纳米薄膜的外延生长.ppt

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1、第六章第六章 外延生长外延生长（Epitaxial Growth）外延生长（外延生长（Epitaxial Growth）工艺工艺 概述概述概述概述 气相外延生长的热动力学气相外延生长的热动力学气相外延生长的热动力学气相外延生长的热动力学 外延层的掺杂与缺陷外延层的掺杂与缺陷外延层的掺杂与缺陷外延层的掺杂与缺陷 硅气相外延工艺硅气相外延工艺硅气相外延工艺硅气相外延工艺 小结小结小结小结参考资料：参考资料：参考资料：参考资料：微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术微电子制造科学原理与工程技术第第第第1414章章章章（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）

2、（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）外延层外延层外延层外延层界面界面界面界面衬底衬底衬底衬底一、概述一、概述 按衬底晶相延伸生长的按衬底晶相延伸生长的按衬底晶相延伸生长的按衬底晶相延伸生长的新生单晶薄层新生单晶薄层新生单晶薄层新生单晶薄层 外延层外延层外延层外延层。长了外延层的衬底长了外延层的衬底长了外延层的衬底长了外延层的衬底 外延片外延片外延片外延片。同质外延同质外延同质外延同质外延：异质外延异质外延异质外延异质外延：掺入杂质掺入杂质掺入杂质掺入杂质可改变外延可改变外延可改变外延可改变外延 层的层的层的层的电学特

3、性电学特性电学特性电学特性。交替生长不同的外延交替生长不同的外延交替生长不同的外延交替生长不同的外延 层层层层可制作可制作可制作可制作超晶格结构超晶格结构超晶格结构超晶格结构。1 1、外延外延外延外延工艺的工艺的工艺的工艺的定义定义定义定义：在在在在单晶衬底单晶衬底单晶衬底单晶衬底上生长上生长上生长上生长单晶薄膜单晶薄膜单晶薄膜单晶薄膜的技术。的技术。的技术。的技术。2 2 2 2、外延工艺的外延工艺的外延工艺的外延工艺的分类分类分类分类：(1)(1)按材料按材料按材料按材料三种三种三种三种外延工艺外延工艺外延工艺外延工艺的示意图的示意图的示意图的示意图(2)(2)按晶格畸变程度按晶格畸变程度

4、按晶格畸变程度按晶格畸变程度a.a.气相外延工艺气相外延工艺气相外延工艺气相外延工艺（V Vporpor-P Phase hase E Epitaxypitaxy）b.b.液相外延工艺液相外延工艺液相外延工艺液相外延工艺（L Liquid-iquid-P Phase hase E Epitaxypitaxy）超高真空蒸发超高真空蒸发超高真空蒸发超高真空蒸发3 3、外延层的作用：外延层的作用：外延层的作用：外延层的作用：独立控制薄膜独立控制薄膜独立控制薄膜独立控制薄膜晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构（组分）、（组分）、（组分）、（组分）、厚度厚度厚度厚度、杂质种类及掺杂分布杂质种类及掺杂分布杂质

5、种类及掺杂分布杂质种类及掺杂分布(1)(1)双极工艺：双极工艺：双极工艺：双极工艺：器件隔离器件隔离器件隔离器件隔离、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾(2)(2)CMOSCMOS工艺：工艺：工艺：工艺：减小闩锁（减小闩锁（减小闩锁（减小闩锁（Latch-upLatch-up）效应效应效应效应(3)(3)GaAsGaAs工艺：工艺：工艺：工艺：形成特定的器件形成特定的器件形成特定的器件形成特定的器件结构层结构层结构层结构层(4)(4)其他：其他：其他：其他：制作制作制作制作发光二

6、极管发光二极管发光二极管发光二极管、量子效应器件量子效应器件量子效应器件量子效应器件等等等等d.d.其他其他其他其他：RTRTCVDCVD外延、外延、外延、外延、UHVUHVCVDCVD外延、离子束外延等等外延、离子束外延等等外延、离子束外延等等外延、离子束外延等等c.c.分子束外延分子束外延分子束外延分子束外延（MMolecular olecular B Beam eam E Epitaxypitaxy）(3)(3)按工艺原理按工艺原理按工艺原理按工艺原理二、气相外延生长的热动力学二、气相外延生长的热动力学与与与与氧化模型氧化模型氧化模型氧化模型类似，假设粒子穿过气体边界层的流量类似，假设粒

