集成电路制造技术-西交大-工程硕士-外延.ppt

1集成电路制造技术 原理与工艺第第3章章 外延外延(Epitaxy).23.1 3.1 概述概述3.1.13.1.1外延概念外延概念 l在微电子工艺中，外延(epitaxy)是指在单晶衬底上，用物理或化学的方法，按衬底晶向生长（排列）单晶薄膜的工艺过程。l新排列生长的晶体薄膜称为外延层，有外延层的硅片称为（硅）外延片。l与先前描述的单晶生长不同在于外延生长温度低于熔点许多。l外延是在晶体上生长晶体，生长出的晶体的晶向与衬底晶向相同，掺杂类型、电阻率可不同。n/n+，n/p，GaAs/Si。.33.1.2 3.1.2 外延工艺种类外延工艺种类 l按材料划分：按材料划分：同质外延同质外延和和异质外延异质外延。l按工艺方法划分：气相外延（按工艺方法划分：气相外延（VPE)VPE)，液相外延，液相外延(LVP)(LVP)，固相外延固相外延(SPE)(SPE)，分子束外延（，分子束外延（MBE)MBE)。l按温度划分：高温外延按温度划分：高温外延(1000(1000 以上以上)；低温外延；低温外延(1000(1000 以下以下)；变温外延；变温外延-先低温下成核，再高温下先低温下成核，再高温下生长外延层。生长外延层。l按电阻率高低划分：正外延按电阻率高低划分：正外延-低阻衬底上外延高阻层；低阻衬底上外延高阻层；反外延反外延-高阻衬底上外延低阻层。高阻衬底上外延低阻层。l按外延层结构分类按外延层结构分类:普通外延，选择外延，多层外延普通外延，选择外延，多层外延 l其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等。其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等。气相外延工艺成熟，可很好气相外延工艺成熟，可很好的控制薄膜厚度，杂质浓度的控制薄膜厚度，杂质浓度和晶格的完整性，在硅工艺和晶格的完整性，在硅工艺中一直占主导地位。中一直占主导地位。.4 同同 质质 外外 延延 又又 称称 均均 匀匀 外外 延延，是是 外外 延延 层层 与与 衬衬 底底 材材 料料 相相 同的外延。同的外延。异异质质外外延延 也也称称非非均均匀匀外外延延，外外延延层层与与衬衬底底材材料料不不相相同同，甚甚至至物物理理结结构构也也与与衬衬底底完完全全不不同同。GaAs/Si GaAs/Si、SOISOI（SOSSOS）等材料就可通过异质外延工艺获得。）等材料就可通过异质外延工艺获得。异质外延的相容性：异质外延的相容性：1.1.衬衬底底与与外外延延层层不不发发生生化化学学反反应应，不不发发生生大大量量的的溶溶解解 现象；现象；2.2.衬衬底底与与外外延延层层热热力力学学参参数数相相匹匹配配，即即热热膨膨胀胀系系数数接接近近。以以避避免免外外延延层层由由生生长长温温度度冷冷却却至至室室温温时时，产产生生残残余余热热应力，界面位错，甚至外延层破裂。应力，界面位错，甚至外延层破裂。3.3.衬衬底底与与外外延延层层晶晶格格参参数数相相匹匹配配，即即晶晶体体结结构构，晶晶格格常常数数接接近近，以以避避免免晶晶格格参参数数不不匹匹配配引引起起的的外外延延层层与与衬衬底底接触的界面晶格缺陷多和应力大的现象。接触的界面晶格缺陷多和应力大的现象。.5异质外延生长工艺的两种类型异质外延衬底和外延层的材料不同，晶体结构和晶格常数不可能完全匹配。