微电子工艺(2)-PRINT

1、微电子工艺1第3章 外延3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 气相外延气相外延3.33.3 分子束外延分子束外延3.4 3.4 其它外延其它外延3.5 3.5 外延层缺陷及检测外延层缺陷及检测23.1 3.1 概述概述3.1.13.1.1外延概念外延概念 在微电子工艺中，外延(epitaxy)是指在单晶衬底上，用物理的或化学的方法，按衬底晶向排列（生长）单晶膜的工艺过程。新排列的晶体称为外延层，有外延层的硅片称为（硅）外延片。外延是在晶体上生长晶体，生长出的晶体的晶向与衬底晶向相同，掺杂类型、电阻率、材料可不同。记为：n/n+-Si，n/p/-Si，GaAs/Si。33.1.13.1.1外延

2、概念外延概念外延生长时掺入杂质的类型、浓度、材料都外延生长时掺入杂质的类型、浓度、材料都可以与衬底不同，增加了芯片工艺的灵活性。可以与衬底不同，增加了芯片工艺的灵活性。多次外延工艺得到多层不同掺杂类型、不同多次外延工艺得到多层不同掺杂类型、不同杂质含量、不同厚度，甚至不同材料的外延杂质含量、不同厚度，甚至不同材料的外延层。层。 43.1.2 3.1.2 外延工艺种类外延工艺种类 按工艺方法划分：气相外延（按工艺方法划分：气相外延（VPE)VPE)，液相外延，液相外延(LVP)(LVP)，固相外延固相外延 (SPE)(SPE)，分子束外延（，分子束外延（MBE)MBE)按材料划分：按材料划分：同

3、质外延同质外延和和异质外延异质外延按温度划分：高温外延按温度划分：高温外延(1000 (1000 以上以上) )；低温外延；低温外延(1000 (1000 以下以下) )；变温外延；变温外延-先低温下成核，再高温下先低温下成核，再高温下生长外延层生长外延层按电阻率高低划分：正外延按电阻率高低划分：正外延-低阻衬底上外延高阻层；低阻衬底上外延高阻层；反外延反外延-高阻衬底上外延低阻层高阻衬底上外延低阻层按外延层结构分类按外延层结构分类: : 普通外延，选择外延，多层外延普通外延，选择外延，多层外延 其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等53.1.

4、3气相外延工艺成熟，可很好的控制薄膜厚度，杂质浓度和晶格的完整性，在硅工艺中一直占主导地位同质外延同质外延又称为均匀外延，是外延层与衬底材料相同又称为均匀外延，是外延层与衬底材料相同的外延。的外延。异质外延异质外延也称为非均匀外延，外延层与衬底材料不相也称为非均匀外延，外延层与衬底材料不相同，甚至物理结构也与衬底完全不同。同，甚至物理结构也与衬底完全不同。GaAs/Si GaAs/Si 、SOISOI（SOSSOS）等材料就可通过异质外延工艺获得。）等材料就可通过异质外延工艺获得。异质外延的相容性异质外延的相容性衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量的溶解现象；衬底与外延层不发生化学反应，不发

5、生大量的溶解现象；衬底与外延层热力学参数相匹配，即热膨胀系数接近。以避衬底与外延层热力学参数相匹配，即热膨胀系数接近。以避免外延层由生长温度冷却至室温时，产生残余热应力，界面免外延层由生长温度冷却至室温时，产生残余热应力，界面位错，甚至外延层破裂位错，甚至外延层破裂; ;衬底与外延层衬底与外延层晶格参数晶格参数相匹配，即晶体结构，晶格常数接近，相匹配，即晶体结构，晶格常数接近，以避免晶格参数不匹配引起的外延层与衬底接触的界面晶格以避免晶格参数不匹配引起的外延层与衬底接触的界面晶格缺陷多和应力大的现象。缺陷多和应力大的现象。6 晶格失配率a外延层晶格参数；外延层晶格参数； a衬底晶格参数。有衬底

6、晶格参数。有热膨胀热膨胀失配系数失配系数和和晶格常数失配率晶格常数失配率。%100aaaf热失配影响热失配影响单晶薄膜物单晶薄膜物理和电学性理和电学性质质晶格失配导致晶格失配导致外延膜中缺陷外延膜中缺陷密度非常高密度非常高73.1.3 3.1.3 外延工艺用途外延工艺用途优势：1.高的集电结击穿电压2.低的集电极串联电阻8双极型晶体管双极型晶体管 利用外延技术利用外延技术的的pnpn结隔离是结隔离是早期双极型集早期双极型集成电路常采用成电路常采用的电隔离方法。的电隔离方法。 P-Si衬底衬底n+埋层埋层n-Si外延层外延层p+隔离墙隔离墙SiO29pnpn结隔离结隔离3.1.3 3.1.3 外

