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1、1第三章、薄膜成形工艺第三章、薄膜成形工艺外延工艺外延工艺2定义定义:外延外延(epitaxy=Epi+taxis)是在单晶衬底上、是在单晶衬底上、合适的合适的条件下沿衬底原来的结晶轴向条件下沿衬底原来的结晶轴向生长一层生长一层晶格结构完整晶格结构完整的新的单晶层的制膜的新的单晶层的制膜技术。新生单晶层按衬底晶相技术。新生单晶层按衬底晶相延延伸生长伸生长，并称为外延层。长了外延层的衬底称为外延，并称为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。片。外延分类：外延分类：q气相外延气相外延(VPE)常用常用q液相外延液相外延(LPE)q固相外延固相外延(SPE)熔融再结晶熔融再结晶q分子束外延分子束外延(
2、MBE)超薄超薄q化学外延方法（化学外延方法（CVD）q若外延层与衬底材料在结构性质上相似，则称同质外延。若两材若外延层与衬底材料在结构性质上相似，则称同质外延。若两材料在结构和性质上不同，则称为异质外延。料在结构和性质上不同，则称为异质外延。3与与CVD相比，外延特点相比，外延特点q晶体结构良好晶体结构良好 q掺入的杂质浓度易控制掺入的杂质浓度易控制q可形成接近突变可形成接近突变p-n结结q温度偏高温度偏高外延高温外延高温1000以上以上CVD低温低温1000以下，多（非）晶以下，多（非）晶)4气相外延生长的热动力学气相外延生长的热动力学Deal模型是半定量模型，它将生长过程大量简化模型是半
3、定量模型，它将生长过程大量简化外延过程十分复杂的，有许多化学反应，有许多中间产品：外延过程十分复杂的，有许多化学反应，有许多中间产品：SiCl2，SiCl4，Si等粒子，堆积时会影响生长速度；等粒子，堆积时会影响生长速度；气体也不是单纯的气体，有些气体气体也不是单纯的气体，有些气体(如如Cl）是会腐蚀是会腐蚀硅片的。硅片的。反应中淀积与腐蚀始终同时存在，故可以把整个过程分反应中淀积与腐蚀始终同时存在，故可以把整个过程分成几个连续步骤，以便建立生长过程的精确模型成几个连续步骤，以便建立生长过程的精确模型5N:总的硅原子密度总的硅原子密度/所生长的硅原子数所生长的硅原子数Deal模型：淀积粒子流量
4、与生长所消耗的反应剂流量相等模型：淀积粒子流量与生长所消耗的反应剂流量相等hg是质量传输系数，取决于腔中的气流量；是质量传输系数，取决于腔中的气流量；ks是表面反应是表面反应速率；速率；Cg，Cs分别是气流及固态中的反应剂浓度。分别是气流及固态中的反应剂浓度。反应生长速率反应生长速率R R：Kshg时时,R由质量传输系数决定由质量传输系数决定Ks0.28时，此腐蚀时，此腐蚀Si的反应的反应为主，此时不仅停止外延生长，为主，此时不仅停止外延生长，且会使硅衬底受腐蚀而变薄且会使硅衬底受腐蚀而变薄工业上典型的生长条件是工业上典型的生长条件是Y=0.0050.01，相应的生，相应的生长速度长速度V=0
5、.51um/min16(2)(2)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17(3)(3)气体流速气体流速气体流速增大，生长加快气体流速增大，生长加快18(3)(3)生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有关生长速率还与反应腔横截面形状和衬底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，生长速度越慢矩形腔的均匀性较圆形腔好。晶面间的共价键数目越多，生长速度越慢19系统与工艺流程系统与工艺流程系统示意图系统示意图N2，H2预冲洗，预冲洗，HCL腐蚀用气体，腐蚀用气体，PH3提供氢气提供氢气20基座的基座的HCl腐蚀去硅程序腐蚀去硅程序(去除前次外延后基座上