外延生长工艺不同，在外延界面会出现两种情况应力释放带来界面缺陷，或者在外延层很薄时出现赝晶赝晶（pseudomorphic）。.6 晶格失配 lattice mismatchl其中：其中：a外延层晶格参数；外延层晶格参数；a衬底晶格参数。有衬底晶格参数。有热膨胀失配系数热膨胀失配系数和和晶格常数失配率晶格常数失配率。热失配影响热失配影响单晶薄膜的单晶薄膜的物理和电学物理和电学性质性质晶格失配导致晶格失配导致外延膜中缺陷外延膜中缺陷密度非常高密度非常高失配率：.7 特点：l外延生长时掺入杂质的类型、浓度都可以外延生长时掺入杂质的类型、浓度都可以与衬底不同，增加了微电子器件和电路工与衬底不同，增加了微电子器件和电路工艺的灵活性。艺的灵活性。l多次外延工艺得到多层不同掺杂类型、不多次外延工艺得到多层不同掺杂类型、不同杂质含量、不同厚度，甚至不同材料的同杂质含量、不同厚度，甚至不同材料的外延层。外延层。.83.1.3 3.1.3 外延工艺用途外延工艺用途双极型晶体管 优势：1高的集电结击穿电压2.低的集电极串联电阻 在外延层上制造晶体管可以解决集电结在外延层上制造晶体管可以解决集电结的耐压和集电极串连电阻对衬底掺杂浓度的耐压和集电极串连电阻对衬底掺杂浓度的相互矛盾。的相互矛盾。.9 利用外延技术的pn结隔离是早期双极型集成电路常采用的电隔离方法。P-Si衬底衬底n+埋层埋层n-Si外延层外延层p+隔离墙隔离墙SiO2pnpn结隔离示意图结隔离示意图.10 将CMOS电路制作在外延层上比制作在体硅抛光片上有以下优点：避免了闩锁效应；避免了硅层中SiOx的沉积；硅表面更光滑，损伤最小。制作在外延层上的双阱制作在外延层上的双阱CMOS剖面图剖面图n+p+n-wellpn+p-welln+p+p-Epitaxial layerp+Silicon substrate.11l微波器件的芯片制造，需要具有突变杂质分布的复杂多层结构衬底材料。可以采用多层外延工艺来实现这类衬底材料的制备。l采用异质外延的SOSCMOS电路，外延衬底为绝缘的蓝宝石，能够有效地防止元件之间的漏电流，抗辐照闩锁；而且结构尺寸比体硅CMOS电路小，因SOS结构不用隔离环，元件制作在硅外延层小岛上，岛与岛之间的隔离距离只要满足光刻工艺精度，就能达到电隔离要求，所以元件之间的间距很小，CMOS电路的集成度也就提高了。.123.2 3.2 气相外延气相外延l气气相相外外延延(vapor(vapor phase phase EpitaxyEpitaxy，VPEVPE )，指指含含SiSi外外延延层层材材料料的的物物质质以以气气相相形形式式输输运运至至衬衬底底，在在高高温温下下分分解解或或发发生生化化学学反反应应，在在单单晶晶衬衬底底上上生长出与衬底晶向一致的单晶。生长出与衬底晶向一致的单晶。l与化学汽相淀积（与化学汽相淀积（Chenmical Vapor DepositionChenmical Vapor Deposition）类似，是广义上的类似，是广义上的CVDCVD工艺。工艺。.13 外延工艺常用的硅源l四四氯氯化化硅硅SiCl4(sil.tet)，是是应应用用最最广广泛泛，也也是是研研究最多的硅源究最多的硅源-主要应用于传统外延工艺主要应用于传统外延工艺l三三氯氯硅硅烷烷SiHCl3(TCS)，和和SiCl4类类似似但但温温度度有有所降低所降低-常规外延生长常规外延生长l二氯硅烷二氯硅烷SiH2Cl2(DCS)-更低温度，选择外延更低温度，选择外延l硅硅烷烷SiH4，更更适适应应薄薄外外延延层层和和低低温温生生长长要要求求，得得到广泛应用。到广泛应用。