7、延工艺用途外延工艺用途将将CMOSCMOS电路电路制作在外延制作在外延层上比制作层上比制作在体硅抛光在体硅抛光片上有以下片上有以下优点：优点： 避免了闩避免了闩锁效应；锁效应； 避免了硅避免了硅层中层中SiOSiOx x的的沉积；沉积； 硅表面更硅表面更光滑，损伤光滑，损伤最小。最小。 P阱阱n阱阱10 制作在外延层上的双阱制作在外延层上的双阱CMOSCMOS3.1.3 3.1.3 外延工艺用途外延工艺用途微波器件微波器件需要有突变杂质分布的复杂多层结构衬底需要有突变杂质分布的复杂多层结构衬底材料。可采用多层外延工艺来实现这类衬底材料的材料。可采用多层外延工艺来实现这类衬底材料的制备。制备。

8、SOSSOSCMOSCMOS电路电路，外延衬底为绝缘的蓝宝石，能有，外延衬底为绝缘的蓝宝石，能有效防止元件间的漏电流，抗辐照闩锁；且结构尺寸效防止元件间的漏电流，抗辐照闩锁；且结构尺寸比体硅比体硅CMOSCMOS电路小，因电路小，因SOSSOS结构不用隔离环，元件结构不用隔离环，元件制作在硅外延层小岛上，岛与岛之间的隔离距离只制作在硅外延层小岛上，岛与岛之间的隔离距离只要满足光刻工艺精度，就能电隔离，所以元件间的要满足光刻工艺精度，就能电隔离，所以元件间的间距很小，电路的集成度也就提高了。间距很小，电路的集成度也就提高了。113.1.3 3.1.3 外延工艺用途外延工艺用途3.2 3.2 气相

9、外延气相外延硅气相外延硅气相外延(vapor phase epitaxy(vapor phase epitaxy，VPE )VPE )，指含指含SiSi外延层材料的物质以外延层材料的物质以气相气相形式输运至衬形式输运至衬底，在底，在高温下分解高温下分解或或发生化学反应发生化学反应，在单晶衬，在单晶衬底上生长出与衬底取向一致的单晶。底上生长出与衬底取向一致的单晶。VPEVPE与与CVDCVD（Chenmical Vapor DepositionChenmical Vapor Deposition，化学汽相淀积）类似，是广义上的化学汽相淀积）类似，是广义上的CVDCVD工艺工艺。12外延工艺常用的

10、硅源四氯化硅四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也是研，是应用最广泛，也是研究最多的硅源究最多的硅源-主要应用于传统外延工艺主要应用于传统外延工艺三氯硅烷三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和，和 SiCl4类似但温度有类似但温度有所降低所降低-常规外延生长常规外延生长二氯硅烷二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) -更低温度，选择外延更低温度，选择外延硅烷硅烷SiH4，更适应薄外延层和低温生长要求，更适应薄外延层和低温生长要求，得到广泛应用。得到广泛应用。新硅源：新硅源：二硅烷二硅烷Si2H6-低温外延低温外延133.2.1 硅的气相外延工艺卧式气相外延设备示意图卧式气相外延设备

11、示意图141、工艺步骤及流程以以SiCl4为硅源进行工艺介绍：为硅源进行工艺介绍：SiCl4（H2）+H2Si+4HCl工艺步骤有两个：准备，生长工艺步骤有两个：准备，生长准备阶段：准备阶段：硅片准备和硅片准备和基座去硅处理基座去硅处理基座去硅的工艺流程：基座去硅的工艺流程：N2预冲洗预冲洗H2预冲洗预冲洗升温至升温至850升温至升温至1170HCl排空排空HCl腐蚀腐蚀H2冲洗冲洗降温降温N2冲洗冲洗15生长工艺流程生长工艺流程： N2预冲洗预冲洗H2预冲洗预冲洗升温至升温至850升升温至温至1170HCl排空排空HCl抛光抛光H2冲冲洗附面层洗附面层外延生长（通入反应剂及掺杂外延生长（通入

12、反应剂及掺杂剂）剂）H2冲洗冲洗1170降温降温N2冲洗冲洗1、工艺步骤及流程16HCl抛光抛光是将硅基片表面残存的氧化物（SiOx）及晶格不完整的硅腐蚀去掉，露出新鲜和有完整晶格的硅表面，利于硅外延成核，使衬底硅和外延层硅之间键合良好，避免衬底硅表面缺陷向外延层中延伸。 硅源硅源SiCl4是液态，装在是液态，装在源瓶源瓶中用稀释气体携带进入中用稀释气体携带进入反应器与反应剂反应器与反应剂H2在衬底反应，外延硅在衬底反应，外延硅掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如PH3、B2H6、AsH3等等掺杂剂的反应为：掺杂剂的反应为：B2H6（H2） 2B+4

