chap7外延.ppt

1Chap7 Chap7 外延外延定义定义:外延外延(epitaxy)是在单晶衬底上生长一层是在单晶衬底上生长一层单晶膜的技术。它是在低于晶体熔点的温单晶膜的技术。它是在低于晶体熔点的温度下，在表面经过细致加工的衬底上沿着度下，在表面经过细致加工的衬底上沿着原来的结晶轴方向，生长一层导电类型、原来的结晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。求的新单晶层的过程。新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称为外延层。为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。长了外延层的衬底称为外延片。2按材料异同分类：按材料异同分类：n同质结：生长的外延层与衬底材料相同。同质结：生长的外延层与衬底材料相同。如如Si-Sin异质结：外延层在结构、性质与衬底材异质结：外延层在结构、性质与衬底材料不同。如在蓝宝石上外延硅，在硅上料不同。如在蓝宝石上外延硅，在硅上外延砷化镓等等。外延砷化镓等等。GaAs-AlxGa(1-x)As3n外延的种类可以分为外延的种类可以分为正外延正外延和和反外延反外延。在低阻衬底上生长高阻外延层称为正外延。在低阻衬底上生长高阻外延层称为正外延。如高频大功率管是在如高频大功率管是在N+单晶衬底上生长单晶衬底上生长N型外延层。型外延层。n反外延是在高阻衬底上生长低阻外延层，反外延是在高阻衬底上生长低阻外延层，半导体器件直接制造在高阻上，如介质隔半导体器件直接制造在高阻上，如介质隔离的集成电路中的多晶硅外延生长。离的集成电路中的多晶硅外延生长。4CVD:ChemicalVaporDepositionn外延方法分类外延方法分类:n气相外延气相外延(VPE)常用常用液相外延液相外延(LPE).固相外延固相外延(SPE)熔融再结晶熔融再结晶.分子束外延分子束外延(MBE)超薄超薄化学气相淀积化学气相淀积(CVD)-低温低温,非晶非晶5为什么要用外延法（外延法优点）：为什么要用外延法（外延法优点）：n给设计者提供了一种有别于扩散或离子注入的可以控给设计者提供了一种有别于扩散或离子注入的可以控制器件结构中杂质浓度分布的方法。因为不存在杂质制器件结构中杂质浓度分布的方法。因为不存在杂质相互补偿，可在衬底与外延层间形成接近突变相互补偿，可在衬底与外延层间形成接近突变pn结结n外延层的性能在某些方面优于体材料，如不含氧和碳外延层的性能在某些方面优于体材料，如不含氧和碳等杂质。等杂质。n在低阻衬底上能外延一层高阻单晶层，这样在高阻层在低阻衬底上能外延一层高阻单晶层，这样在高阻层上制作的器件可以通知得到高集电极反向击穿电压和上制作的器件可以通知得到高集电极反向击穿电压和低集电极串联电阻。可以控制在极薄范围，又可以提低集电极串联电阻。可以控制在极薄范围，又可以提高开关速度。高开关速度。n外延片在厚度、电阻率、均匀性、晶体结构等方面可外延片在厚度、电阻率、均匀性、晶体结构等方面可以较好的控制，提高半导体器件的稳定性和可靠性。以较好的控制，提高半导体器件的稳定性和可靠性。n利用外延技术可以选择性地生长单晶和隔离中的二氧利用外延技术可以选择性地生长单晶和隔离中的二氧化硅即多晶硅等，为集成电路的发展创造了有利条件。化硅即多晶硅等，为集成电路的发展创造了有利条件。6外延的用途：外延的用途：n双极电路：双极电路：n利用利用n/n+硅外延，将双极型高频功率晶体硅外延，将双极型高频功率晶体管制作在管制作在n型外延层内，型外延层内，n+硅用作机械支撑层硅用作机械支撑层和导电层，降低了集电极的串联电阻。和导电层，降低了集电极的串联电阻。n采用采用n/p外延片，通过简单的外延片，通过简单的p型杂质隔离型杂质隔离扩散，便能实现双极集成电路元器件间的隔离。扩散，便能实现双极集成电路元器件间的隔离。