l新硅源：新硅源：二硅烷二硅烷Si2H6-低温外延低温外延.143.2.1 硅的气相外延工艺硅的气相外延工艺卧式气相外延设备示意图卧式气相外延设备示意图.15工艺步骤及流程l两个步骤：两个步骤：准备阶段：准备阶段：准备硅基片和准备硅基片和进行基座去硅处理；进行基座去硅处理；硅的外延生长硅的外延生长l基座去硅的工艺流程：基座去硅的工艺流程：N2预冲洗预冲洗H2预冲洗预冲洗升温至升温至850升温至升温至1170HCl排排空空HCl腐腐蚀蚀H2冲冲洗洗降降温温N2冲洗冲洗.16工艺l外延生长工艺流程外延生长工艺流程：N2预冲洗预冲洗H2预冲洗预冲洗升温至升温至850升温至升温至1170HCl排空排空HCl抛光抛光H2冲洗附面层冲洗附面层外延生长（通入反应剂外延生长（通入反应剂及掺杂剂）及掺杂剂）H2冲洗冲洗1170降温降温N2冲洗冲洗作用是将硅基片表面残存的氧化物（SiOx）以及晶格不完整的硅腐蚀去掉，露出新鲜和有完整晶格的硅表面，利于硅外延成核，而且使衬底硅和外延层硅之间键合良好，避免衬底硅表面缺陷向外延层中延伸。.17工艺l反反应应剂剂有有：SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH4，气气态态反反应应剂剂稀稀释释后后直直接接通通入入，而而液液态态反反应应剂剂是是装装在在源源瓶瓶中，用稀释气体携带进入反应器。中，用稀释气体携带进入反应器。l掺掺杂杂剂剂一一般般选选用用含含掺掺杂杂元元素素的的气气态态化化合合物物，如如PH3、B2H6、AsH3lSiH4为反应剂，为反应剂，PH3为掺杂剂：为掺杂剂：SiH4（H2）Si+2H22PH3（H2）P+6H2lSiH4在在主主流流气气体体中中只只百百分分之之几几；PH3也也用用氢氢气气稀稀释释至十至十五十倍。五十倍。.18在外延过程中，反应器内实际存在多种过度气体，实验发现四氯化硅和氢气大约在900时开始反应，而此时仅发生热分解反应，没有硅析出，当温度升至1000以上，反应过程如下：SiCl2+H2 Sis+2HCl 2SiCl2 Sis+SiCl4SiCl4+H2SiHCl3+HClSiCl4+H2SiHCl2+2HClSiHCl3+H2SiH2Cl2+HClSiHCl3SiCl2+HClSiHCl2SiCl2+H2SiCl2+H2Si+2HCl.193.2.2 气相外延原理 x.20SiH4热分解外延SiH4Si（s）+2H2（g）l优势：优势：1.反反应应是是不不可可逆逆的的，没没卤卤化化物物产产生生，不不存存在在反反向向腐腐蚀蚀效应，对反应室也无腐蚀；效应，对反应室也无腐蚀；2.外外延延温温度度低低，一一般般是是650-900，最最低低可可在在600完成，减弱了自掺杂和扩散效应。完成，减弱了自掺杂和扩散效应。l问问题题：SiH4在在气气相相中中可可自自行行分分解解，造造成成过过早早核核化化，对对外外延延层层的的晶晶体体结结构构产产生生重重要要影影响响，甚甚至至生生成成多多晶晶；SiH4易易氧氧化化形形成成硅硅粉粉，要要尽尽量量避避免免氧氧化化物物质质和和水水汽汽的的存存在在，否否则则会会影影响响外外延延层层的的质质量量缺缺陷陷密密度度高高于于SiCl4 氢还原法制作外延层；对反应系统要求高。氢还原法制作外延层；对反应系统要求高。.21 1 气相质量传递过程气相质量传递过程l边边界界层层指基座表面垂直于气流方向上，气流速度、反应剂浓度、温度受到扰动的薄气体层。l基座表面做成斜坡状，和气流方向呈一定角度，角一般在310。