集成电路制造技术外延微电子学院微电子教学中心PPT课件

1、绪论绪论定义：定义：在单晶衬底上，按衬底晶向生长一层新的在单晶衬底上，按衬底晶向生长一层新的单单 晶薄膜的工艺技术。晶薄膜的工艺技术。外延层：衬底上新生长的单晶层。外延层：衬底上新生长的单晶层。外延片：生长了外延层的衬底硅片。外延片：生长了外延层的衬底硅片。应用应用 双极器件与电路：双极器件与电路： 轻掺杂的外延层轻掺杂的外延层较高的击穿电压；较高的击穿电压； 重掺杂的衬底降低集电区的串联电阻。重掺杂的衬底降低集电区的串联电阻。 CMOS电路：电路： 避免了闩锁效应：降低漏电流。避免了闩锁效应：降低漏电流。第1页/共41页第2页/共41页外延的分类外延的分类 按工艺分类：按工艺分类：气相外延（

2、气相外延（VPE）：硅的主要外延工艺；）：硅的主要外延工艺；液相外延（液相外延（LPE）：）：-化合物的外延；化合物的外延；固相外延（固相外延（SPE）：离子注入退火过程；）：离子注入退火过程；分子束外延（分子束外延（MBE，Molecular Beam Epitaxy） 按材料分类按材料分类同质外延：外延层与衬底的材料相同，如同质外延：外延层与衬底的材料相同，如 Si上外延上外延Si，GaAs上外延上外延GaAs；异质外延：外延层与衬底的材料不相同，如异质外延：外延层与衬底的材料不相同，如 Si上外延上外延SiGe 或或 SiGe上外延上外延Si； 蓝宝石上外延蓝宝石上外延Si- SOS(S

3、ilicon on Sapphire)； 蓝宝石上外延蓝宝石上外延GaN、SiC。 按压力分类按压力分类常压外延：常压外延：100kPa ；低压（减压）外延：低压（减压）外延：5-20kPa。绪论绪论第3页/共41页7.1 硅气相外延的基本原理硅气相外延的基本原理 硅源硅源 SiCl4 采用传统的高温工艺采用传统的高温工艺 SiHCl3 SiH2Cl2 采用现代的低温工艺采用现代的低温工艺 SiH4u新硅源新硅源Si2H6第4页/共41页外延生长模型外延生长模型生长步骤生长步骤 传输：反应物从气相经边界层转移到传输：反应物从气相经边界层转移到Si表面；表面； 吸附：反应物吸附在吸附：反应物吸附

4、在Si表面；表面； 化学反应：在化学反应：在Si表面进行化学反应，得到表面进行化学反应，得到Si及副产物；及副产物； 脱吸：副产物脱离吸附；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；逸出：脱吸的副产物从表面转移到气相，逸出反应室； 加接：生成的加接：生成的Si原子加接到晶格点阵上，延续衬底晶原子加接到晶格点阵上，延续衬底晶向；向；生长特征：生长特征：横向二维的层层生长。横向二维的层层生长。第5页/共41页第6页/共41页第7页/共41页化学反应化学反应H2还原还原SiCl4体系体系 生长总反应：生长总反应：SiCl4 + 2H2 Si(s)+4HCl(g) 气相中

5、间反应：气相中间反应：SiCl4 + H2 SiHCl3+HCl SiCl4 + H2 SiCl2+2HCl SiHCl3+ H2 SiH2Cl2+HCl SiHCl3 SiCl2+HCl SiH2Cl2 SiCl2+H2 吸附生长：吸附生长：SiCl2(吸附吸附)+ H2 Si(s)+2HCl (硅的析出硅的析出反应反应) 或或 SiCl2 (吸附吸附) Si(s) + SiCl4 (硅的析出硅的析出反应反应) 腐蚀反应：腐蚀反应：SiCl4+ Si(s) 2SiCl2第8页/共41页第9页/共41页生长速率与温度的关系生长速率与温度的关系第10页/共41页生长速率与反应剂浓度的关系生长速率

6、与反应剂浓度的关系第11页/共41页生长速率生长速率v与气体流速与气体流速U的关系的关系SiCl4外延温度：外延温度：1200，输运控制；，输运控制；边界层厚度：边界层厚度：（x）=（x/U)1/2 ； 故，故，v随随U的增大而增加。的增大而增加。第12页/共41页7.2 外延层的杂质分布外延层的杂质分布 外延掺杂的特点：外延掺杂的特点：原位掺杂；原位掺杂； 外延掺杂的优点：外延掺杂的优点：掺杂浓度可精确控制；突变掺杂浓度可精确控制；突变 型分布。型分布。 分布偏离：分布偏离： 自掺杂效应自掺杂效应-衬底杂质蒸发进入边界层；衬底杂质蒸发进入边界层； 扩散效应扩散效应-衬底与外延层杂质相互扩散。