13、H22PH3（H2） 2P+5H2掺杂剂也用氢气稀释至十掺杂剂也用氢气稀释至十五十倍。五十倍。171、工艺步骤及流程2、 SICl4 -H2系统反应方程SiCl2+H2 Si+2HCl 2SiCl2 Si+SiCl418SiClSiCl4 4+H+H2 2 SiHCl SiHCl3 3+HCl +HCl SiClSiCl4 4+H+H2 2 SiClSiCl2 2+2HCl +2HCl SiHClSiHCl3 3+H+H2 2 SiH SiH2 2ClCl2 2+HCl+HClSiHClSiHCl3 3 SiClSiCl2 2+HCl+HClSiHSiH2 2ClCl2 2 SiClSiCl2

14、 2+H+H2 2 3.2.23.2.2气相外延原理气相外延原理 19以以SiHSiH4 4热分解为例：热分解为例：SiH4 Si(s)+2H2(g)反应是不可逆的，反应是不可逆的，外延温度一般是外延温度一般是650-650-900 900 将外延过程分解为将外延过程分解为气气相质量传递过程相质量传递过程和和表表面外延过程面外延过程来分析外来分析外延机理延机理H2是指硅烷气相输运到达衬底表面这一过程。是指硅烷气相输运到达衬底表面这一过程。依据依据流体动力学原理流体动力学原理分析：分析：外延反应室气体压力：常压外延反应室气体压力：常压 低压（低压（133.3Pa)133.3Pa)气体是气体是粘滞

15、性粘滞性的，判据：的，判据：气体处于气体处于层流状态层流状态，判据：，判据：压力驱动层流状态粘滞性气体的流动应为压力驱动层流状态粘滞性气体的流动应为泊松流泊松流流速为抛物线型，基座表面气体流速为零流速为抛物线型，基座表面气体流速为零20 1 1、气相质量传递过程、气相质量传递过程PdkT22ddvRe临界雷诺数临界雷诺数 1 1、气相质量传递过程、气相质量传递过程基座表面边界层示意图基座表面边界层示意图21边界层边界层指基座表面指基座表面垂直于气流方向上，垂直于气流方向上，气流速度、反应剂气流速度、反应剂浓度、温度受到扰浓度、温度受到扰动的薄气体层动的薄气体层SiHSiH4 4是是扩散扩散穿越

16、穿越边界边界层层，SiHSiH4 4扩散流密度扩散流密度J Jg g： 211vdydcDJgg0cccdydcg=310=3102 2 表面外延过程表面外延过程 SiHSiH4 4表面外延过表面外延过程实质上包含了程实质上包含了吸附吸附、分解分解、迁迁移移、解吸解吸这几个这几个环节。环节。Si迁移到达衬底迁移到达衬底的低能量突出部的低能量突出部位位-称为称为结点位置结点位置暂时固定下来，暂时固定下来，被覆盖被覆盖 表面外延过程示意图表面外延过程示意图SiH4= Si+2H2222 2 表面外延过程表面外延过程外延过程表明外延生长是外延过程表明外延生长是横向横向进行，在衬底台阶的进行，在衬底台

17、阶的结点位置发生结点位置发生晶向外延用硅片，在由晶锭切割制备硅片时晶向外延用硅片，在由晶锭切割制备硅片时，表面实际偏离（，表面实际偏离（111111）晶面约）晶面约3 3衬底高温衬底高温可保证被吸附外延剂的可保证被吸附外延剂的化学反应在表面进化学反应在表面进行行，且利于迁移扩散，规则排列成与衬底晶向一致，且利于迁移扩散，规则排列成与衬底晶向一致的外延层，也利于生成物气体分子易于解吸离开。的外延层，也利于生成物气体分子易于解吸离开。233.2.3 3.2.3 外延速率的影响因素外延速率的影响因素温度温度硅源硅源反应剂浓度反应剂浓度其它因素其它因素241 1、温度温度对对外延速率的影响外延速率的影

18、响生长速率主要由整个外延过程中较慢的一方决定生长速率主要由整个外延过程中较慢的一方决定气相质量传递气相质量传递由扩散决定，扩散是温度的缓变函数，气相扩由扩散决定，扩散是温度的缓变函数，气相扩散在较低温度就能实现：散在较低温度就能实现：表面外延表面外延由由吸附、反应、迁移、解吸构成，速率主要由化学吸附、反应、迁移、解吸构成，速率主要由化学反应决定，化学反应是一个激活过程，温度升高反应速率呈反应决定，化学反应是一个激活过程，温度升高反应速率呈指数增快：指数增快：分析表明：低温时表面外延过程是影响外延速率的主要因素分析表明：低温时表面外延过程是影响外延速率的主要因素；高温时气象质量传递过程是影响外延