7、子穿过气体边界层的流量类似，假设粒子穿过气体边界层的流量类似，假设粒子穿过气体边界层的流量与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。其中，其中，其中，其中，h hg g是是是是质量传输系数质量传输系数质量传输系数质量传输系数，K Ks s是表面是表面是表面是表面反应速率系数反应速率系数反应速率系数反应速率系数，C Cg g和和和和C Cs s分别是分别是分别是分别是 气流中和圆片表面的气流中和圆片表面的气流中和圆片表面的气流中和圆片表面的反应剂浓度反应剂浓度反应

8、剂浓度反应剂浓度。外延薄膜外延薄膜外延薄膜外延薄膜生长速率生长速率生长速率生长速率可写为：可写为：可写为：可写为：其中，其中，其中，其中，N N是硅原子密度是硅原子密度是硅原子密度是硅原子密度（5 510102323cmcm-3-3）除以反应剂分子中的硅原子数。除以反应剂分子中的硅原子数。除以反应剂分子中的硅原子数。除以反应剂分子中的硅原子数。K Ks s h hg g时时时时，R R由由由由气相质量传输气相质量传输气相质量传输气相质量传输决定决定决定决定K Ks s 00.14=0.11 0因此，系统处于因此，系统处于因此，系统处于因此，系统处于外延生长状态外延生长状态外延生长状态外延生长状

9、态。a.a.ClCl的含量增加的含量增加的含量增加的含量增加后，后，后，后，超饱和度下降超饱和度下降超饱和度下降超饱和度下降，当，当，当，当SiClSiCl4 4含量为含量为含量为含量为20203030时，时，时，时，由外延生长转为刻蚀由外延生长转为刻蚀由外延生长转为刻蚀由外延生长转为刻蚀。b.b.当当当当SiClSiCl4 4含量为含量为含量为含量为1010左右时，外延生长速率有一个左右时，外延生长速率有一个左右时，外延生长速率有一个左右时，外延生长速率有一个最大值最大值最大值最大值？超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气超饱

10、和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气相相相相质量输运限制质量输运限制质量输运限制质量输运限制的。的。的。的。c.c.超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式 有关）。有关）。有关）。有关）。结结 论论4 4、薄膜生长的三种模式：、薄膜生长的三种模式：、薄膜生长的三种模式：、薄膜生长的三种模式：(1)(1)(1)(1)逐层生长逐层生长逐层生长逐层生长（Laye

11、r GrowthLayer Growth）理想的外延生长模式理想的外延生长模式理想的外延生长模式理想的外延生长模式(2)(2)(2)(2)岛式生长岛式生长岛式生长岛式生长（Island GrowthIsland Growth）超饱和度值越大，吸超饱和度值越大，吸超饱和度值越大，吸超饱和度值越大，吸附分子主要在台面中附分子主要在台面中附分子主要在台面中附分子主要在台面中心结团生长。心结团生长。心结团生长。心结团生长。(3)(3)(3)(3)逐层逐层逐层逐层+岛式生长岛式生长岛式生长岛式生长（Layers and Islands GrowthLayers and Islands Growth）5

12、5、硅片表面的化学反应、硅片表面的化学反应、硅片表面的化学反应、硅片表面的化学反应(1)(1)在在在在化学反应限制区化学反应限制区化学反应限制区化学反应限制区，不同硅源的，不同硅源的，不同硅源的，不同硅源的化学反应激活能化学反应激活能化学反应激活能化学反应激活能是相似的。是相似的。是相似的。是相似的。(2)(2)一般认为，硅一般认为，硅一般认为，硅一般认为，硅外延速率外延速率外延速率外延速率受限于受限于受限于受限于H H从硅片表面的从硅片表面的从硅片表面的从硅片表面的解吸附过程解吸附过程解吸附过程解吸附过程。(3)(3)硅片表面的主要反应剂是硅片表面的主要反应剂是硅片表面的主要反应剂是硅片表面

