第8章IC工艺晶体外延生长技术

1、Test/SortImplantDiffusionEtchPolishPhotoCompleted waferLocations where thin films are deposited Unpatterned waferWafer startThin FilmsWafer fabrication (front-end) 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

2、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 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 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稳定稳定在一定的衬底温度在一定的衬

3、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 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。 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

4、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；SubstrateContinuous film 8) By-product removal 1) Mass transport of reactantsBy-products 2) Film precursor reactions 3) Diffusion of gas molecules 4) Adsorption of precursors 5) Precursor diffusion into substrate

5、 6) Surface reactions 7) Desorption of byproductsExhaustGas delivery因而在反应剂浓度较小反应剂浓度较小时有：YNNhkhkNNhkhkvhkNNSiTGSGSSiGGSGSGSGGS00)/(1KS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) 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） 2）生长速率与外延温度的关系 对于SiCl4，Ea1.9eV SiH4，Ea 1.6eV DG0：0.11cm2

6、s-1 a：1.752NGGaGGaSSDhTTDDkTEkk/)/()/exp(000 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？xUPDhrGG0331 8.1.3 外延堆垛层错 CCAAAAAAAAAAAAACCBBBCCCCCCCCCCCCCBBB AAABBBBBBBBBBBAAAAA CCCAAAAAAAAACCCCC BBBBCCCCCCCCCBBBBB AAAAABBBBBBBAAAAAA CCCCCCAAAAACCCCCCCBBBBBBBBCCCBBBBBBBB AAAAAAAAB

7、AAAAAAAAA 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 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） 1）掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制00)/(GSifSifPHNPNN 2）生长速率和温度的影响为什么温度升高会使浓度降低？Silicon Vapor Phase Epitaxy Reactor

8、sExhaustExhaustExhaustRF heatingRF heatingGas inletGas inletHorizontal reactorBarrel reactorVertical reactor 8.2.2 外延过程中的杂质再分布和自掺杂 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+N2tDvt1)2(erfc21),(11tDxNtxNsub)2(erfc21-1),(12tDxNtxNf 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

9、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、缺陷红外干涉法 IR（Infrared） Reflection，（coherence）Page 369 8.2.4 外延过程中的图形漂移 (Page 367) 对策：晶向偏25,含Cl, (100) 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） 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 8.4异

10、质结问题(370372) 晶格失配对策：衬底材料的晶向、过度层 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：气相外延一种一种GeSiGeSi量子点量子点 8.5 先进外延生技术 1）MBE（molecular beam epitaxy)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，成本高本高可以控制到单原子层 2)MOVPE(Metal-organic vapor phase epitax

11、y)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（ 500C）、生长速率易于控制、杂质易于控制、生产效率远高于MBE 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 Implan

12、ted Oxygen)目前已经较广泛应用*Wafer 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 选择性外延(SEG) 14.6Epi-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 subs