6、的硅去除前次外延后基座上的硅)N2预冲洗，预冲洗，260L/min，4minH2预冲洗，预冲洗，260L/min，5min升温升温1，850度，度，5min升温升温2，1170度，度，5minHCl排空，排空，1.3L/min 1minHCl腐蚀，腐蚀，10L/min 10minH2冲洗，冲洗，260L/min，1min降温，降温，6minN2冲洗冲洗21外延生长程序外延生长程序N2N2预冲洗，预冲洗，260L/min 260L/min，4min 4minH2H2预冲洗，预冲洗，260L/min 260L/min，5min 5min升温升温1 1，850 850度，度，5min 5min升温升
7、温2 2，1170 1170度，度，6min 6minHClHCl排空，排空，1.3L/min 1min 1.3L/min 1minHClHCl抛光，抛光，1.3L/min 3min 1.3L/min 3minH2H2冲洗冲洗(附面层附面层)，260L/min260L/min，1min 1min22外延生长，外延生长，H2H2：260L/min260L/min SiCl4:6.4-7g/min SiCl4:6.4-7g/min T:1160-1190 T:1160-1190度，时间随品种而定度，时间随品种而定H2H2冲洗，冲洗，1170 1170度，度，1min 1min降温，降温，6min
8、6minN2N2冲洗，冲洗，4min 4min23外延中的掺杂外延中的掺杂掺杂剂掺杂剂氢化物氢化物PH3PH3、AsH3AsH3、BBr3BBr3、B2H6B2H6氯化物氯化物POCl3POCl3、AsCl3AsCl324在外延层的电阻率还会受到下列三种因素的干扰在外延层的电阻率还会受到下列三种因素的干扰q杂质外扩散杂质外扩散重掺杂衬底中的大量杂质通过热扩散方重掺杂衬底中的大量杂质通过热扩散方式进入外延层式进入外延层q气相自掺杂气相自掺杂衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然后重新返回外延层后重新返回外延层q系统污染系统污染气源或外延系统中的污染杂质进入外延气源或
9、外延系统中的污染杂质进入外延25 分子束外延分子束外延分子束外延分子束外延(Molecular Beam Epitaxy)q分子束外延（分子束外延（MBE）是一种超高真空蒸发技术，广泛应用是一种超高真空蒸发技术，广泛应用于半导体单晶的沉积，特别是于半导体单晶的沉积，特别是35族化合物半导体和族化合物半导体和Si、Ge的沉积，也可用于多种金属和金属氧化物的沉积，也可用于多种金属和金属氧化物q该方法是七十年代在真空蒸发镀膜的基础上发展起来的。该方法是七十年代在真空蒸发镀膜的基础上发展起来的。是真空镀膜技术的改进与提高。是真空镀膜技术的改进与提高。生长速度很慢（生长速度很慢（1 m/h）生长温度较低
10、（生长温度较低（500600 C），），结构厚度组分与掺杂分布可控制，结构厚度组分与掺杂分布可控制，可生长极薄的单晶薄膜层。可生长极薄的单晶薄膜层。在微波器件、光电器件、多层结构器件、纳米材料、纳米电子学等领域有在微波器件、光电器件、多层结构器件、纳米材料、纳米电子学等领域有广泛应用。在硅半导体器件中，用于制作双极器件及其他有特殊要求的广泛应用。在硅半导体器件中，用于制作双极器件及其他有特殊要求的CMOS、DRAM器件。器件。26v分子束外延是在超高真空环境中，把一定比分子束外延是在超高真空环境中，把一定比例的构成晶体的组分和掺杂原子（分子）的例的构成晶体的组分和掺杂原子（分子）的气态束流，直
11、接喷射到温度适应的衬底上，气态束流，直接喷射到温度适应的衬底上，进行晶体外延生长的制膜方法进行晶体外延生长的制膜方法.v在超高真空（在超高真空（UHV）条件下进行，生长速度条件下进行，生长速度非常低，通常在非常低，通常在1um/h左右。超高真空的环左右。超高真空的环境、低温和慢的生长速度，同时给碰撞原子境、低温和慢的生长速度，同时给碰撞原子提供了足够时间，使之沿衬底边沿扩散，进提供了足够时间，使之沿衬底边沿扩散，进入适当的晶格格点，形成完美晶体。入适当的晶格格点，形成完美晶体。27MBEMBE原理原理在在超超高高真真空空条条件件下下（10-8Pa）,将将组组成成化化合合物物的的各各种种元元素素