13、的主要反应剂是SiClSiCl2 2，反应剂是以物理方式吸附反应剂是以物理方式吸附反应剂是以物理方式吸附反应剂是以物理方式吸附 在硅片表面。在硅片表面。在硅片表面。在硅片表面。图图图图14.8 14.8 不同硅源外延淀积速率与温度的关系不同硅源外延淀积速率与温度的关系不同硅源外延淀积速率与温度的关系不同硅源外延淀积速率与温度的关系三、外延层的掺杂与缺陷三、外延层的掺杂与缺陷(1)(1)(1)(1)无意识掺杂源：无意识掺杂源：无意识掺杂源：无意识掺杂源：衬底固态源衬底固态源衬底固态源衬底固态源、气态自掺杂气态自掺杂气态自掺杂气态自掺杂。a.a.a.a.衬底固态源衬底固态源衬底固态源衬底固态源在外

14、延过程中的扩散决定了外延层在外延过程中的扩散决定了外延层在外延过程中的扩散决定了外延层在外延过程中的扩散决定了外延层-衬底分界面衬底分界面衬底分界面衬底分界面 附近的杂质分布。附近的杂质分布。附近的杂质分布。附近的杂质分布。当外延生长速率当外延生长速率当外延生长速率当外延生长速率时，时，时，时，外延层杂质分布服从余误差分布。外延层杂质分布服从余误差分布。外延层杂质分布服从余误差分布。外延层杂质分布服从余误差分布。b.b.b.b.气相自掺杂气相自掺杂气相自掺杂气相自掺杂：衬底中杂质从圆片表面解吸出来，在气相中衬底中杂质从圆片表面解吸出来，在气相中衬底中杂质从圆片表面解吸出来，在气相中衬底中杂质从

15、圆片表面解吸出来，在气相中 传输，并再次吸附到圆片表面。传输，并再次吸附到圆片表面。传输，并再次吸附到圆片表面。传输，并再次吸附到圆片表面。其杂质分布的表达式为：其杂质分布的表达式为：其杂质分布的表达式为：其杂质分布的表达式为：其中，其中，其中，其中，f f 是陷阱密度，是陷阱密度，是陷阱密度，是陷阱密度，N Nosos 是是是是表面陷阱数，表面陷阱数，表面陷阱数，表面陷阱数，x xmm 是是是是迁移宽度。迁移宽度。迁移宽度。迁移宽度。1 1、外延层的掺杂：、外延层的掺杂：、外延层的掺杂：、外延层的掺杂：无意掺杂无意掺杂无意掺杂无意掺杂与与与与有意识掺杂有意识掺杂有意识掺杂有意识掺杂。(2)(

16、2)(2)(2)有意掺杂：有意掺杂：有意掺杂：有意掺杂：最常用的掺杂源最常用的掺杂源最常用的掺杂源最常用的掺杂源B B2 2H H6 6 AsHAsH3 3 PH PH3 3外延层掺杂的杂质分布示意图外延层掺杂的杂质分布示意图外延层掺杂的杂质分布示意图外延层掺杂的杂质分布示意图(1)(1)(1)(1)外延层中的缺陷种类：外延层中的缺陷种类：外延层中的缺陷种类：外延层中的缺陷种类：体内缺陷体内缺陷体内缺陷体内缺陷与与与与表面缺陷表面缺陷表面缺陷表面缺陷 a.a.体内缺陷体内缺陷体内缺陷体内缺陷：堆跺层错与位错，由衬底缺陷延伸或外延工艺引入堆跺层错与位错，由衬底缺陷延伸或外延工艺引入堆跺层错与位错

17、，由衬底缺陷延伸或外延工艺引入堆跺层错与位错，由衬底缺陷延伸或外延工艺引入 b.b.表面缺陷表面缺陷表面缺陷表面缺陷：表面凸起尖峰、麻坑、雾状缺陷等表面凸起尖峰、麻坑、雾状缺陷等表面凸起尖峰、麻坑、雾状缺陷等表面凸起尖峰、麻坑、雾状缺陷等 通过改进衬底制备工艺、清洗工艺和外延工艺条件，可极大通过改进衬底制备工艺、清洗工艺和外延工艺条件，可极大通过改进衬底制备工艺、清洗工艺和外延工艺条件，可极大通过改进衬底制备工艺、清洗工艺和外延工艺条件，可极大 改善上述缺陷密度。改善上述缺陷密度。改善上述缺陷密度。改善上述缺陷密度。2 2、外延生长缺陷、外延生长缺陷、外延生长缺陷、外延生长缺陷(2)(2)(2