基座表面边界层示意图.222 2 表面过程表面过程本本质质上上是是化化学学分分解解和和规规则则排排列列两两个个过过程。程。SiHSiH4 4表表面面外外延延过过程程实实质质上上包包含含了了吸吸附附、分分解解、迁迁移移、解解吸吸这这几个环节。几个环节。表表面面外外延延过过程程表表明明外外延延生生长长是是横横向向进进行。行。表面外延过程示意图SiH4=Si+2H2.233.2.3影响外延生长速率的因素影响外延生长速率的因素n温度温度n硅源硅源n反应剂浓度反应剂浓度n其它因素：衬底晶向其它因素：衬底晶向(110)(111)；反应室形状；反应室形状；气体流速气体流速.24影响外延生长速率的因素质量传递质量传递控制控制实际外延实际外延选此区选此区表面反应表面反应控制控制-11.温度对生长速率的影响温度对生长速率的影响.252.硅源对生长速率的影响硅源对生长速率的影响 含氯的Si-Cl-H体系 无氯的Si-H体系 硅源不同，外延温度不同,由高到低排序的硅源为：SiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH4；而外延生长速率正相反外延生长速率正相反。.263.反应剂浓度对生长速率的影响反应剂浓度对生长速率的影响SiCl4浓度与生长速率的关系浓度与生长速率的关系SiCl4摩尔浓度摩尔浓度大于大于0.27出现出现腐蚀现象腐蚀现象.27速率、温度对结晶类型的影响速率、温度对结晶类型的影响-1.283.2.4 3.2.4 外延层中的杂质分布外延层中的杂质分布l掺杂采用原位气相掺杂。掺杂采用原位气相掺杂。l杂杂质质掺掺入入效效率率依依赖赖于于：生生长长温温度度、生生长长速速率率、气气流流中中掺掺杂杂剂剂相相对对于于硅硅源源的的摩摩尔尔数数、反反应应室室几何形状，掺杂剂自身特性。几何形状，掺杂剂自身特性。l有杂质再分布现象有杂质再分布现象l自掺杂效应自掺杂效应l扩散效应扩散效应l影响：影响：改变外延层和衬底杂质浓度及分布改变外延层和衬底杂质浓度及分布对对p/np/n或或n/pn/p硅外延，改变硅外延，改变pnpn结位置结位置.291.自掺杂效应自掺杂效应(Autodoping)l自自掺掺杂杂效效应应是是指指高高温温外外延延时时，高高掺掺杂杂衬衬底底的的杂杂质质反反扩扩散散进进入入气气相相边边界界层层，又又从从边界层扩散掺入外延层的现象边界层扩散掺入外延层的现象。l自自掺掺杂杂效效应应是是气气相相外外延延的的本本征征效效应应，不不可能完全避免。可能完全避免。.30假设1：外延层生长时外延剂中无杂质，杂质来源于自掺杂效应 假设2：衬底杂质无逸出（或认为衬底未掺杂）界面杂质叠加的数学表达式为 外延层杂质浓度分布计算.31生长指（常）数生长指（常）数l(cm(cm-1-1)由实验确定。由实验确定。l与与掺掺杂杂剂剂、化化学学反反应应、反反应应系系统统及及生生长长过过程程等等因素有关因素有关:As As比比B B和和P P更易蒸发更易蒸发;SiClSiCl4 4反反应应过过程程中中的的要要比比SiHSiH4 4的小的小;边界层越厚，边界层越厚，就越大。就越大。.322.互互扩散效应扩散效应(Outdiffusion)l互（互（外）外）扩散效应，指在衬底中的扩散效应，指在衬底中的杂质与外延层中的杂质在外延生长杂质与外延层中的杂质在外延生长时互相扩散，引起衬底与外延层界时互相扩散，引起衬底与外延层界面附近的杂质浓度缓慢变化的现象。面附近的杂质浓度缓慢变化的现象。l不是本征效应，是杂质的不是本征效应，是杂质的固相固相扩散扩散引起的效应。引起的效应。