7、衬底与外延层杂质相互扩散。第13页/共41页7.2 外延层的杂质分布外延层的杂质分布 掺杂原理掺杂原理淀积过程淀积过程(与外延相比与外延相比) 相似：输运控制和反应控制相似：输运控制和反应控制 不同：动力学性质不同：动力学性质掺入效率：与掺入效率：与T、v、U以及杂以及杂 质剂的摩尔分数等有关。质剂的摩尔分数等有关。掺杂源：掺杂源：B2H6、PH3、AsH3。第14页/共41页扩散效应扩散效应 扩散效应：扩散效应：衬底杂质与外延层杂质相互扩散，导致衬底杂质与外延层杂质相互扩散，导致界界 面处杂质再分布；面处杂质再分布； 杂质扩散：杂质扩散：满足菲克第二定律满足菲克第二定律-扩散方程，即扩散方程

8、，即 衬底杂质分布：假定外延层本征生长，外延层杂质衬底杂质分布：假定外延层本征生长，外延层杂质浓浓 度为度为N1(x)-余误差函数余误差函数 外延层杂质分布：假定衬底本征，外延层杂质浓度外延层杂质分布：假定衬底本征，外延层杂质浓度为为 N2(x)-余误差函数余误差函数 实际再分布实际再分布(衬底和外延层都掺杂衬底和外延层都掺杂)：外延层杂质浓：外延层杂质浓度度 为为N（x）= N1（x）N2（x） “+”：n/n+(p/p+)；“-”：p/n+(n/p+)第15页/共41页第16页/共41页自掺杂效应（非故意掺杂）自掺杂效应（非故意掺杂） 定义：定义：衬底杂质及其他来源杂质非人为地掺入外延层。

9、衬底杂质及其他来源杂质非人为地掺入外延层。 来源来源:各种气相自掺杂各种气相自掺杂 衬底扩散蒸发的杂质：在外延生长的初期；衬底扩散蒸发的杂质：在外延生长的初期； 衬底背面及侧面释放的杂质；衬底背面及侧面释放的杂质； 外延生长前吸附在表面的杂质；外延生长前吸附在表面的杂质； 气相腐蚀的杂质；气相腐蚀的杂质； 其他硅片释放的杂质。其他硅片释放的杂质。 外延系统：基座、输入气体中的杂质。外延系统：基座、输入气体中的杂质。 第17页/共41页第18页/共41页7.3 低压外延（低压外延（5-20kPa） 低压作用：减小自掺杂效应；低压作用：减小自掺杂效应； 优点：优点： 杂质分布陡峭；杂质分布陡峭；

10、厚度及电阻率的均匀性改善；厚度及电阻率的均匀性改善； 外延温度随压力的降低而下降；外延温度随压力的降低而下降； 减少了埋层图形的畸变和漂移；减少了埋层图形的畸变和漂移；7.4 选择性外延选择性外延 SEG ：在特定区域有选择地生长外延层；：在特定区域有选择地生长外延层； 原理：原理：Si在在SiO2或或Si3N4上很难核化成膜；上很难核化成膜； 选择性：特定区域；硅源。选择性：特定区域；硅源。 硅源的选择性顺序：硅源的选择性顺序：SiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH4；第19页/共41页选择性外延（选择性外延（SEG）第20页/共41页横向外延（横向外延（ELO）第21页/共41页7.6

11、 SOS及及SOI技术技术 SOI Silicon On Insulator 或或Semiconductor On Insulator，意思是绝缘层上硅。，意思是绝缘层上硅。 SOS Silicon On Sapphire 或或Semiconductor On Spinel，意思是蓝宝石上硅或尖晶石上硅。，意思是蓝宝石上硅或尖晶石上硅。注意：注意：SOI技术是一种异质外延技术，技术是一种异质外延技术，SOS是是SOI中中的的 一种。一种。第22页/共41页SOI(Silicon-On-Insulator: 绝缘衬底上的硅绝缘衬底上的硅)技术技术第23页/共41页第24页/共41页SOS的不足的

12、不足 SOS结构存在下列主要问题：结构存在下列主要问题： 硅硅-蓝宝石界面比蓝宝石界面比Si-SiO2界面质量差。界面质量差。 蓝宝石的介电常数接近蓝宝石的介电常数接近10（SiO2是是3.9），会产），会产生生 较大的寄生电容。较大的寄生电容。 膨胀系数的差异引入的应力。膨胀系数的差异引入的应力。 硅的膨胀系数是硅的膨胀系数是4.510-6，蓝宝石比它大一倍，蓝宝石比它大一倍左左 右。右。 蓝宝石导热性差。蓝宝石导热性差。第25页/共41页SOI技术的特点与优势技术的特点与优势 1速度高速度高 ：在相同的特征尺寸下，工作速度可提高：在相同的特征尺寸下，工作速度可提高 30-40； 2功耗低：