n外延层和衬底中不同类型的掺杂形成的外延层和衬底中不同类型的掺杂形成的p-n结，它不是通过杂质补偿作用形成的，其杂结，它不是通过杂质补偿作用形成的，其杂质分布可接近理想的突变结。质分布可接近理想的突变结。7外延改善外延改善NMOS存储器电路特性存储器电路特性n(1)提高器件的抗提高器件的抗软误差软误差能力能力n(2)采采用用低低阻阻上上外外延延高高阻阻层层，可可降降低低源源、漏漏n+区区耗耗尽尽层层寄寄生生电电容容，并并提提高高器器件件对对衬衬底底中中杂杂散散电电荷噪声的抗扰度荷噪声的抗扰度n(3)硅硅外外延延片片可可提提供供比比体体硅硅高高的的载载流流子子寿寿命命，使使半导体存储器的电荷保持性能提高。半导体存储器的电荷保持性能提高。8软误差软误差n 从从封封装装材材料料中中辐辐射射出出的的粒粒子子进进入入衬衬底底产产生生大大量量(约约10106 6量量级级)电电子子-空空穴穴对对，在在低低掺掺杂杂MOSMOS衬衬底底中中，电电子子-空空穴穴对对可可以以扩扩散散5050mm，易易受受电电场场作作用用进进入入有有源源区区，引引起起器器件件误误动动作作，这这就就是是软误差软误差。n采采用用低低阻阻衬衬底底上上外外延延高高阻阻层层的的外外延延片片，则则电电子子-空空穴穴对对先先进进入入衬衬底底低低阻阻层层，其其扩扩散散长长度度仅仅1m，易易被被复复合合，它它使使软软误误差差率率减减少少到到原原来来的的1/10。9nCMOS电路采用外延片可使电路的寄生电路采用外延片可使电路的寄生闸流管效应有数量级的改善。闸流管效应有数量级的改善。Latch-up10器件微型化器件微型化：n提提高高器器件件的的性性能能和和集集成成度度要要求求按按比比例例缩缩小小器器件件的的横横向向和和纵纵向向尺尺寸寸。其其中中，外外延延层层厚厚和和掺掺杂杂浓浓度度的的控控制制是是纵纵向向微微细细加加工工的的重重要要组组成成部部分分；薄薄层层外外延延能能使使p-np-n结结隔隔离离或或氧氧化化物物隔隔离离的的横横向向扩扩展展尺尺寸寸大大为为减减小。小。11工艺多样化工艺多样化：n具有相反导电类型的外延层，在器件工艺中可具有相反导电类型的外延层，在器件工艺中可形成结和隔离区；形成结和隔离区；n薄层外延供器件发展等平面隔离和高速电路；薄层外延供器件发展等平面隔离和高速电路；n选选择择外外延延可可取取代代等等平平面面隔隔离离工工艺艺来来发发展展平平面面隔隔离；离；n绝绝缘缘衬衬底底上上的的多多层层外外延延工工艺艺可可以以发发展展三三维维空空间间电路电路127.1 7.1 硅气相外延工艺的基本原理硅气相外延工艺的基本原理系统示意图系统示意图13一、硅源一、硅源四种：四氯化硅，三氯硅烷四种：四氯化硅，三氯硅烷(TCS)(TCS)，二氯硅烷，二氯硅烷(DCS)(DCS)，硅烷硅烷二、外延的步骤：二、外延的步骤：6 6步。步。1 1、反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层表面；、反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层表面；2 2、反应剂分子被生产层表面吸附；、反应剂分子被生产层表面吸附；3 3、被吸附的反应剂分子在生长层表面完成化学反应，、被吸附的反应剂分子在生长层表面完成化学反应，产生硅原子及其他副产物；产生硅原子及其他副产物；4 4、副产物从表面解吸；副产物从表面解吸；5 5、解吸的副产物以扩散方式转移到气相，随主气流解吸的副产物以扩散方式转移到气相，随主气流排出反应室外；排出反应室外；6 6、反应生成的硅原子定位于晶格点阵，形成单晶外反应生成的硅原子定位于晶格点阵，形成单晶外延层。延层。14 外延生长速率与扩散、吸附外延生长速率与扩散、吸附/解吸、化学反应解吸、化学反应三者的速率有关，并受速率慢的控制。对于常压三者的速率有关，并受速率慢的控制。对于常压外延来说，吸附外延来说，吸附/解吸速率相对于扩散和化学反应解吸速率相对于扩散和化学反应速率要快得多，因而，生长速率主要取决于扩散速率要快得多，因而，生长速率主要取决于扩散和化学反应。