l若杂质扩散速率远小于外延生长速若杂质扩散速率远小于外延生长速率，衬底中的杂质向外延层中扩散，率，衬底中的杂质向外延层中扩散，或外延层中杂质向衬底中的扩散，或外延层中杂质向衬底中的扩散，都如同在半无限大的固体中的扩散。都如同在半无限大的固体中的扩散。l当衬底和外延层都掺杂时，外延层当衬底和外延层都掺杂时，外延层中最终杂质分布。中最终杂质分布。+对应对应n/n+（p/p+）-对应对应p/n+（n/p+）.33杂质再分布综合效果示意图杂质再分布综合效果示意图.34减小杂质再分布效应措施减小杂质再分布效应措施l降降低低外外延延温温度度，p-Si采采用用SiH2Cl2,SiHCl3；或或SiH4，但这对，但这对As的自掺杂是无效。的自掺杂是无效。l重重掺掺杂杂的的衬衬底底，用用轻轻掺掺杂杂的的硅硅来来密密封封其其底底面面和侧面，减少杂质外逸。和侧面，减少杂质外逸。l低低压压外外延延可可减减小小自自掺掺杂杂，这这对对砷砷，磷磷的的效效果果显著，对硼的作用不明显。显著，对硼的作用不明显。l用用离离子子注注入入的的埋埋层层来来降降低低衬衬底底表表面面的的杂杂质质浓浓度度。可可在在埋埋层层或或衬衬底底上上先先生生长长未未掺掺杂杂的的薄薄膜膜来避免衬底中的杂质外逸，再原位掺杂。来避免衬底中的杂质外逸，再原位掺杂。.353.2.6 外延方法外延方法l低压外延低压外延l选择外延选择外延lSOI技术技术.361.低压外延低压外延 low-pressureepitaxy l目的：减小自掺杂效应目的：减小自掺杂效应l压力：压力：1*1032*104Pal原因：原因：l低低压压气气体体扩扩散散速速率率快快，衬衬底底逸逸出出杂杂质质可可快快速速穿穿过过边边界界层层（滞留层），被排除反应室（滞留层），被排除反应室,重新进入外延层机会减小；重新进入外延层机会减小；l停止外延时，气体易清除，多层外延时缩小了过渡区，停止外延时，气体易清除，多层外延时缩小了过渡区，l温度影响温度影响压力降低，生长外延层温度下限也降低压力降低，生长外延层温度下限也降低；l问问题题：易易泄泄漏漏；基基座座与与衬衬底底间间温温差差大大；基基座座、反反应应室室在在减减压压时时放放出出吸吸附附气气体体；外外延延生生长长温温度度低低等等-外外延延层层晶晶体体完完整整性性受到一定影响。受到一定影响。.372.选择外延选择外延（Selectiveepitaxialgrowth，SEG）选选择择性性外外延延是是指指在在衬衬底底表表面面的的特特定定区区域域生生长长外外延层，而其他区域不生长外延层的外延工艺。延层，而其他区域不生长外延层的外延工艺。最最早早的的用用途途是是用用来来改改进进集集成成电电路路各各元元件件之之间间的的电隔离方法之一电隔离方法之一。根根据据硅硅在在绝绝缘缘体体上上很很难难核核化化成成膜膜的的特特性性，在在硅硅表表面面的的特特定定区区域域生生长长外外延延层层而而其其它它区区域域不不生生长长的的技技术。术。外延生长晶粒成核速度外延生长晶粒成核速度 SiO2Si3N4Si.38注意注意：窗口侧壁的生长速率不规则性导致边缘和中心生长速率差别的问题；晶面取向不同导致的生长特性差别；.39nCl或或HCl作用：作用：n 利利用用氧氧化化物物表表面面的的高高清清洁洁性性和和源源中中存存在在足足够够的的Cl或或HCl提提高高原原子子的的活活动动性性，以以抑抑制制气气相相中中和和掩掩蔽蔽层层表表面面处处成成核核；Cl，选选择择性性，因因为为HCl可可将将在在氧氧化化物物表表面面形成的小团的硅刻蚀掉；形成的小团的硅刻蚀掉；n三种类型：三种类型：以以Si为为衬衬底底，以以SiO2或或Si3N4为为掩掩膜膜，在在暴暴露露的的硅硅窗窗口口内内生生长长外外延延；或或在在暴暴露露的的硅硅窗窗口口内内生生长长外外延延，在在掩掩膜层上生长膜层上生长Poly-Si；同同样样以以Si为为衬衬底底，以以SiO2或或Si3N4为为掩掩膜膜，在在暴暴露露的的硅衬底上刻图形，再生长外延；硅衬底上刻图形，再生长外延；沟槽处外延生长。