12、（如如Ga、As）和和掺掺杂杂剂剂元元素素分分别别放放入入不不同同的的喷喷射射炉炉内内加加热热，使使它它们们的的原原子子（或或分分子子）以以一一定定的的热热运运动动速速度度和和比比例例喷喷射射到到加加热热的的衬衬底底表表面面上上，与与表表面面进进行行相相互互作作用用并并进进行行晶晶体薄膜的外延生长。体薄膜的外延生长。分分子子束束向向衬衬底底喷喷射射，当当蒸蒸气气分分子子与与衬衬底底表表面面为为几几个个原原子子间间距距时时，由由于于受受到到表表面面力力场场的的作作用用而而被被吸吸附附到到衬衬底底表表面面，并并能能沿沿表表面面进进一一步步迁迁移移，然然后后在在适适当当的的位位置置上上释释放放出出潜
13、潜热热，形形成成晶晶核核或或嫁嫁接接到到晶晶格格点点上上。但但是是也也有有可可能能因因其其能能量量大大而而重重新新返返回回到到气气相相中中。因因此此在在一一定定的的温温度度下下，吸吸附附与与解解吸吸处处于动态平衡。于动态平衡。28特点特点:外延工艺外延工艺1.1.以原子的速率生长薄膜以原子的速率生长薄膜,可获得超薄薄膜可获得超薄薄膜(10A)(10A)2.2.结构分辨率高结构分辨率高3.3.生长温度较低生长温度较低(衬底温度衬底温度:500-600:500-600度度)4.4.超晶格结构超晶格结构5.5.有完善的分析手段有完善的分析手段6.6.可获得合适的搀杂截面可获得合适的搀杂截面29MBE
14、MBE总体结构图总体结构图MBEMBE生长室的基本结构示意图生长室的基本结构示意图MBE生长室由三部分组成：生长室由三部分组成：真空真空系统、源和衬底、支架系统、源和衬底、支架 MBE实现计算机控制，对生产过实现计算机控制，对生产过程实行严格的控制，可以得到所程实行严格的控制，可以得到所需组分和特定掺杂分布，生产出需组分和特定掺杂分布，生产出特定结构器件特定结构器件(对于研究开发新对于研究开发新器件和生产批量不大的器件非常器件和生产批量不大的器件非常有效有效)。MBE的不足是的不足是设备昂贵，无法大设备昂贵，无法大批量生产批量生产。31GaAs MBEGaAs是采用是采用MBE生长的最有代表性
15、的材料之一。生长的最有代表性的材料之一。喷射池中使用喷射池中使用Ga和和As元素作为元素源，元素作为元素源，Ga池温度池温度1000度，度，As（AsCl3,AsH3）池温度）池温度400度，衬底温度度，衬底温度650度。度。在在As的高气压下生长的高气压下生长GaAs，主要升华物通常为，主要升华物通常为As4，即在富砷的环境下生，即在富砷的环境下生长。一般人认为生长模型是两个长。一般人认为生长模型是两个As4和和Ga发生反应并生成发生反应并生成GaAs和和As432外延层中的缺陷与检测外延层中的缺陷与检测a)存在于衬底中并连续延伸到外延层中的位错存在于衬底中并连续延伸到外延层中的位错b)衬底
16、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的杂质外延工艺引起的外延层中析出的杂质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、三菱锥体、小丘）表面锥体缺陷（如角锥体、圆锥体、三菱锥体、小丘）e)衬底堆垛层错的延伸衬底堆垛层错的延伸f)还会有失配位错、外延层雾状表面等缺陷还会有失配位错、外延层雾状表面等缺陷缺陷种类缺陷种类:33位错产生的根本原因是晶体内部应力的存在。在第四列之前的半透明区
17、域在应力作位错产生的根本原因是晶体内部应力的存在。在第四列之前的半透明区域在应力作用下成为已滑移区域。左端原子先发生移动，然后向右传播，中途应力减小，滑移用下成为已滑移区域。左端原子先发生移动，然后向右传播，中途应力减小，滑移中止在第四列。滑移面所在的平面两边其他原子列保持对齐，只有红色原子列例外，中止在第四列。滑移面所在的平面两边其他原子列保持对齐，只有红色原子列例外，其连线为位错线，周围畸变区成为位错芯其连线为位错线，周围畸变区成为位错芯34层错是由于原子排列次序发生错乱而引起的，它是外延层上最常见而又容层错是由于原子排列次序发生错乱而引起的，它是外延层上最常见而又容易检测到的缺陷。它将导