和化学反应。三、外延薄膜的生长模型三、外延薄膜的生长模型 高温低生长速率，易生长单晶；低温高生长速高温低生长速率，易生长单晶；低温高生长速率，易生长多晶。率，易生长多晶。四、化学反应过程四、化学反应过程n氢还原反应氢还原反应n硅烷热分解硅烷热分解 15五、五、生长速率生长速率影响外延生长速率的主要因素影响外延生长速率的主要因素：n反应剂浓度反应剂浓度16u温度：温度：B区高温区（常选用），区高温区（常选用），A区低温区区低温区17u气体流速气体流速:气体流速大生长加快，当气体流量大气体流速大生长加快，当气体流量大到一定程度时，基本不变。到一定程度时，基本不变。18n衬底晶向：不同晶面的键密度不同，键合能力不同，对生长速率就会有影响。硅的（111）晶面的双层原子面间的共价键密度最小，键合能力差，外延层生长速率慢，而（110）面之间的原子键密度大，键合能力强，外延层生长速率就相对快。19n生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有关向有关矩形腔的均匀性较圆形腔好。晶面间的共价矩形腔的均匀性较圆形腔好。晶面间的共价键数目越多，生长速率越慢。键数目越多，生长速率越慢。等气压线207.2外延层中的杂质分布外延层中的杂质分布n1.1.掺杂原理掺杂原理n2.2.扩散效应：衬底中的杂质与外延层中的杂扩散效应：衬底中的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面附近质在外延生长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。的杂质浓度缓慢变化的现象。n3.3.自掺杂效应：自掺杂效应：在外延生长过程中，衬底和在外延生长过程中，衬底和外延层中的杂质因蒸发、或者化学反应的副产物对衬外延层中的杂质因蒸发、或者化学反应的副产物对衬底或外延层的腐蚀，都会使衬底和（或）外延层中的底或外延层的腐蚀，都会使衬底和（或）外延层中的杂质进入到边界层中，改变了边界层中的掺杂成分和杂质进入到边界层中，改变了边界层中的掺杂成分和浓度，从而导致了外延层中的实际分布偏离理想情况，浓度，从而导致了外延层中的实际分布偏离理想情况，这种现象称为自掺杂效应。这种现象称为自掺杂效应。n采取采取7 7项措施减小自掺杂效应的影响项措施减小自掺杂效应的影响。2024/2/24周六21外延中的掺杂外延中的掺杂掺杂剂掺杂剂氢氢化化物物:PH3，AsH3，BBr3，B2H6氯氯化物化物:POCl3，AsCl322在外延层的电阻率还会受到下列三种因素在外延层的电阻率还会受到下列三种因素的干扰的干扰u重重掺掺杂杂衬衬底底中中的的大大量量杂杂质质通通过过热热扩扩散散方方式式进进入外延层，称为入外延层，称为杂质外扩散杂质外扩散。u衬衬底底中中的的杂杂质质因因挥挥发发等等而而进进入入气气流流，然然后后重重新返回外延层，称为新返回外延层，称为气相自掺杂气相自掺杂。u气气源源或或外外延延系系统统中中的的污污染染杂杂质质进进入入外外延延，称称为为系统污染系统污染。23同型杂质同型杂质异型杂质异型杂质247.3低压外延低压外延在低压情况下，分子密度变稀，分子平均自由程增大，在低压情况下，分子密度变稀，分子平均自由程增大，杂质的扩散速度加快从而降低了自掺杂效应对外延层中杂杂质的扩散速度加快从而降低了自掺杂效应对外延层中杂质浓度和分布的影响，因而可以得到陡峭的杂质分布；缩质浓度和分布的影响，因而可以得到陡峭的杂质分布；缩小了外延层之间的过度区，并能改善电阻率的均匀性，减小了外延层之间的过度区，并能改善电阻率的均匀性，减少埋层图形的漂移和畸变；另外，对衬底产生腐蚀时的硅少埋层图形的漂移和畸变；另外，对衬底产生腐蚀时的硅源临界浓度不常压外延高。源临界浓度不常压外延高。降低自掺杂效应对外延层中杂质浓度和分布的影响降低自掺杂效应对外延层中杂质浓度和分布的影响1 1、压力的影响、压力的影响 压力降低压力降低-生产速率下降，可通过调整硅源浓度来提高生产速率下降，可通过调整硅源浓度来提高生长速率。