第8章IC工艺晶体外延生长技术课件

第8章IC工艺晶体外延生长技术2023/10/7第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术2023/8/1第8章IC工艺1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IC工艺晶体外延生长技术第四单元：薄膜技术

第8章：晶体外延生长技术

第9章2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第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章：晶体外延生长技术

为什么需要外延？第8章IC3第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术4第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术58.1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 第8章IC工艺晶体外延生长技术8.1外延层的生长 8.1.1生长的一般原理和过程6一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第8章IC工艺晶体外延生长技术一般认为反应过程是多形式的两步过程第8章IC工艺晶体外延生长7第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术8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稳定第8章IC工艺晶体外延生长技术在(111)面上生长,稳定的是双层面,位置7、8、9比位置19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/分第8章IC工艺晶体外延生长技术在一定的衬底温度下，1、2、3、4位的原子很容易扩散（游离）108.1.2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。第8章IC工艺晶体外延生长技术8.1.2生长动力学(14.2,14.3) 与热氧化11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；第8章IC工艺晶体外延生长技术因而，气相外延是由下述步骤组成的多相过程第8章IC工艺晶体外12SubstrateContinuousfilm8) By-productremoval1) MasstransportofreactantsBy-products2) Filmprecursorreactions3) Diffusionofgasmolecules4) Adsorptionofprecursors5) Precursordiffusionintosubstrate6) Surfacereactions7) DesorptionofbyproductsExhaustGasdelivery第8章IC工艺晶体外延生长技术SubstrateContinuousfilm8) By13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)第8章IC工艺晶体外延生长技术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141）生长速率和反应剂浓度的关系——正比 （a）！（b）、（c）？SiCl4（气）+Si（固）2SiCl2（气）第8章IC工艺晶体外延生长技术1）生长速率和反应剂浓度的关系——正比 152）生长速率与外延温度的关系 对于SiCl4，Ea~1.9eV SiH4，Ea~1.6eV DG0：0.1~1cm2s-1

a：1.75~2 第8章IC工艺晶体外延生长技术2）生长速率与外延温度的关系 16在较高温度下：kS>>hG 质量转移控制

在较低温度下：kS<<hG

表面反应控制第8章IC工艺晶体外延生长技术在较高温度下：kS>>hG 质量转移控制 17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）第8章IC工艺晶体外延生长技术在高温段（质量转移控制）生长速率受温度影响小，便于控制（可为183）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？第8章IC工艺晶体外延生长技术3）生长速率与衬底取向的关系 v(110)>v(100198.1.3外延堆垛层错CCAAAAAAAAAAAAACCBBBCCCCCCCCCCCCCBBBAAABBBBBBBBBBBAAAAACCCAAAAAAAAACCCCCBBBBCCCCCCCCCBBBBBAAAAABBBBBBBAAAAAACCCCCCAAAAACCCCCCCBBBBBBBBCCCBBBBBBBBAAAAAAAABAAAAAAAAA 第8章IC工艺晶体外延生长技术8.1.3外延堆垛层错第8章IC工艺晶体外延生长技术20第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术21第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术22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汽相抛光第8章IC工艺晶体外延生长技术层错(失配晶核)产生的原因：晶面的缺陷(机械损伤、位238.2（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）第8章IC工艺晶体外延生长技术8.2（汽相）外延生长工艺第8章IC工艺晶体外延生长技术241）掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制 第8章IC工艺晶体外延生长技术1）掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制 252）生长速率和温度的影响 为什么温度升高会使浓度降低？第8章IC工艺晶体外延生长技术2）生长速率和温度的影响 26SiliconVaporPhaseEpitaxyReactorsExhaustExhaustExhaustRFheatingRFheatingGasinletGasinletHorizontalreactorBarrelreactorVerticalreactor第8章IC工艺晶体外延生长技术SiliconVaporPhaseEpitaxyRe27第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术28第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术298.2.2外延过程中的杂质再分布和自掺杂 第8章IC工艺晶体外延生长技术8.2.2外延过程中的杂质再分布和自掺杂 第8章IC301）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第8章IC工艺晶体外延生长技术1）衬底杂质的再分布N1 （见page228）第8章I313）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、缺陷第8章IC工艺晶体外延生长技术3）自掺杂（autodoping）效应 衬底中的杂质不断32第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术33第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术34红外干涉法IR（Infrared）Reflection，（coherence）Page369第8章IC工艺晶体外延生长技术红外干涉法IR（Infrared）Reflection，358.2.4外延过程中的图形漂移 (Page367) 对策：晶向偏2~5°,含Cl,(100)第8章IC工艺晶体外延生长技术8.2.4外延过程中的图形漂移 (Page367) 368.3GaAs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）第8章IC工艺晶体外延生长技术8.3GaAs外延生长工艺第8章IC工艺晶体外延生长技术372）液相外延 （LPE） 特点：杂质均匀、缺陷少，表面质量差、厚度不易控制第8章IC工艺晶体外延生长技术2）液相外延 （LPE） 特点：杂质均匀、缺陷少，38第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术39第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术408.4异质结问题(370~372)晶格失配 对策：衬底材料的晶向、过度层第8章IC工艺晶体外延生长技术8.4异质结问题(370~372)第8章IC工艺晶体外延生41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

第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术42一种GeSi量子点第8章IC工艺晶体外延生长技术一种GeSi量子点第8章IC工艺晶体外延生长技术43第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术448.5先进外延生技术1）MBE（molecularbeamepitaxy)第8章IC工艺晶体外延生长技术8.5先进外延生技术第8章IC工艺晶体外延生长技术45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，成本高第8章IC工艺晶体外延生长技术配以RHEED、Auger（AES）第8章IC工艺晶体外延生46可以控制到单原子层第8章IC工艺晶体外延生长技术可以控制到单原子层第8章IC工艺晶体外延生长技术47第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术48第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术49第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术50第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术51第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术52第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术532)MOVPE(Metal-organicvaporphaseepitaxy) 金属氧化物分解 (375~380) 如：三甲基铟、镓（ＴＭＩ、ＴＭＧａ） 三乙基铟（ＴＥＩ）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第8章IC工艺晶体外延生长技术2)MOVPE(Metal-organicvaporph54第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术55第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术56第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术57第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术58第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术593)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

第8章IC工艺晶体外延生长技术3)SOI(SilicononInsulators)60第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术61 *WaferBonding（SmartCut）Toformgasvoidlayer对于Si低温<600°C；高质量薄外延层<0.2m表面粗糙度<2Å均匀性~5%（~200mm）金属污染<5x1