19、速率的主要因素；高温时气象质量传递过程是影响外延速率的主要因素258 . 11TDgdydcDJgg0ckJsskTEsek/a1 1、温度温度对对外延速率的影响外延速率的影响质量传递质量传递控制控制实际外延实际外延选此区选此区表面反应表面反应控制控制-1263.2.32 2、硅源硅源对外延速率的影响对外延速率的影响含氯体系（含氯体系（Si-Cl-HSi-Cl-H：SiClSiCl4 4、SiHSiH2 2ClCl2 2、SiHClSiHCl3 3）和无氯体系）和无氯体系 (Si-H(Si-H：SiHSiH4 4、SiSi2 2H H6 6）硅源不同，外延温度不同硅源不同，外延温度不同外延温度

20、由高到低排序为：外延温度由高到低排序为： SiCl SiCl4 4SiHClSiHCl3 3SiHSiH2 2ClCl2 2SiHSiH4 4；外延生长速率正相反外延生长速率正相反273.2.33 3、反应剂浓度、反应剂浓度对对外延速率的影响外延速率的影响SiHSiH4 4为硅源时，在为硅源时，在载气氢中的浓度也载气氢中的浓度也存在临界值，超过存在临界值，超过与温度相关的临界与温度相关的临界值，值，SiHSiH4 4在气相中在气相中就将发生分解反应，就将发生分解反应，生成细小硅粒，并生成细小硅粒，并淀积到衬底上，得淀积到衬底上，得不到单晶硅外延层。不到单晶硅外延层。SiCl4浓度与生长速率的关

21、系浓度与生长速率的关系SiCl4摩尔浓度摩尔浓度大于大于0.27出现出现腐蚀现象腐蚀现象28速率、温度对结晶类型的影响速率、温度对结晶类型的影响-1293.2.34 其它影响外延速率的因素其它影响外延速率的因素衬底晶向：衬底晶向：(110)(111)(110)(111)反应室形状反应室形状气体流速气体流速30第四次课问题第四次课问题: :什么是外延工艺什么是外延工艺? ?异质外延通常衬底和外延层应满足什么条件异质外延通常衬底和外延层应满足什么条件? ?简述硅外延机理简述硅外延机理! !影响外延速率的主要因素影响外延速率的主要因素? ?是否硅源浓度越高外延速率就越快是否硅源浓度越高外延速率就越快

22、? ?313.2.4 3.2.4 外延层中的杂质分布外延层中的杂质分布掺杂采用原位气相掺杂。掺杂采用原位气相掺杂。杂质掺入效率依赖于：外延杂质掺入效率依赖于：外延生长温度、速率，气流中掺生长温度、速率，气流中掺杂剂相对于硅源的摩尔数、杂剂相对于硅源的摩尔数、反应室几何形状，掺杂剂自反应室几何形状，掺杂剂自身特性。身特性。有杂质再分布现象有杂质再分布现象自掺杂效应自掺杂效应互扩散效应互扩散效应影响：影响：改变外延层和衬底杂质浓度及分布改变外延层和衬底杂质浓度及分布对对p/np/n或或n/pn/p硅外延，改变硅外延，改变pnpn结位置结位置321 1、自掺杂效应、自掺杂效应( (Autodopin

23、g) )自掺杂效应是指高温外延时，高掺自掺杂效应是指高温外延时，高掺杂衬底的杂质反扩散进入气相边界杂衬底的杂质反扩散进入气相边界层，又从边界层扩散掺入外延层的层，又从边界层扩散掺入外延层的现象现象 。自掺杂效应是气相外延的本征效应，自掺杂效应是气相外延的本征效应，不可能完全避免。不可能完全避免。33xSEeNxN)(假设假设1：外延层生长时外延层生长时外延剂中无杂质外延剂中无杂质，杂质来源于杂质来源于自掺杂效应自掺杂效应 )1 ()(0 xEEeNxN假设假设2：衬底杂质无逸出（或认为衬底衬底杂质无逸出（或认为衬底未掺杂）未掺杂）)1 ()(0 xExSEeNeNxN界面杂质叠加的数学表达式为

24、界面杂质叠加的数学表达式为 自掺杂外延层杂质浓度分布自掺杂外延层杂质浓度分布 34“+”对应对应n/n（p/p）“-”对应对应p/n（n/p）生长常（指）数生长常（指）数(cm(cm-1-1) )由实验确定。由实验确定。与掺杂剂、化学反应、与掺杂剂、化学反应、反应系统，及生长过程反应系统，及生长过程等因素有关等因素有关: : As As比比B B和和P P更易蒸发更易蒸发; ; SiCl SiCl4 4反应过程中的反应过程中的要要比比SiHSiH4 4的小的小; ; 边界层越厚，边界层越厚，就越大。就越大。352 2、互、互扩散效应扩散效应(Outdiffusion) 互（互（外）外）扩散效应