沟槽处外延生长。.403.SOI(SilicononInsulator)技术技术lSOI是指在绝缘层上异质外延硅得到的材料。是指在绝缘层上异质外延硅得到的材料。lSOI电路是电路是介质隔离介质隔离，寄生电容小寄生电容小，使得速，使得速度快、抗幅射能力强、抑制了度快、抗幅射能力强、抑制了CMOS电路的电路的闩锁。闩锁。l目前一些目前一些高速、高集成度高速、高集成度薄膜集成电路就采薄膜集成电路就采用的用的SOI材料。材料。.41lSOI的的结结构构特特点点是是在在有有源源层层和和衬衬底底层层之之间间插插入入埋氧层来隔断二者的电连接。埋氧层来隔断二者的电连接。lSOI和和体体硅硅在在电电路路结结构构上上的的主主要要差差别别在在于于：硅硅基基器器件件或或电电路路制制作作在在外外延延层层上上，器器件件和和衬衬底底直直接接产产生生电电连连接接，高高低低压压单单元元之之间间、有有源源层层和和衬衬底底层层之之间间的的隔隔离离通通过过反反偏偏PN结结完完成成，而而SOI电电路路的的有有源源层层、衬衬底底、高高低低压压单单元元之之间间都都通通过过绝绝缘缘层层完完全全隔隔开开，各各部部分分的的电电气气连连接接被被完全消除。完全消除。.423.3.分子束外延分子束外延l分子束外延（molecular beam epitaxy,MBE）是一种物理汽相外延工艺，多用于外延层薄、杂质分布复杂的多层硅外延，也用于-族、-族化合物半导体及合金、多种金属和氧化物单晶薄膜的外延生长。.433.其它外延其它外延l3.1液相外延液相外延l3.2固相外延固相外延l3.4.3 先进外延技术及发展趋势先进外延技术及发展趋势.44l液液相相外外延延是是利利用用溶溶液液的的饱饱和和溶溶解解度度随随温温度度的的降降低低而而下下降降，通通过过降降温温使使所所需需外外延延材材料料溶溶液液结晶析出在衬底上进行外延的方法。结晶析出在衬底上进行外延的方法。l硅硅的的液液相相外外延延是是采采用用低低熔熔点点金金属属作作为为溶溶剂剂，常用的溶剂有常用的溶剂有锡、铋、铅及其合金锡、铋、铅及其合金等。等。l硅硅的的液液相相外外延延是是将将硅硅溶溶入入锡锡中中，在在949时时溶溶液液饱饱和和，当当降降低低温温度度10-30时时溶溶液液过过饱饱和和，硅析出，在单晶硅衬底上生长出外延层。硅析出，在单晶硅衬底上生长出外延层。3.4.1 液相外延液相外延liquidphaseepitaxy,LPE.453.4.2 固相外延固相外延solid phase epitaxy,SPE l固相外延固相外延(solid phase epitaxy,SPE)是将晶体衬底上的非晶（或多晶）薄膜是将晶体衬底上的非晶（或多晶）薄膜（或区域）在高温下退火，使其转化为（或区域）在高温下退火，使其转化为单晶单晶l离子注入时，损伤造成的非晶区和非晶离子注入时，损伤造成的非晶区和非晶层经退火晶化过程就是固相外延。层经退火晶化过程就是固相外延。lSPE工艺的关键是工艺的关键是工艺温度和保温时间工艺温度和保温时间。.463.4.3 先进外延技术及发展趋势先进外延技术及发展趋势1.