13、功耗低： 在相同的工作速度下，功耗可降低在相同的工作速度下，功耗可降低 50 - 60； 3特别适合于小尺寸器件；特别适合于小尺寸器件； 4特别适合于低压、低功耗电路；特别适合于低压、低功耗电路； 5集成密度高集成密度高 ： 封装密度提高约封装密度提高约40； 6低成本：低成本： 最少少用三块掩模版，减少最少少用三块掩模版，减少13%-20% （30）的工序；）的工序； 7耐高温环境：耐高温环境： 工作温度工作温度300-500； 8抗辐照特性好：抗辐照特性好： 是体硅器件的是体硅器件的50-100倍。倍。第26页/共41页7.7 分子束外延（分子束外延（MBE） MBE：Molecular

14、Beam Epitaxy 原理：原理：在超高真空下，利用薄膜组分元素受热蒸发在超高真空下，利用薄膜组分元素受热蒸发所所 形成的原子或分子束，直接射到衬底表面，形成的原子或分子束，直接射到衬底表面，形形 成外延层。成外延层。 应用：元素半导体应用：元素半导体Si、Ge 化合物半导体化合物半导体-GaAs、GaN、SiGe MBE的特点：的特点： 温度低；温度低； 生长速度低；生长速度低； 化学组成及掺杂浓度精确可控；化学组成及掺杂浓度精确可控； 厚度可精确控制到原子级；厚度可精确控制到原子级；第27页/共41页第28页/共41页第29页/共41页7.8 缺陷及检测缺陷及检测 缺陷种类缺陷种类:

15、a.存在于衬底中并延伸到外延层中的位错；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，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；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；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与工艺或与表面加工(抛光面划痕、损伤抛光面划痕、损伤)，碳沾污，碳沾污等有关，形成的表面锥体缺陷等有关，形成的表面锥体缺陷(如角锥体、圆锥体、如角锥体、圆锥体、三棱锥体、小丘三棱锥体、小丘)； e.衬底堆垛层错的延伸；衬底堆垛层错的延伸；第30页/共41页第31页/共41页第32页/共41页 层错层错

16、 机理：由于原子排列次序发生错乱而产生的缺陷；机理：由于原子排列次序发生错乱而产生的缺陷； 原因：衬底表面的损伤、玷污、残留的氧化物；外原因：衬底表面的损伤、玷污、残留的氧化物；外延延 温度过低、生长速度过高；掺杂剂不纯等。温度过低、生长速度过高；掺杂剂不纯等。 位置：衬底与外延层的界面处。位置：衬底与外延层的界面处。 影响：影响： 导致杂质的异常扩散：引起杂质分布不均匀；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：成为重金属杂质的淀积中心： 引起引起p-n结的软击穿、低压击穿，甚至穿通。结的软击穿、低压击穿，甚至穿通。7.8 缺陷及检测缺陷及检测第33页/共41页第3

17、4页/共41页第35页/共41页层错法测量外延层厚度层错法测量外延层厚度 原理：原理：化学腐蚀的各向异性，即层错界面两边的原化学腐蚀的各向异性，即层错界面两边的原子子 结合较弱，具有较快的腐蚀速率。结合较弱，具有较快的腐蚀速率。 计算：计算：T=(2/3)1/2l0.816l第36页/共41页图形漂移和畸变图形漂移和畸变第37页/共41页图形漂移和畸变图形漂移和畸变 原因：原因：外延生长外延生长-腐蚀速率的各向异型；腐蚀速率的各向异型； 漂移规律漂移规律111面：严重；偏离面：严重；偏离25度，漂移显著减小，常用度，漂移显著减小，常用偏离偏离3度。度。外延层越厚，偏移越大。外延层越厚，偏移越大

18、。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。第38页/共41页7.9 外延层电阻率的测量外延层电阻率的测量 方法：方法：四探针法、三探针法、电容四探针法、三探针法、电容-电压电压(CV)法、扩法、扩展电阻法等展电阻法等 扩展电阻法扩展电阻法特点：特点：可以测量微区的电阻率或电阻率分布。可以测量微区的电阻率或电阻率分布。原理：原理：当金属探针与半导体材料呈欧姆接触时，电阻当金属探针与半导体材料呈欧姆接触时，电阻主主 要集中在接触点附近的半导体中，而且呈辐要集中在接触点附近的半导体中，而且呈辐射状射状 向半导体内扩展。向半导体内扩展。采用探针形式：采用探针形式：单探针、两探针、三探针。单探针、两探针、三探针。 下面以右图所示单探下面以右图所示单探 针为例进行原理说明。针为例进行原理说明。第39页/共41页7.9 外延层电阻率的测量外延层电阻率的测量 总的接触电阻为：总的接触电阻为： （ ） 从针尖到从针尖