25、，指在衬底中的扩散效应，指在衬底中的杂质与外延层中的杂质在外延生长杂质与外延层中的杂质在外延生长时互相扩散，引起衬底与外延层界时互相扩散，引起衬底与外延层界面附近的杂质浓度缓慢变化的现象。面附近的杂质浓度缓慢变化的现象。不是本征效应，是杂质的不是本征效应，是杂质的固相扩散固相扩散带来。带来。 若杂质扩散速率远小于外延生长速若杂质扩散速率远小于外延生长速率，衬底中的杂质向外延层中扩散，率，衬底中的杂质向外延层中扩散，或外延层中杂质向衬底中的扩散，或外延层中杂质向衬底中的扩散，都如同都如同在半无限大的固体中的扩散在半无限大的固体中的扩散。当衬底和外延层都掺杂时，外延层当衬底和外延层都掺杂时，外延层

26、中最终杂质分布为：中最终杂质分布为：tDxerfNtDxerfNxNEESSE212212)(036“+”对应对应n/n（p/p）“-”对应对应p/n（n/p）3、综合效果 杂质再分布综合效果示意图杂质再分布综合效果示意图374 4、减小杂质再分布效应措施、减小杂质再分布效应措施降低外延温度降低外延温度，p-Si采用采用SiH2Cl2；或；或SiH4，但这对但这对As的自掺杂是无效。的自掺杂是无效。重掺杂的衬底，用重掺杂的衬底，用轻掺杂轻掺杂的硅来的硅来密封密封其底面其底面和侧面，减少杂质外逸。和侧面，减少杂质外逸。低压外延低压外延可减小自掺杂，这对砷，磷的效果可减小自掺杂，这对砷，磷的效果显

27、著，对硼的作用不明显。显著，对硼的作用不明显。用用离子注入的埋层离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓来降低衬底表面的杂质浓度。可在埋层或衬底上先生长未掺杂的薄膜度。可在埋层或衬底上先生长未掺杂的薄膜来避免衬底中的杂质外逸，再原位掺杂。来避免衬底中的杂质外逸，再原位掺杂。383.2.5 3.2.5 设备设备立式和桶式外延装置示意图立式和桶式外延装置示意图气相外延设备气相外延设备393.2.6 3.2.6 外延技术外延技术低压外延低压外延选择外延选择外延SOI技术技术40 基于不同的应用目的，气相外延发展出多基于不同的应用目的，气相外延发展出多样化的外延技术：样化的外延技术：1 1、低压外延、低压

28、外延( (lpe) 目的：减小自掺杂效应目的：减小自掺杂效应压力：压力：1*1032*104Pa原因：原因：低压气体扩散速率快，衬底逸出杂质可快速穿过边低压气体扩散速率快，衬底逸出杂质可快速穿过边界层被排除反应室界层被排除反应室,重新进入外延层机会减小；重新进入外延层机会减小；停止外延时，气体易清除，多层外延时缩小了过渡停止外延时，气体易清除，多层外延时缩小了过渡区，区，温度影响温度影响 随压力降低而减小，生长外延层温度下限随压力降低而减小，生长外延层温度下限也降低。也降低。问题：易泄漏，对设备要求提高；基座与衬底间温问题：易泄漏，对设备要求提高；基座与衬底间温差大；基座、反应室在减压时放出吸

29、附气体；外延差大；基座、反应室在减压时放出吸附气体；外延生长温度低等，带来外延层晶体完整性受到一定影生长温度低等，带来外延层晶体完整性受到一定影响。响。412、选择外延、选择外延(SEG)如何实现？如何实现？ 根据硅在绝缘体上很难核化成膜的特性，在硅表面的特定根据硅在绝缘体上很难核化成膜的特性，在硅表面的特定区域生长外延层而其它区域不生长的技术。区域生长外延层而其它区域不生长的技术。 外延生长晶粒成核速度外延生长晶粒成核速度 SiO2Si3N4SiCl或或HCl作用：作用： 利用氧化物表面的高清洁性和源中存在足够的利用氧化物表面的高清洁性和源中存在足够的Cl或或HCl提高提高原子的活动性，以抑

30、制气相中和掩蔽层表面处成核；原子的活动性，以抑制气相中和掩蔽层表面处成核；Cl，选择选择性性，因为因为HCl可将在氧化物表面形成的小团的硅刻蚀掉；可将在氧化物表面形成的小团的硅刻蚀掉；种类：种类：1.以以Si为衬底，以为衬底，以SiO2或或Si3N4为掩膜，在暴露的硅窗口内为掩膜，在暴露的硅窗口内生长外延；生长外延；2.或在暴露的硅窗口内生长外延，在掩膜生长或在暴露的硅窗口内生长外延，在掩膜生长Poly-Si；42注意注意：窗口侧壁的生长速率不规则性：窗口侧壁的生长速率不规则性导致边缘和中心生长速率差别的问题；导致边缘和中心生长速率差别的问题；晶面取向不同导致的生长特性差别晶面取向不同导致的生

