1、第二章第二章 外延及外延及CVDCVD工艺工艺1 1 外延工艺外延工艺一一.外延工艺概述外延工艺概述u定义定义:外延(epitaxy)是在单晶衬底上生长一层单晶膜的技术。新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称此为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。2022-11-161CVD:Chemical Vapor Depositionu晶体结构良好u掺入的杂质浓度易控制u可形成接近突变pn结u 外延分类外延分类:气相外延(VPE)常用 液相外延(LPE).固相外延(SPE)熔融在结晶.分子束外延(MBE)超薄 化学气相淀积(CVD)-低温,非晶2022-11-162材料异同u同质结 Si-Siu异质结Ga
2、As-AlxGa(1-x)As温度：高温1000以上 低温1000以下 CVD（低温）2022-11-163二.硅气相外延工艺外延工艺1.外延原理u氢还原反应HClSiHSiClC42100024242)(SiClSiSiCl 固u硅烷热分解260042HSiSiHC2022-11-1642.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：u反应剂浓度反应剂浓度2022-11-165u温度：B区高温区（常选用），A区低温区2022-11-166u气体流速气体流速 :气体流速大生长加快气体流速大生长加快2022-11-167u生长速率还与反应腔横截面形状和衬底生长速率还与反应腔横截
3、面形状和衬底取向有关取向有关 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。等气压线2022-11-1683.3.系统与工艺流程系统与工艺流程u系统示意图2022-11-169工艺流程工艺流程.基座的基座的HCl腐蚀去硅程序腐蚀去硅程序(去除前次外去除前次外延后基座上的硅延后基座上的硅)uN2预冲洗 260L/min 4minuH2预冲洗 260L/min 5minu升温1 850C 5minu升温2 1170C 5minuHCl排空 1.3L/min 1min2022-11-1610uHCl腐蚀 10L/min 10minuH2冲洗 260L/min 1minu降温 6mi
4、nuN2冲洗2022-11-1611u 外外延延生生长长程程序序(1)N2预冲洗 260L/min 4min(2)H2预冲洗 260L/min 5min(3)升温1 850C 5min(4)升温2 1170C 6min(5)HCl排空 1.3L/min 1min(6)HCl抛光 1.3L/min 3min(7)H2冲洗(附面层)260L/min 1min(8)外延生长:H2:260L/min SiCl4:6.47g/min PH3:100PPM;0.150.18L/min T:11601190C;时间随品种而定(9)H2冲洗 1170C 1min(10)降温 6min(11)N2冲洗 4min
5、2022-11-1612三三.外延中的掺杂外延中的掺杂掺杂剂氢化物:PH3，AsH3，BBr3，B2H6氯化物:POCl3，AsCl32022-11-1613在外延层的电阻率还会受到下列三种因素的干扰重掺杂衬底重的大量杂质通过热扩散方式进入外延层，称为杂质外扩散。衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然后重新返回外延层，称为气相自掺杂。气源或外延系统中的污染杂质进入外延，称为系统污染。2022-11-1614同型杂质 异型杂质2022-11-1615四四.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位错b.衬底表面的析出杂质或残留的氧化物，吸附
6、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;2022-11-16162022-11-16172022-11-16182022-11-16192.埋层图形的漂移与畸变埋层图形的漂移与畸变2.2022-11-1620漂移规律u111面上严重,偏离24度,漂移显著减小,常用偏离3度.u外延层越厚,偏移越大u温度越高,偏移越小u生长速率越小,偏移越小uSiCl4 SiH2Cl2 SiH4硅生长-腐蚀速率的各向异型是发生漂移的根本原因.2022-11-1
7、6213.参数测量参数测量 参参数数内内容容常常用用测测量量方方法法外延层厚度磨角染色法层错法红外椭圆偏振仪法红外反射干涉法电阻率四探针法三探针法C-V法扩展电阻法少子寿命脉冲MOS电容法 杂质分布C-V法扩展电阻法微分电导和霍尔效应放射性元素示踪分析卢瑟福背散射缺陷密度光学显微镜观测自动激光扫描仪2022-11-1622五.外延的用途外延的用途u双极电路：双极电路：u利用n/n+硅外延，将双极型高频功率晶体管制作在n型外延层内，n+硅用作机械支撑层和导电层，降低了集电极的串联电阻。u采用n/p外延片，通过简单的p型杂质隔离扩散，便能实现双极集成电路元器件间的隔离。2022-11-1623u外
8、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，其杂质分布可接近理想的突变结。2022-11-1624外延改善外延改善NMOS存储器电路特性存储器电路特性u(1)提高器件的抗软误差能力u(2)采用低阻上外延高阻层，可降低源、漏n+区耗尽层寄生电容，并提高器件对衬底中杂散电荷噪声的抗扰度u(3)硅外延片可提供比体硅高的载流子寿命，使半导体存储器的电荷保持性能提高。2022-11-1625软误差从封装材料中辐射出的粒子进入衬底产生大量(约106量级)电子-空穴对，在低掺杂MOS衬底中，电子-空穴对可以扩散50m，易受电场作用进入有源区，引起器件误动作，这就是软误差。u 采用
9、低阻衬底上外延高阻层的外延片，则电子-空穴对先进入衬底低阻层，其扩散长度仅1m，易被复合，它使软误差率减少到原来的1/10。2022-11-1626uCMOS电路采用外延片可使电路采用外延片可使电路的寄生闸流管效应有数电路的寄生闸流管效应有数量级的改善。量级的改善。Latch-up2022-11-1627器件微型化：器件微型化：u 提高器件的性能和集成度要求按比例缩小器件的横向和纵向尺寸。其中，外延层厚和掺杂浓度的控制是纵向微细加工的重要组成部分；薄层外延能使p-n结隔离或氧化物隔离的横向扩展尺寸大为减小。2022-11-1628工艺多样化：工艺多样化：u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；u薄层外延供器件发展等平面隔离和高速电路；u选择外延可取代等平面隔离工艺来发展平面隔离；u绝缘衬底上的多层外延工艺可以发展三维空间电路2022-11-1629