生长速率。2 2、温度的影响、温度的影响 生长速率随温度升高而增加，当增加到某个值时，生长生长速率随温度升高而增加，当增加到某个值时，生长速率便不再随温度上升而变化。速率便不再随温度上升而变化。257.4 7.4 选择外延选择外延n1.1.SEGSEG：利用外延生长的基本原理，以及硅利用外延生长的基本原理，以及硅在绝缘体上很难核化成膜的特性，在硅表面的在绝缘体上很难核化成膜的特性，在硅表面的特定区域生长外延层而其他区域不生长的技术。特定区域生长外延层而其他区域不生长的技术。n2.2.三种类型三种类型n分别掌握其特点，应用，适合的硅源。分别掌握其特点，应用，适合的硅源。n3.3.横向超速外延（横向超速外延（ELOELO）n当选择外延生长的薄膜超过当选择外延生长的薄膜超过SiOSiO2 2的台阶高度时，的台阶高度时，外延不但垂直生长，而且也沿横向生长。外延不但垂直生长，而且也沿横向生长。267.5 7.5 硅烷热分解法外延硅烷热分解法外延n1 1、硅硅烷烷是是目目前前一一种种常常用用的的汽汽相相外外延延反反应应剂剂。在在一一定定温温度度下下直直接接进进行行热热分分解解反反应应，释释放放出出硅硅，淀积到衬底表面上，生成外延层。淀积到衬底表面上，生成外延层。n2 2、优优点点:没没有有卤卤化化物物产产生生，所所以以不不存存在在反反向向腐腐蚀蚀，在在低低温温下下完完成成，在在600以以上上的的温温度度便便可可以以发发生生分分解解反反应应。减减弱弱了了自自掺掺杂杂效效应应和和扩扩散散效效应应，有有能能提提高高外外延延层层电电阻阻率率的的均均匀匀性性，有有利利于于薄薄层层外外延延生生长长，可可以以精精确确控控制制流流量量，所所以以外外延延生长的重复性很好。生长的重复性很好。27n3 3、热分解过程、热分解过程3 3个阶段个阶段n4 4、生生长长过过程程同同样样受受质质量量输输运运控控制制和和表表面面化化学学反应控制两种情况的控制。反应控制两种情况的控制。n5 5、生长速率与温度、生长速率与温度、SiHSiH4 4浓度的关系浓度的关系n6.6.存存在在问问题题：SiH4可可以以在在气气相相中中自自行行分分解解；同同其其他他氯氯的的硅硅化化物物相相比比，SiH4非非常常容容易易形形成成硅硅粉粉；其其缺缺陷陷密密度度常常常常比比SiCl4氢氢还还原原法法外外延延高高；对对反应系统要求高。反应系统要求高。n7 7、主要应用举例、主要应用举例287.6 7.6 SOSSOS技术技术n1 1、SOISOI：Silicon Silicon on on InsulatorInsulator，在在绝绝缘缘衬衬底底上上进进行行硅的异质外延。硅的异质外延。n SOSSOS：silicon silicon on on sapphire(spinel)sapphire(spinel)，在在蓝蓝宝宝石石或或尖晶石的衬底上进行硅的外延。尖晶石的衬底上进行硅的外延。n2 2、SOISOI技术的优点：技术的优点：n寄生电容小，寄生电容小，从而对高束和高度集成的电路特别有从而对高束和高度集成的电路特别有利。利。n提高了器件的抗辐射能力提高了器件的抗辐射能力n抑制了抑制了CMOS电路的闩锁效应电路的闩锁效应nSOI工艺比体硅工艺比体硅CMOS工艺简单还能排除某些工艺简单，还能排除某些在体硅在体硅CMOS中存在的危害成品率的因素。中存在的危害成品率的因素。n3 3、异质外延衬底材料的选择、异质外延衬底材料的选择n4 4、SOSSOS工艺存在问题以及改进方法工艺存在问题以及改进方法297.7分子束外延分子束外延n1 1、分子束（、分子束（MBEMBE）Molecular Beam EpitaxyMolecular Beam Epitaxyn分分子子束束外外延延是是一一种种在在超超高高真真空空下下的的蒸蒸发发技技术术。它它是是利利用用蒸蒸发发提提供供的的定定向向分分子子束束或或原原子子束束，撞撞击击到到清清洁洁的衬底表面上生成外延层的工艺过程的衬底表面上生成外延层的工艺过程。