31、长特性差别.433、SOI技术技术SOI (Silicon on Insulator)是指在绝缘层上是指在绝缘层上异质外延硅得到的材料。异质外延硅得到的材料。SOI电路是电路是介质隔离介质隔离，寄生电容小寄生电容小，使得速，使得速度快、抗幅射能力强、抑制了度快、抗幅射能力强、抑制了CMOS电路电路的闩锁。的闩锁。目前一些目前一些高速、高集成度高速、高集成度薄膜集成电路就薄膜集成电路就采用的采用的SOI材料。材料。 44横向超速外延（ELO, Extended Lateral Overgrowth）注意注意：缺陷问题：缺陷问题45SOISOI的结构特点的结构特点是在有源层和衬底层之间插是在有源层

32、和衬底层之间插入埋氧层来隔断二者的电连接。入埋氧层来隔断二者的电连接。 SOISOI和体硅在电路结构上的主要差别在于和体硅在电路结构上的主要差别在于：硅基器件或电路制作在外延层上，器件和硅基器件或电路制作在外延层上，器件和衬底直接产生电连接，高低压单元之间、衬底直接产生电连接，高低压单元之间、有源层和衬底层之间的隔离通过反偏有源层和衬底层之间的隔离通过反偏PNPN结结完成，而完成，而SOISOI电路的有源层、衬底、高低压电路的有源层、衬底、高低压单元之间都通过绝缘层完全隔开，各部分单元之间都通过绝缘层完全隔开，各部分的电气连接被完全消除。的电气连接被完全消除。 463、SOI 技术技术SDB

33、(Silicon Direct Bonding)SDB (Silicon Direct Bonding)直接键合与直接键合与背面腐蚀背面腐蚀BEBE（Back EtchingBack Etching）技术）技术SIMOX (Separating by Implanting Oxide )SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔离氧注入隔离Smart CutSmart Cut智能切割智能切割ELTRAN (Epitaxy Layer Transfer)ELTRAN (Epitaxy Layer Transfer)外延层转外延层转移移目前最常用技术目前

34、最常用技术47SOS SOS 技术技术SOS 是是SOI中的一种，衬底是蓝宝石中的一种，衬底是蓝宝石(-Al2O3) ，或尖晶石，或尖晶石(MgO.Al2O3)蓝宝石和尖晶石是蓝宝石和尖晶石是良好的绝缘体良好的绝缘体，以它们作，以它们作为衬底外延生长硅制作集成电路，可以消除为衬底外延生长硅制作集成电路，可以消除集成电路元器件之间的相互作用，不但可以集成电路元器件之间的相互作用，不但可以减少漏电流和寄生电容，增强抗辐射能力和减少漏电流和寄生电容，增强抗辐射能力和降低功耗，还可以提高集成度和双层布线，降低功耗，还可以提高集成度和双层布线，是大规模、超大规模集成电路的理想材料。是大规模、超大规模集成

35、电路的理想材料。SOS工艺：工艺：SiH4或或SiH2Cl2，约约1000VPE。48第五次课问题第五次课问题影响外延速率的主要因素影响外延速率的主要因素? ?是否硅源浓度越高外延速率就越快是否硅源浓度越高外延速率就越快? ?为什么使用为什么使用VPEVPE工艺难以得到突变结？工艺难以得到突变结？举出两种能减小外延工艺杂质再分布的举出两种能减小外延工艺杂质再分布的方法？方法？3.33.3 分子束外延分子束外延分子束外延（分子束外延（molecular beam epitaxy, MBEmolecular beam epitaxy, MBE）是一种物理汽相外延工艺，多用于外延层薄、是一种物理汽相

36、外延工艺，多用于外延层薄、杂质分布复杂的多层硅外延，也用于杂质分布复杂的多层硅外延，也用于-族、族、-族化合物半导体及合金、多种金属和氧族化合物半导体及合金、多种金属和氧化物单晶薄膜的外延生长。化物单晶薄膜的外延生长。 503.3.1 3.3.1 工艺及原理工艺及原理 MBE指在超高指在超高真空下，热分真空下，热分子束由喷射炉子束由喷射炉喷出，射到洁喷出，射到洁净的单晶衬底净的单晶衬底表面，生长出表面，生长出外延层。外延层。 MBE是物理气是物理气相外延工艺。相外延工艺。 51MBE硅硅工艺流程：工艺流程：准备准备抽真空抽真空 原位清洗原位清洗外延生长外延生长停机停机准备准备：RCA清洗（清洗