18、)(2)外延层的图形漂移：外延层的图形漂移：外延层的图形漂移：外延层的图形漂移：外延生长速率与晶向有关，外延生长速率与晶向有关，外延生长速率与晶向有关，外延生长速率与晶向有关，111111面的图形漂移最严重。面的图形漂移最严重。面的图形漂移最严重。面的图形漂移最严重。四、硅的气相外延工艺四、硅的气相外延工艺1 1、反应原理：反应原理：反应原理：反应原理：外延工艺一般在常压下进行外延工艺一般在常压下进行外延工艺一般在常压下进行外延工艺一般在常压下进行氢还原反应：氢还原反应：氢还原反应：氢还原反应：硅烷分解反应：硅烷分解反应：硅烷分解反应：硅烷分解反应：反应反应反应反应温度温度温度温度、反应剂、反

19、应剂、反应剂、反应剂浓度浓度浓度浓度、气体、气体、气体、气体流速流速流速流速、反应、反应、反应、反应腔形状结构腔形状结构腔形状结构腔形状结构、衬底衬底衬底衬底晶向晶向晶向晶向等。等。等。等。低缺陷密度、厚度及其均匀性、掺杂杂质的再分布最小低缺陷密度、厚度及其均匀性、掺杂杂质的再分布最小低缺陷密度、厚度及其均匀性、掺杂杂质的再分布最小低缺陷密度、厚度及其均匀性、掺杂杂质的再分布最小2 2、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：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：3 3、外延层的质量：外延层的质量：外延层的质量：外延层的质量：(1)(1)(1)(1)化学清洗工

20、艺：化学清洗工艺：化学清洗工艺：化学清洗工艺：高纯度高纯度高纯度高纯度化学溶液清洗化学溶液清洗化学溶液清洗化学溶液清洗高纯度高纯度高纯度高纯度去离子水冲洗去离子水冲洗去离子水冲洗去离子水冲洗 高纯度高纯度高纯度高纯度N N2 2甩干甩干甩干甩干SC-1SC-1的主要作用是去的主要作用是去的主要作用是去的主要作用是去除微颗粒除微颗粒除微颗粒除微颗粒，利用，利用，利用，利用NHNH4 4OHOH的弱碱性来活化硅的弱碱性来活化硅的弱碱性来活化硅的弱碱性来活化硅 的表面层，将附着其上的的表面层，将附着其上的的表面层，将附着其上的的表面层，将附着其上的微颗粒微颗粒微颗粒微颗粒去除去除去除去除SC-2SC

21、-2的主要作用是去除金属离子，利用的主要作用是去除金属离子，利用的主要作用是去除金属离子，利用的主要作用是去除金属离子，利用HClHCl与金属离子的化合作与金属离子的化合作与金属离子的化合作与金属离子的化合作 用来有效去除用来有效去除用来有效去除用来有效去除金属离子金属离子金属离子金属离子沾污沾污沾污沾污SC-3SC-3的主要作用是的主要作用是的主要作用是的主要作用是去除有机物去除有机物去除有机物去除有机物（主要是残留光刻胶），利用（主要是残留光刻胶），利用（主要是残留光刻胶），利用（主要是残留光刻胶），利用 H H2 2SOSO4 4的强氧化性来破坏有机物中的碳氢键结的强氧化性来破坏有机物中

22、的碳氢键结的强氧化性来破坏有机物中的碳氢键结的强氧化性来破坏有机物中的碳氢键结4 4、硅外延前的清洗工艺：、硅外延前的清洗工艺：、硅外延前的清洗工艺：、硅外延前的清洗工艺：去除表面氧化层、杂质（有机物、无机物金属离子等）和颗粒去除表面氧化层、杂质（有机物、无机物金属离子等）和颗粒去除表面氧化层、杂质（有机物、无机物金属离子等）和颗粒去除表面氧化层、杂质（有机物、无机物金属离子等）和颗粒DHFDHF的主要作用是去除自然氧化层的主要作用是去除自然氧化层的主要作用是去除自然氧化层的主要作用是去除自然氧化层b.b.外延生长外延生长外延生长外延生长：SiHSiH2 2ClCl2 2H H2 2c.c.冷

