二十八页，共41页。第二十九页，共41页。第三十页，共41页。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；第三十一页，共41页。第三十二页，共41页。第三十三页，共41页。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：①导致杂质的异常扩散：引起杂质分布不均匀；②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缺陷及检测第三十四页，共41页。第三十五页，共41页。第三十六页，共41页。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第三十七页，共41页。7.8.3图形漂移和畸变第三十八页，共41页。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。

第三十九页，共41页。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)