37、（Radio Corporation of AmericaRadio Corporation of America 开发开发的一种硅片湿法化学清洗技术）、腐蚀、装片的一种硅片湿法化学清洗技术）、腐蚀、装片抽真空抽真空：外延室基压：外延室基压10-8Pa以上以上原位清洗原位清洗：惰性气体离子束轰击硅片表面，至其表面：惰性气体离子束轰击硅片表面，至其表面溅射溅射清洁，升温至清洁，升温至800900退火数分钟，再降至退火数分钟，再降至650650外延生长外延生长：开喷射炉，控制工作压力：开喷射炉，控制工作压力10-4Pa，硅蒸汽压低，硅蒸汽压低，黏附系数黏附系数1( 1(化学吸附原子数化学吸附原子数

38、/ /入射原子数入射原子数) )，到达衬底原，到达衬底原子被物理吸附子被物理吸附迁移至结点迁移至结点化学吸附，化学吸附，生长速率约生长速率约0.1m/min掺杂掺杂：选黏附系数大、停留时间长的杂质：选黏附系数大、停留时间长的杂质：Sb、Ga、Al3.3.2 3.3.2 外延设备外延设备53MBE系统主要部分系统主要部分生长室加热站缓冲室衬底装填口空气锁转运工具 监控系统真空系统喷射炉原位监测系统原位监测系统四极质谱仪四极质谱仪，用以监测分子束的流量和残余气体，用以监测分子束的流量和残余气体俄歇电子能量分析器俄歇电子能量分析器(AES)(AES)，用来测定表面的化学，用来测定表面的化学成份成份离

39、子枪离子枪，用于衬底表面外延前和外延表面实时清，用于衬底表面外延前和外延表面实时清洁洁高能电子衍射仪高能电子衍射仪(HEED)(HEED)，由电子枪和荧光屏组成，由电子枪和荧光屏组成, ,电子束以小角度（电子束以小角度（1-21-2）投向衬底。电子束被所）投向衬底。电子束被所生长外延层表面原子反射后，生成二维衍射图像生长外延层表面原子反射后，生成二维衍射图像，包含有关表面上整体构造和原子排列的信息，包含有关表面上整体构造和原子排列的信息 543.3.2 MBE特点特点超高真空度超高真空度达达10-910-11Torr ，外延过程污染，外延过程污染少，外延层洁净。少，外延层洁净。温度低温度低，(

40、100)Si 最低外延温度最低外延温度400800 ，所以无杂质的再分布现象。所以无杂质的再分布现象。外延分子外延分子由喷射炉喷出，速率可调，由喷射炉喷出，速率可调，易于控易于控制制，可瞬间开，可瞬间开/停，能生长极薄外延层，厚停，能生长极薄外延层，厚度可薄至度可薄至量级。量级。55MBE特点（续）特点（续）设备上有多个喷射口，可生长设备上有多个喷射口，可生长多层、杂质多层、杂质分布复杂的外延层分布复杂的外延层，最多层数可达，最多层数可达104层。层。在整个外延过程中在整个外延过程中全程监控全程监控，外延层质量，外延层质量高。高。MBE多用于外延结构复杂、外延层薄的异多用于外延结构复杂、外延层

41、薄的异质外延。质外延。设备复杂、价格昂贵，生产效率低设备复杂、价格昂贵，生产效率低563.3. 其它外延其它外延3.4.1 3.4.1 液相外延液相外延3.4.2 固相外延固相外延3.4.3 先进外延技术及发展趋势先进外延技术及发展趋势573.4.1 3.4.1 液相外延液相外延 liquid phase epitaxy, LPE 液相外延是利用溶液的饱和溶解度随温度的液相外延是利用溶液的饱和溶解度随温度的变化而变化，使溶液结晶析出在衬底上进行变化而变化，使溶液结晶析出在衬底上进行外延的方法。外延的方法。硅的液相外延是采用硅的液相外延是采用低熔点金属作为溶剂低熔点金属作为溶剂，常用的溶剂有常用

42、的溶剂有锡、铋、铅及其合金锡、铋、铅及其合金等。等。 硅的液相外延是将硅溶入锡中，在硅的液相外延是将硅溶入锡中，在949949时时溶液饱和，当降低温度溶液饱和，当降低温度10-3010-30时溶液过饱时溶液过饱和，硅析出，在单晶硅衬底上生长出外延层。和，硅析出，在单晶硅衬底上生长出外延层。 58Lpe设备与特点59 通用水平滑动式通用水平滑动式LPE系统示意图系统示意图相对于相对于VPE和和MBE而而言，言，LPE生长速率快，生长速率快，安全性高；工艺温度安全性高；工艺温度低、互扩散效应也就低、互扩散效应也就不严重，而且没有自不严重，而且没有自掺杂效应，所以杂质掺杂效应，所以杂质再分布现象弱。