18、致杂质的异常扩散，或成为重金属杂质的沉积中易检测到的缺陷。它将导致杂质的异常扩散，或成为重金属杂质的沉积中心，从而引起心，从而引起pn结软击穿、低压击穿甚至穿通结软击穿、低压击穿甚至穿通35层错：以层错：以111111面为例面为例由衬底表面的错配晶核随外延层的增厚向上逐渐发展而成由衬底表面的错配晶核随外延层的增厚向上逐渐发展而成层错沿着三个层错沿着三个111面发育成一个倒立的正四面体。可以通过外延层表面面发育成一个倒立的正四面体。可以通过外延层表面的正三角形蚀槽边长计算外延层厚度的正三角形蚀槽边长计算外延层厚度单位面积内的层错数量称为层错密度。集成电路使用的外延片要求层错单位面积内的层错数量称
19、为层错密度。集成电路使用的外延片要求层错密度密度10个个/cm236埋层图形的漂移与畸变埋层图形的漂移与畸变37漂移规律：漂移规律：111111面上严重，偏离面上严重，偏离2 24 4度度外延层越厚，偏移越大外延层越厚，偏移越大温度越高，偏移越小温度越高，偏移越小生长速率越小，偏移越小生长速率越小，偏移越小硅生长腐蚀速率的各向异性是发生漂移的根本原因硅生长腐蚀速率的各向异性是发生漂移的根本原因3839外延的用途外延的用途 利用利用n/n+n/n+硅外延，将双极型高频功率晶体管制作在硅外延，将双极型高频功率晶体管制作在n n型型外延层内，外延层内，n+n+硅用作机械支撑层和导电层，降低了集电极硅
20、用作机械支撑层和导电层，降低了集电极的串联电阻的串联电阻双极电路：双极电路：采用采用n/pn/p外延片，通过简单的外延片，通过简单的p p型杂质隔离扩散，便能型杂质隔离扩散，便能实现双极集成电路元器件间的隔离实现双极集成电路元器件间的隔离 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-np-n结，它不是结，它不是通过杂质补偿作用形成，其杂质分布可接近理想的突变结。通过杂质补偿作用形成，其杂质分布可接近理想的突变结。40外延改善外延改善NMOSNMOS存储器电路特性存储器电路特性(1)(1)提高器件的抗软误差能力提高器件的抗软误差能力(3)(3)硅外延片可提供比体硅高的
21、载流子寿命，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。使半导体存储器的电荷保持性能提高。(2)(2)采用低阻上外延高阻层，可降低源、漏采用低阻上外延高阻层，可降低源、漏n+n+区耗尽层寄生电容，并提高器件对衬底中杂散区耗尽层寄生电容，并提高器件对衬底中杂散电荷噪声的抗扰度电荷噪声的抗扰度41软误差软误差 从封装材料中辐射出的从封装材料中辐射出的粒子进入衬底产生粒子进入衬底产生大量大量(约约106量级量级)电子电子-空穴对，在低掺杂空穴对，在低掺杂MOS衬底中，电子衬底中，电子-空穴对可以扩散空穴对可以扩散50m，易受电场作用进入有源区，引起器件误动作，易受电场作用进
22、入有源区，引起器件误动作，这就是软误差这就是软误差 采用低阻衬底上外延高阻层的外延片，则采用低阻衬底上外延高阻层的外延片，则电子电子-空穴对先进入衬底低阻层，其扩散长度空穴对先进入衬底低阻层，其扩散长度仅仅1m，易被复合，它使软误差率减少到原来，易被复合，它使软误差率减少到原来的的1/10 CMOS电路采用外延片可使电路的寄生闸电路采用外延片可使电路的寄生闸流管（流管（Latch-up）效应有数量级的改善。）效应有数量级的改善。42 具有相反导电类型的外延层，在器件工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艺中可形成结和隔离区工艺多样化：工艺多样化：薄层外延供器件发展等平面隔离和高速薄层外延供器件发展等平面隔离和高速电路；电路；选择外延可取代等平面隔离工艺来发展选择外延可取代等平面隔离工艺来发展平面隔离；平面隔离；绝缘衬底上的多层外延工艺可以发展三绝缘衬底上的多层外延工艺可以发展三维空间电路维空间电路43思考题n欲得到SiO2层,有哪些生长工艺?利用这些工艺得到的SiO2各有什么特性?n针对学过的氧化、金属化、CVD和外延工艺，提出某种工艺的改进措施或提出一种新的工艺。