第七章外延精选PPT.ppt

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1、第七章外延第1页，本讲稿共39页第七章 外延(Epitaxy)n（外延）定义：在单晶衬底上，按衬底晶向生长一层新的 单晶薄膜的工艺技术。n外延层：衬底上新生长的单晶层。n外延片：生长了外延层的衬底。n应用 双极器件与电路：轻掺杂的外延层-较高的击穿电压；重掺杂的衬底降低集电区的串联电阻。CMOS电路：a.避免了闩锁效应：降低漏电流；b.避免了硅层中SiOX的淀积；c.外延Si表面损伤小。第2页，本讲稿共39页在双极晶体管（电路）中的应用n高阻的外延层可提高集电结的击穿电压n低阻的衬底（或埋层）可降低集电极的串联电阻第3页，本讲稿共39页在CMOS器件（电路）中的应用减小pnpn寄生闸流管效应降

2、低漏电流第4页，本讲稿共39页外延的基本概念n外延的分类 按工艺分类：n气相外延（VPE）：硅的主要外延工艺；n液相外延（LPE）：-化合物的外延；n固相外延（SPE）：离子注入退火过程；n分子束外延（MBE，Molecular Beam Epitaxy）第5页，本讲稿共39页 按材料分类n同质外延：外延层与衬底的材料相同，如 Si上外延Si，GaAs上外延GaAs；n异质外延：外延层与衬底的材料不相同，如 Si上外延SiGe 或 SiGe上外延Si；蓝宝石上外延Si-SOS(Silicon on Sapphire)；蓝宝石上外延GaN、SiC。按压力分类n常压外延：100kPa；n低压（减压

3、）外延：5-20kPa；第6页，本讲稿共39页7.1 硅气相外延的基本原理第7页，本讲稿共39页7.1.2 外延生长模型n生长步骤 传输：反应物从气相经边界层转移到Si表面；吸附：反应物吸附在Si表面；化学反应：在Si表面进行化学反应，得到Si及副产物 脱吸：副产物脱离吸附；逸出：脱吸的副产物从表面转移到气相，逸出反应室 加接：生成的Si原子加接到晶格点阵上；n生长特征：横向二维的层层生长，如图7.2。第8页，本讲稿共39页7.1.2 外延生长模型nA位吸附原子的几种可能性 原位不动：与其它吸附原子形成Si串或Si岛；最不稳定，因而缺陷最多；易岛状（三维）模式生长。迁移到B位：较稳定；迁移到C

4、位-扭转位置：最稳定，不易迁移；n生长模型：依靠晶体表面台阶的二维横向生长第9页，本讲稿共39页单晶Si或多晶Si的生长速率与温度n温度T：T高，有利于单晶生长；T低，有利于多晶生长。n生长速率V：V高，有利于多晶生长；V低，有利于单晶生长。n高T、低V，易单晶生长 低T、高V，易多晶生长第10页，本讲稿共39页7.1.3 化学反应H2还原SiCl4体系n生长总反应：SiCl4+2H2Si(s)+4HCl(g)n气相中间反应：SiCl4+H2SiHCl3+HCl SiCl4+H2SiCl2+2HCl SiHCl3+H2SiH2Cl2+HCl SiHCl3 SiCl2+HCl SiH2Cl2Si

5、Cl2+H2n吸附生长：SiCl2(吸附)+H2Si(s)+2HCl 或 SiCl2(吸附)Si(s)+SiCl4 n腐蚀反应：SiCl4+Si(s)2SiCl2第11页，本讲稿共39页图7.4：1200，SiCl4氢还原法卧式外延存在四种物质：SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、HCl；SiCl4浓度随离入气口的水平距离的增加而下降，其他三种相反；SiCl2是最主要的反应剂；所有反应均是可逆的：腐蚀反应在低于900，高于1400时发生；外延生长在其中间温度。第12页，本讲稿共39页7.1.4 生长速率与温度的关系n生长速率V：SiH4SiH2Cl2SiHCl3SiCl4n温度Tn低温A

6、区：反应控制，对T敏感；曲线的斜率相同，即反应的活化能相同；解释：主要是H(HCl)的解吸。n高温B区：输运控制，对T不敏感，对气流、反应室几何形状敏感；V随T有微弱增加。第13页，本讲稿共39页7.1.5 生长速率与反应剂浓度的关系nSiCl4的摩尔分数Y Y0.1，生长速率随Y降低；Y0.28，只有Si的腐蚀；n生长速率V V2m/min，多晶生长；n典型的生长条件 Y=0.005-0.01，V=0.5-1m/min。第14页，本讲稿共39页7.1.6 生长速率v与流速UnSiH4外延温度：1200，输运控制；n边界层厚度：（x）=（x/U)1/2 ；n故，v随U的增大而增加。第15页，本