超高真空化学汽相淀积超高真空化学汽相淀积l1986年年由由IBM提提出出，生生长长室室气气压压可可达达10-7 Pa，源源SiH4，衬衬底底为为晶晶格格完完好好的的单单晶晶硅硅，在在600750之间，甚至更低温度淀积薄膜为单晶硅。之间，甚至更低温度淀积薄膜为单晶硅。l优势：优势：工艺温度低工艺温度低，制备杂质陡变分布的薄外延层；，制备杂质陡变分布的薄外延层；真空度高真空度高，减少了残余气体带来的污染；，减少了残余气体带来的污染；设备操作维护比较简单，易于实现设备操作维护比较简单，易于实现批量生产批量生产。l广泛应用于产业界广泛应用于产业界.47例：例：GaAs/Si外延外延l当当前前较较成成熟熟的的方方法法是是直直接接生生长长法法，两步两步MBE外延工艺过程：外延工艺过程：lAs气氛中，约气氛中，约900热处理；热处理；l一一步步生生长长，150-400是是生生长长厚厚约约20nm的非晶的非晶GaAs缓冲层；缓冲层；l二二 步步 生生 长长 是是 单单 晶晶 生生 长长，450-600在在此此期期间间一一步步生生长长的的非非晶晶也转化为单晶也转化为单晶T/t/min一步一步二步二步预处理预处理GaAs/Si外延工艺外延工艺2.金属有机物汽相外延金属有机物汽相外延Metal organic vapor phase epitaxy（金属有机物化学气相淀积金属有机物化学气相淀积MOCVD）主要制备化合物半导体单晶薄膜主要制备化合物半导体单晶薄膜.483.5 外延层缺陷及检测外延层缺陷及检测 外外延延层层质质量量直直接接关关系系到到做做在在其其上上面面的的各各种种器器件件的的性性能能，所所以以应应检检测测、分分析析外外延延层层缺缺陷及产生原因，并对外延层特征量进行测试：陷及产生原因，并对外延层特征量进行测试：l外延层缺陷分析外延层缺陷分析l图形漂移和畸变图形漂移和畸变l层错法测外延层厚度层错法测外延层厚度l检测内容检测内容l电阻率测量电阻率测量.493.5.1 外延层缺陷分析l外延层中的缺陷有外延层中的缺陷有表面缺陷表面缺陷和和内部晶格结构内部晶格结构缺陷缺陷（体内缺陷）。通常体内缺陷会显现在（体内缺陷）。通常体内缺陷会显现在表面。表面。l表面缺陷：云雾状表面、角锥体、表面突起、划表面缺陷：云雾状表面、角锥体、表面突起、划痕、星状体、麻坑等。痕、星状体、麻坑等。l体内缺陷：体内缺陷：层错层错 位错位错划痕线缺陷外延层外延层（111）衬底）衬底点缺陷角锥体层错.50雾状表面缺陷雾状表面缺陷雾圈雾圈白雾白雾残迹残迹花雾花雾雾圈雾圈白雾白雾残迹残迹花雾花雾.51角锥体l星形线（滑移线）星形线（滑移线）划痕：由机械损伤引起划痕：由机械损伤引起.52层错层错（堆积层错）它是外延层中最常见的内部缺陷，层错本身是一种面缺陷，是由原子排列次序发生错乱所引起的。.53层错法测外延层厚度层错法测外延层厚度l层层错错源源于于界界面面的的图图形形大大于于源源于于外外延延层层内内部部的的，要要选选择择大大的的图图形形。不不能能选选择择靠靠近近外外延延层层边边缘缘的的图形。图形。l化化学学腐腐蚀蚀后后，外外延延层层要要减减薄薄一一定定厚厚度度，在在腐腐蚀蚀时时只只要要能能显显示示图图形形就就可可以以，时时间间不不应应过过长长。计计算算厚厚度度时时，应应考考虑虑腐腐蚀蚀对厚度的影响。对厚度的影响。lTl外延层外延层衬底衬底（111）方向硅的层错形状方向硅的层错形状.543.5.2 图形漂移和畸变图形漂移和畸变 Si各各向向异异性性是是出出现现漂漂移移和畸变的主要原因：和畸变的主要原因：l T漂移漂移；G 漂移漂移l低压外延，低压外延，P 漂移漂移l(100)晶晶片片，图图形形漂漂移移最最小小。