n2 2、原理原理n3 3、应用、应用n4 4、MBEMBE设备的特点设备的特点n5 5、基本工作条件、基本工作条件n6 6、优点：共五点、优点：共五点n7 7、获得纯净衬底表面工艺的方法：主要有三种、获得纯净衬底表面工艺的方法：主要有三种30外延层中的缺陷与检测外延层中的缺陷与检测1.缺陷种类缺陷种类:a.存在与衬底中并连续延伸到外延层中的存在与衬底中并连续延伸到外延层中的位错位错b.衬底表面的析出杂质或残留的氧化物，吸附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的碳氧化物导致的层错层错；c.外延工艺引起的外延层中析出外延工艺引起的外延层中析出杂质杂质；d.与工艺或与表面加工与工艺或与表面加工(抛光面划痕、损伤抛光面划痕、损伤),碳沾污等有关，形成的表面碳沾污等有关，形成的表面锥体缺陷锥体缺陷(如角锥如角锥体、圆锥体、三棱锥体、小丘体、圆锥体、三棱锥体、小丘)；e.衬底衬底堆垛层错堆垛层错的延伸的延伸;7.8 7.8 层错、图形漂移及利用层层错、图形漂移及利用层错法测量厚度错法测量厚度313233342.埋层图形的漂移与畸变埋层图形的漂移与畸变35漂移规律漂移规律n111面上严重面上严重,偏离偏离24度度,漂移显著减漂移显著减小小,常用偏离常用偏离3度度.n外延层越厚外延层越厚,偏移越大偏移越大n温度越高温度越高,偏移越小偏移越小n生长速率越小生长速率越小,偏移越小偏移越小nSiCl4SiH2Cl2SiH4硅生长硅生长-腐蚀速率的各向异型是发生漂移腐蚀速率的各向异型是发生漂移的根本原因的根本原因.367.9 7.9 外延层电阻率的测量外延层电阻率的测量n1.测量方法测量方法n2.2.扩展电阻法特点扩展电阻法特点n3.3.扩展电阻法测量原理扩展电阻法测量原理377.10外延层质量控制及外延层的测外延层质量控制及外延层的测量量n一、外延层质量控制一、外延层质量控制n1 1晶格完整性晶格完整性n2.2.膜厚的均匀性膜厚的均匀性n3.3.掺杂浓度的控制掺杂浓度的控制n4.4.埋层图形的漂移和畸变埋层图形的漂移和畸变38二、外延层参数测量二、外延层参数测量39n1.电阻率的测量电阻率的测量n 是外延层的重要参数。是外延层的重要参数。n2.2.厚度测量厚度测量n 外外延延层层的的厚厚度度及及其其均均匀匀性性对对外外延延层层质质量量来来说十分重要，也是每次必测的参数之一。说十分重要，也是每次必测的参数之一。n3.3.位错和层错密度的测量位错和层错密度的测量n 测测量量位位错错的的方方法法有有X X光光衍衍射射、电电子子显显微微镜镜和和红红外外透透射射等等等等。实实际际生生产产中中常常用用化化学学腐腐蚀蚀金金相相法法。层层错错密密度度的的测测量量与与位位错错密密度度相相同同，不不同同的是时间要短些。的是时间要短些。n4.4.高阻夹层的检验高阻夹层的检验40n三、外延三、外延层质层质量量讨论讨论n主要主要讨论讨论三个方向：三个方向：电电阻率分布、厚度的均匀阻率分布、厚度的均匀性、外延性、外延层层的缺陷。的缺陷。n1 1、电电阻率分布阻率分布n所所谓谓的的电电阻率均匀性就是指同一炉的硅片、不阻率均匀性就是指同一炉的硅片、不同的片，甚至同一片上，其同的片，甚至同一片上，其电电阻率分布是不均阻率分布是不均匀的。匀的。n(1)(1)纵纵向分布向分布n(2)(2)横向分布横向分布n 合适的加合适的加热热温度和气体流量，温度和气体流量，较较好的反好的反应应室室结结构，良好的工构，良好的工艺艺条件，有利于条件，有利于电电阻率的均阻率的均匀性。匀性。41n 2 2、厚度的均匀性、厚度的均匀性n（1 1）与时间有关）与时间有关n（2 2）与）与H H2 2流量有关流量有关n（3 3）与加热温度有关）与加热温度有关n（4 4）与）与SiClSiCl4 4浓度有关浓度有关n3 3、外延层的缺陷、外延层的缺陷n （1 1）表面缺陷）表面缺陷n (2)(2)腐蚀缺陷腐蚀缺陷#位错位错n#层错层错