23、却冷却冷却冷却：惰性气体冲洗腔室，降温到维持温度。惰性气体冲洗腔室，降温到维持温度。惰性气体冲洗腔室，降温到维持温度。惰性气体冲洗腔室，降温到维持温度。图图图图14.25 14.25 在在在在VPEVPE反应腔内生长反应腔内生长反应腔内生长反应腔内生长1 1 mm厚度硅外延层的典型温度厚度硅外延层的典型温度厚度硅外延层的典型温度厚度硅外延层的典型温度/时间过程时间过程时间过程时间过程(2)(2)(2)(2)硅外延加工工艺的过程硅外延加工工艺的过程硅外延加工工艺的过程硅外延加工工艺的过程a.a.预清洗预清洗预清洗预清洗：H H2 2、H H2 2/HCl/HCl混合气氛或真空中去除自然氧化层混合

24、气氛或真空中去除自然氧化层混合气氛或真空中去除自然氧化层混合气氛或真空中去除自然氧化层a.a.快速热处理工艺快速热处理工艺快速热处理工艺快速热处理工艺：SiHSiH2 2ClCl2 2在高温下进行在高温下进行在高温下进行在高温下进行短时外延短时外延短时外延短时外延b.b.超高真空超高真空超高真空超高真空CVDCVD外延外延外延外延：低温低气压低温低气压低温低气压低温低气压下，硅烷分解形成硅外延层下，硅烷分解形成硅外延层下，硅烷分解形成硅外延层下，硅烷分解形成硅外延层图图图图14.26A RTCVD14.26A RTCVD外延系统示意图外延系统示意图外延系统示意图外延系统示意图(3)(3)(3)

25、(3)先进的硅外延工艺：先进的硅外延工艺：先进的硅外延工艺：先进的硅外延工艺：a.a.卤化物卤化物卤化物卤化物GaAsGaAs气相外延气相外延气相外延气相外延：HCl+AsHHCl+AsH3 3气体流过加热的固体气体流过加热的固体气体流过加热的固体气体流过加热的固体GaGa源，源，源，源，生成生成生成生成GaClGaCl气体，输运至圆片表面生成气体，输运至圆片表面生成气体，输运至圆片表面生成气体，输运至圆片表面生成GaAsGaAs。b.b.金属有机物化学气相淀积（金属有机物化学气相淀积（金属有机物化学气相淀积（金属有机物化学气相淀积（MOCVDMOCVD）：）：）：）：用于生长高质量用于生长高

26、质量用于生长高质量用于生长高质量 （具有原子层级的突变界面）（具有原子层级的突变界面）（具有原子层级的突变界面）（具有原子层级的突变界面）IIIIIIV V族化合物族化合物族化合物族化合物c.c.分子束外延（分子束外延（分子束外延（分子束外延（MBEMBE）技术技术技术技术：生长厚度精度为原子层级，膜质生长厚度精度为原子层级，膜质生长厚度精度为原子层级，膜质生长厚度精度为原子层级，膜质 量为器件级的外延层量为器件级的外延层量为器件级的外延层量为器件级的外延层(4)(4)(4)(4)其他外延工艺其他外延工艺其他外延工艺其他外延工艺图图图图14.14 14.14 各种外延各种外延各种外延各种外延生

27、长技术的温度和生长技术的温度和生长技术的温度和生长技术的温度和气压范围气压范围气压范围气压范围 硅的气相外延技术：硅的气相外延技术：硅的气相外延技术：硅的气相外延技术：VPEVPE的热动力学：的热动力学：的热动力学：的热动力学：DealDeal模型与连续步骤模型。模型与连续步骤模型。模型与连续步骤模型。模型与连续步骤模型。SiSiClClH H系统中的气相反应，超饱和度概念。系统中的气相反应，超饱和度概念。系统中的气相反应，超饱和度概念。系统中的气相反应，超饱和度概念。外延层的掺杂与缺陷。外延层的掺杂与缺陷。外延层的掺杂与缺陷。外延层的掺杂与缺陷。硅气相外延工艺：反应原理、工艺过程与先进技术。硅气相外延工艺：反应原理、工艺过程与先进技术。硅气相外延工艺：反应原理、工艺过程与先进技术。硅气相外延工艺：反应原理、工艺过程与先进技术。其他的外延技术：其他的外延技术：其他的外延技术：其他的外延技术：MOCVDMOCVD、MBEMBE等等等等等等等等小结小结教材第教材第393页，第页，第2、5题题课后作业课后作业