7、讲稿共39页7.2 外延层的杂质分布n外延掺杂的特点：原位掺杂；n外延掺杂的优点：掺杂浓度可精确控制；突变型分布。n分布偏离：扩散效应-衬底与外延层杂质相互扩散；自掺杂效应-衬底杂质蒸发进入边界层。第16页，本讲稿共39页第17页，本讲稿共39页7.2.2 扩散效应n扩散效应：衬底杂质与外延层杂质相互扩散，导致界面处杂质再分布；n杂质扩散：满足菲克第二定律-扩散方程，即 衬底杂质分布：假定外延层本征生长，杂质浓度为 N1(x)-余误差函数 外延层杂质分布：假定衬底本征，杂质浓度为 N2(x)-余误差函数 实际再分布：N（x)=N1（x)N2（x)n“+”：n/n+(p/p+)；“-”：p/n+

8、(n/p+)第18页，本讲稿共39页第19页，本讲稿共39页7.2.3 自掺杂效应（非故意掺杂）n定义：衬底杂质及其他来源杂质非人为地掺入外延层n来源:各种气相自掺杂n衬底扩散蒸发的杂质：在外延生长的初期；n衬底背面及侧面释放的杂质；n外延生长前吸附在表面的杂质；n气相腐蚀的杂质；n其他硅片释放的杂质。n外延系统：基座、输入气体中的杂质。第20页，本讲稿共39页第21页，本讲稿共39页7.3 低压外延（5-20kPa）n低压作用：减小自掺杂效应；n优点：n杂质分布陡峭；n厚度及电阻率的均匀性改善；n外延温度随压力的降低而下降；n减少了埋层图形的畸变和漂移；第22页，本讲稿共39页7.4 选择性

9、外延（SEG）nSEG：在特定区域有选择地生长外延层；n原理：Si在SiO2或Si3N4上很难核化成膜；n选择性：特定区域；硅源。n硅源的选择性顺序：SiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH4；第23页，本讲稿共39页横向外延（ELO）7.4 选择性外延（SEG）第24页，本讲稿共39页7.6 SOI技术nSOI:Silicon on insulator第25页，本讲稿共39页SOI的两大技术n1.SIMOX（注氧隔离）技术nSIMOX：Separation by Implanted Oxygen第26页，本讲稿共39页2.Smart-cut -智能剥离技术第27页，本讲稿共39页SOI技术

10、的特点与优势n1速度高：在相同的特征尺寸下，工作速度可提高 30-40；n2功耗低：在相同的工作速度下，功耗可降低 50-60；n3集成密度高：封装密度提高约40；n4低成本：最少少用三块掩模版，减少13%-20%（30）的工序；n5耐高温环境：工作温度300-500；n6抗辐照特性好：是体硅器件的50-100倍。第28页，本讲稿共39页7.7 分子束外延（MBE）nMBE：Molecular Beam Epitaxyn原理：在超高真空下，利用薄膜组分元素受热蒸发所 形成的原子或分子束，直接射到衬底表面，形 成外延层。n应用：元素半导体Si、Ge 化合物半导体-GaAs、GaN、SiGenMB

11、E的特点：温度低；生长速度低；化学组成及掺杂浓度精确可控；厚度可精确控制到原子级；第29页，本讲稿共39页第30页，本讲稿共39页第31页，本讲稿共39页7.8 缺陷及检测（自学）n缺陷种类:a.存在于衬底中并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；第32页，本讲稿共39页第33页，本讲稿共39页 7.8.1 层错n机理：由于原子排列次序 发生错乱而产生的缺陷；n原因：衬底表

12、面的损伤、玷污、残留的氧化物；n外延温度过低、生长速度过高；掺杂剂不纯等。n位置：衬底与外延层的界面处。n影响：导致杂质的异常扩散：引起杂质分布不均匀；成为重金属杂质的淀积中心：引起p-n结的软击穿、低压击穿，甚至穿通。第34页，本讲稿共39页7.8.2 层错法测量外延层厚度第35页，本讲稿共39页7.8.3 图形漂移和畸变第36页，本讲稿共39页第37页，本讲稿共39页7.8.3 图形漂移和畸变n原因：外延生长-腐蚀速率的各向异型；n漂移规律n111面：严重；偏离25度，漂移显著减小，n常用偏离3度。n外延层越厚，偏移越大。n温度越高，偏移越小。n生长速率越小，偏移越小。n第38页，本讲稿共39页软误差n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，n电子-空穴对可以扩散50m，n易受电场作用进入有源区，n引起器件误动作，这就是软误差。n采用低阻衬底上外延高阻层的外延片，n则电子-空穴对先进入衬底低阻层，n其扩散长度仅1m，易被复合，n它使软误差率减少到原来的1/10。第39页，本讲稿共39页