对对于于(111)晶晶片片取取向向25，影影响响最最小。小。.553.5.3 检测内容检测内容l镜检镜检l晶格完好性晶格完好性l电阻率均匀性电阻率均匀性l掺杂浓度、分布是否满足要求掺杂浓度、分布是否满足要求.561.扩展电阻法测电阻率扩展电阻法测电阻率l扩展电阻法，可测量微区的电阻率或电阻扩展电阻法，可测量微区的电阻率或电阻率分布率分布l其他测电阻率方法：四探针法，其他测电阻率方法：四探针法，C-V法法.57 金属探针嵌入金属探针嵌入一个半无限均匀的一个半无限均匀的半导体，半导体和半导体，半导体和金属电阻率相差几金属电阻率相差几个数量级，欧姆接个数量级，欧姆接触，接触点电流呈触，接触点电流呈辐射状扩展，沿径辐射状扩展，沿径向电阻是不等的，向电阻是不等的，接触电阻接触电阻R称为扩称为扩展电阻。展电阻。.58l扩扩展展电电阻阻主主要要集集中中在在接接触触点附近的半导体中。点附近的半导体中。l实实际际上上金金/半半接接触触两两者者功功函函数数有有差差别别，存存在在接接触触势势垒垒，势势垒垒高高度度与与温温度度、探探针针材材料料、探探针针压压力力、半半导导体体表表面状态等因素有关。面状态等因素有关。l具体测量，应保证：具体测量，应保证：零偏电阻零偏电阻扩展电阻扩展电阻.59 硅外延材料技术规范 序号特征参数测试方法1外延层掺杂剂P,P+:BoronN,N+:Phosphorus,Arsine2外延层晶向,3外延层电阻率外延炉外延炉直径直径类型类型外延片电阻率外延片电阻率均匀性均匀性ASTMF723F1392批式批式100mm125mm150mmP/P+;N/N+N/N+,N/N+/N+N/P/P;P/N/N+410-3（P:110-2）-3ohm.cm3%3-30ohm.cm5%30-1000ohm.cm8%单片单片150mm200mmP/P+;N/N+N/N+/N+0.3-3ohm.cm2%3-30ohm.cm4%4外延层厚度外延炉外延炉直径直径类型类型外延片厚度外延片厚度均匀性均匀性FTIRASTMF95批式批式100mm125mm150mmP/P+;N/N+N/N+,N/N+/N+N/P/P;P/N/N+3-100m3%单片单片150mm200mmP/P+;N/N+N/N+/N+0.1-20m2%5堆垛层错密度性10/cm2ASTMF18106滑移线总长5条，总长度1/2圆片直径ASTMF1725F17267表面雾、划伤、凹坑、桔皮、裂纹、鸦爪、崩边、异物、背面沾污无ASTMF5238冠状边缘表面上凸起物高度不超过1/3延层厚度9点缺陷SEMI标准ASTMF523.60本章重点本章重点l硅气相外延原理与工艺硅气相外延原理与工艺l外延层中杂质再分布外延层中杂质再分布lMBE特点、异质外延特点、异质外延l外延层缺陷外延层缺陷.61作业作业1.1.解释名词：自掺杂解释名词：自掺杂 外扩散外扩散 SOS SOS技术技术 SOI SOI技术技术2.2.详述影响硅外延生长速率的因素。详述影响硅外延生长速率的因素。3.3.用用外外延延生生长长的的过过程程解解释释高高温温区区、低低温温区区温温度度与与生长速度的关系。生长速度的关系。4.4.解解释释以以SiClSiCl4 4为为原原料料的的硅硅外外延延为为什什么么随随SiClSiCl4 4浓浓度的增加会出现负的生长速率？度的增加会出现负的生长速率？5.5.解释为什么使用外延生长难以得到突变结？解释为什么使用外延生长难以得到突变结？.