43、再分布现象弱。相对于相对于MBE而言设备而言设备简单，工艺成本较低，简单，工艺成本较低，在制备厚的硅外延层在制备厚的硅外延层时常被采用。时常被采用。外延表面形貌一般。外延表面形貌一般。3.4.2 固相外延solid phase epitaxy, SPE 固相外延固相外延 是将晶体衬底上的非晶或多是将晶体衬底上的非晶或多晶薄膜（或区域）在高温下退火，使其晶薄膜（或区域）在高温下退火，使其转化为单晶转化为单晶 。离子注入时，损伤造成的非晶区和非晶离子注入时，损伤造成的非晶区和非晶层经退火晶化过程就是固相外延。层经退火晶化过程就是固相外延。SPESPE工艺的关键是工艺的关键是工艺温度和保温时间工艺温

44、度和保温时间。 603.4.3 先进外延技术及发展趋势1 1、超高真空化学汽相淀积、超高真空化学汽相淀积19861986年由年由IBMIBM提出，生长室气压可达提出，生长室气压可达10 10 - 7- 7 Pa Pa，源，源SiHSiH4 4，衬底为晶格完好的单晶硅，在，衬底为晶格完好的单晶硅，在600750600750之间，之间，甚至更低温度淀积薄膜为单晶硅甚至更低温度淀积薄膜为单晶硅 优势：优势： 工艺温度低工艺温度低，制备杂质陡变分布的薄外延层；，制备杂质陡变分布的薄外延层； 真空度高真空度高，减少了残余气体带来的污染；，减少了残余气体带来的污染； 设备操作维护比较简单，易于实现设备操作

45、维护比较简单，易于实现批量生产批量生产。目前已广泛应用于产业界目前已广泛应用于产业界 613.4.3 先进外延技术及发展趋势例：例：GaAs/SiGaAs/Si外延外延当前较成熟的方法是直接生长法，当前较成熟的方法是直接生长法，两步两步MBE外延工艺过程：外延工艺过程：As气氛中，约气氛中，约900热处理；热处理；一步生长，一步生长，150-400是生长厚约是生长厚约20nm的非晶的非晶GaAs缓冲层；缓冲层；二步生长是单晶生长，二步生长是单晶生长，450-600在此期间一步生长的非晶也转化为在此期间一步生长的非晶也转化为单晶单晶 T/t/min一步一步二步二步预处理预处理GaAs/Si外延工

46、艺外延工艺2、金属有机物汽相外延、金属有机物汽相外延Metal organic vapor phase epitaxy （ 金属有机物化学气相淀积金属有机物化学气相淀积MOCVD） 主要制备化合物半导体单晶薄膜主要制备化合物半导体单晶薄膜 623.4.3 3.4.3 先进外延技术及发展趋势先进外延技术及发展趋势3 3、化学束外延、化学束外延（chemical beam epitaxy, CBEchemical beam epitaxy, CBE）2020世纪世纪8080年代中期，综合年代中期，综合MBEMBE的超高真空条件的超高真空条件下的束流外延可以下的束流外延可以原位监测原位监测及及MOC

47、VDMOCVD的的气态源气态源等优点。等优点。与与CBECBE相关的还有气态源分子束外延相关的还有气态源分子束外延 (GSMBE)(GSMBE)和金属有机化合物分子束外延和金属有机化合物分子束外延(MOMBE)(MOMBE)。 633.5 外延层缺陷及检测 外延层质量直接关系到做在它上面外延层质量直接关系到做在它上面的各种器件的性能，所以应检测、分析的各种器件的性能，所以应检测、分析外延层缺陷及产生原因，并对外延层特外延层缺陷及产生原因，并对外延层特征量进行测试：征量进行测试：3.5.1 3.5.1 外延缺陷类型及分析检测外延缺陷类型及分析检测3.5.23.5.2 图形漂移和畸变现象图形漂移和

48、畸变现象3.5.3 3.5.3 外延层参数测量外延层参数测量643.5.1 外延缺陷类型及分析检测外延缺陷类型及分析检测外延层中的缺陷有外延层中的缺陷有表面缺陷表面缺陷和和内部晶格结构内部晶格结构缺陷缺陷（体内缺陷）。通常体内缺陷会显现在（体内缺陷）。通常体内缺陷会显现在表面。表面。表面缺陷：云雾状表面、角锥体、表面突起、划表面缺陷：云雾状表面、角锥体、表面突起、划痕、星状体、麻坑等。痕、星状体、麻坑等。体内缺陷：体内缺陷： 层错层错 位错位错线缺陷线缺陷外延层外延层（111）衬底）衬底划痕划痕点缺陷点缺陷角锥体角锥体层错层错65雾状表面缺陷雾状表面缺陷雾圈雾圈 白雾白雾 残迹残迹 花雾花雾雾圈雾圈 白雾白雾 残迹残迹 花雾花雾66角锥体角锥体l星形线（滑移线）星形线（滑移线）划痕：由机械损伤引起划痕：由机械损伤引起67层错层错（堆积层错）（堆积层错）683.5.2 图形漂移和畸变现象 SiSi各向异性各向