1、2023-1-18第8章IC工艺晶体外延生长技术第第8章章IC工艺晶体外延生工艺晶体外延生长技术长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术第四单元：薄膜技术第四单元：薄膜技术第第8章：章：晶体外延生长技术晶体外延生长技术第第9章：薄膜物理淀积技术章：薄膜物理淀积技术第第10章：薄膜化学汽相淀积章：薄膜化学汽相淀积第8章IC工艺晶体外延生长技术第第8章：章：晶体外延生长技术晶体外延生长技术 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Chapter 14 第8章IC工艺晶体外延生长技术第8章I
2、C工艺晶体外延生长技术第8章IC工艺晶体外延生长技术 8.1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 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第8章IC工艺晶体外延生长技术在在(111)面上生长面上生长,稳定的是双层面稳定的是双层面,位位置置7、8、9比位置比位置1、2、3、4稳定稳定第8章IC工艺晶体外延生长技
3、术在一定的衬底温度在一定的衬底温度下，下，1、2、3、4位位的原子很容易扩散的原子很容易扩散（游离）到（游离）到7、8、9相应的位置，使生相应的位置，使生长迅速在横向扩展。长迅速在横向扩展。即，可看成是多成即，可看成是多成核中心的二维生长。核中心的二维生长。如：如：1200C时时V（111）几百埃几百埃/分分V（112）几百微米几百微米/分分第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 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
4、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SubstrateContinuous film 8)By-product removal 1)Mass transport of reactantsBy-products 2)Film precursor reactions 3)Diffusion of gas molecules 4)Adsorptio
5、n of precursors 5)Precursor diffusion into substrate 6)Surface reactions 7)Desorption of byproductsExhaustGas delivery第8章IC工艺晶体外延生长技术因而在反应剂浓度较小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 1）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 2）生长
6、速率与外延温度的关系 对于SiCl4，Ea1.9eV SiH4，Ea 1.6eV DG0：0.11cm2s-1 a：1.752第8章IC工艺晶体外延生长技术 在较高温度下：kShG质量转移控制 在较低温度下：kSv(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 8.1.3 外延堆垛层错 CCAAAAAAAAAAAAACC BBBCCCCCCCCCCCCCBBB AAABBBBBBBBBBBAAAAA CCCAAAAAAAAACCCCC BBBBCCCCCCCCCBBBBB AAAAABBBBBBBAAAAAA CCCCCCAAAAA
7、CCCCCCC BBBBBBBBCCCBBBBBBBB AAAAAAAABAAAAAAAAA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 8.2（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
8、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Silicon Vapor Phase Epitaxy ReactorsExhaustExhaustExhaustRF heatingRF heatingGas inletGas inletHorizontal reactorBarrel reactorVertical reactor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
9、8章IC工艺晶体外延生长技术 1）衬底杂质的再分布N1（见page 228）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 3）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红
10、外干涉法 IR（Infrared）Reflection，（coherence）Page 369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(Page 367)对策：晶向偏25,含Cl,(100)第8章IC工艺晶体外延生长技术 8.3 GaAs外延生长工艺 1）汽相外延(369371)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 2）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 8.4异质结问题(370372)晶格失配对策：衬底材料的晶向、过度
11、层第8章IC工艺晶体外延生长技术 缺陷控制和掺杂问题缺陷控制和掺杂问题对策：催化、过度层；新技术；对策：催化、过度层；新技术；主流技术：气相外延主流技术：气相外延第8章IC工艺晶体外延生长技术一种一种GeSiGeSi量子点量子点第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 8.5 先进外延生技术 1）MBE（molecular beam epitaxy)第8章IC工艺晶体外延生长技术配以RHEED、Auger（AES）进行原位监测；是一超高真空（UHV）系统（10-12 10-6 Torr）；衬底温度低500C精度高，但生精度高，但生长速率低，成长速率低，成本高本高第8章IC工
12、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 2)MOVPE(Metal-organic vapor phase epitaxy)金属氧化物分解(375380)如：三甲基铟、镓（、）三乙基铟（）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
13、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第8章IC工艺晶体外延生长技术 3)SOI(Silicon on Insulators)*SOS（Silicon on Sapphire)是一种异质外延，通常Sapphire的晶向选为（0112）、（1012）、（1102）等 *SIMOX(Separation by Implanted Oxygen)目前已经较广泛应用第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*Wafe
14、r Bonding（Smart Cut）To form gas void layer对于对于Si低温600C；高质量薄外延层0.2m表面粗糙度2均匀性5%（200mm）金属污染5x1010/cm3第8章IC工艺晶体外延生长技术 选择性外延(SEG)14.6第8章IC工艺晶体外延生长技术Epi-layer Formation during Plasma-Based PECVD reactorContinuous film 8)By-product removal 1)Reactants enter chamberSubstrate 2)Dissociation of reactants by electric fields 3)Film precursors are formed 4)Adsorption of precursors 5)Precursor diffusion into substrate 6)Surface reactions 7)Desorption of by-productsExhaustGas deliveryRF generatorBy-productsElectrodeElectrodeRF field第8章IC工艺晶体外延生长技术2023-1-18第8章IC工艺晶体外延生长技术
