集成电路制造技术_第七章外延

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第七章
主
外延
讲:毛
维
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西安电子科技大学微电子学院
绪论
 定义:在单晶衬底上,按衬底晶向生长一层新的单



晶薄膜的工艺技术。
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。
应用
①双极器件与电路:
轻掺杂的外延层——较高的击穿电压;
重掺杂的衬底降低集电区的串联电阻。
②CMOS电路:
避免了闩锁效应:降低漏电流。
绪论

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
外延的分类
①按工艺分类:
气相外延(VPE):硅的主要外延工艺;
液相外延(LPE):Ⅲ-Ⅴ化合物的外延;
固相外延(SPE):离子注入退火过程;
分子束外延(MBE,Molecular Beam Epitaxy)
②按材料分类
同质外延:外延层与衬底的材料相同,如
Si上外延Si,GaAs上外延GaAs;
异质外延:外延层与衬底的材料不相同,如
Si上外延SiGe 或 SiGe上外延Si;
蓝宝石上外延Si-- SOS(Silicon on Sapphire);
蓝宝石上外延GaN、SiC。
③按压力分类
常压外延:100kPa ;
低压(减压)外延:5-20kPa。
7.1 硅气相外延的基本原理

7.1.1 硅源
① SiCl4
采用传统的高温工艺
② SiHCl3
③ SiH2Cl2
④ SiH4
 新硅源Si2H6
采用现代的低温工艺
7.1.2 外延生长模型


生长步骤
①传输:反应物从气相经边界层转移到Si表面;
②吸附:反应物吸附在Si表面;
③化学反应:在Si表面进行化学反应,得到Si及副产物;
④脱吸:副产物脱离吸附;
⑤逸出:脱吸的副产物从表面转移到气相,逸出反应室;
⑥加接:生成的Si原子加接到晶格点阵上,延续衬底晶向
生长特征:横向二维的层层生长。
7.1.3 化学反应—H2还原SiCl4体系
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
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
生长总反应:SiCl4 + 2H2 Si(s)+4HCl(g)
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:SiCl2(吸附)+ H2 Si(s)+2HCl (硅的析出反应)
或 SiCl2 (吸附) Si(s) + SiCl4 (硅的析出反应)
腐蚀反应:SiCl4+ Si(s) 2SiCl2
7.1.4 生长速率与温度的关系
7.1.5 生长速率与反应剂浓度的
关系
7.1.6 生长速率v与气体流速U
的关系



SiCl4外延温度:1200℃,输运控制;
边界层厚度:δ(x)=(μx/ρU)1/2 ;
故,v随U的增大而增加。
7.2 外延层的杂质分布
外延掺杂的特点:原位掺杂;
 外延掺杂的优点:掺杂浓度可精确控制;突变
型分布。
 分布偏离:
①自掺杂效应---衬底杂质蒸发进入边界层;
②扩散效应---衬底与外延层杂质相互扩散。

7.2 外延层的杂质分布

7.2.1 掺杂原理
①淀积过程(与外延相比)
 相似:输运控制和反应控制
 不同:动力学性质
②掺入效率:与T、v、U以及杂
质剂的摩尔分数等有关。
③掺杂源:B2H6、PH3、AsH3。
7.2.2 扩散效应
扩散效应:衬底杂质与外延层杂质相互扩散,导致界
面处杂质再分布;
 杂质扩散:满足菲克第二定律--扩散方程,即
①衬底杂质分布:假定外延层本征生长,外延层杂质浓
度为N1(x)--余误差函数
②外延层杂质分布:假定衬底本征,外延层杂质浓度为
N2(x)--余误差函数
③实际再分布(衬底和外延层都掺杂):外延层杂质浓度
为N(x)= N1(x)±N2(x)
 “+”:n/n+(p/p+);“-”:p/n+(n/p+)
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7.2.3 自掺杂效应(非故意掺杂)
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定义:衬底杂质及其他来源杂质非人为地掺入外延层。
来源:各种气相自掺杂
①衬底扩散蒸发的杂质:在外延生长的初期;
②衬底背面及侧面释放的杂质;
③外延生长前吸附在表面的杂质;
④气相腐蚀的杂质;
⑤其他硅片释放的杂质。
⑥外延系统:基座、输入气体中的杂质。
7.3 低压外延(5-20kPa)
 低压作用:减小自掺杂效应;
 优点:
 ①杂质分布陡峭;
 ②厚度及电阻率的均匀性改善;
 ③外延温度随压力的降低而下降;
 ④减少了埋层图形的畸变和漂移;
7.4 选择性外延
 SEG :在特定区域有选择地生长外延层;
 原理:Si在SiO2或Si3N4上很难核化成膜;
 选择性:①特定区域;②硅源。
 硅源的选择性顺序:SiCl4>SiHCl3>SiH2Cl2>SiH4;
选择性外延(SEG)
横向外延(ELO)
7.6 SOS及SOI技术
SOI——
Silicon On Insulator 或Semiconductor On Insulator,
意思是绝缘层上硅。
 SOS——
Silicon On Sapphire 或Semiconductor On Spinel,意
思是蓝宝石上硅或尖晶石上硅。
注意:SOI技术是一种异质外延技术,SOS是SOI中的
一种。

SOI(Silicon-On-Insulator:
绝缘衬底上的硅)技术
SOS的不足

SOS结构存在下列主要问题:
①硅-蓝宝石界面比Si-SiO2界面质量差。
②蓝宝石的介电常数接近10(SiO2是3.9),会产生
较大的寄生电容。
③膨胀系数的差异引入的应力。

硅的膨胀系数是4.5×10-6℃,蓝宝石比它大一倍左
右。
④蓝宝石导热性差。
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SOI技术的特点与优势
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1.速度高 :在相同的特征尺寸下,工作速度可提高
30-40%;
2.功耗低: 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;
4.特别适合于低压、低功耗电路;
5.集成密度高 : 封装密度提高约40%;
6.低成本: 最少少用三块掩模版,减少13%-20%
(30%)的工序;
7.耐高温环境: 工作温度300℃-500℃;
8.抗辐照特性好: 是体硅器件的50-100倍。
7.7 分子束外延(MBE)
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

MBE:Molecular Beam Epitaxy
原理:在超高真空下,利用薄膜组分元素受热蒸发所
形成的原子或分子束,直接射到衬底表面,形
成外延层。
应用:元素半导体—Si、Ge
化合物半导体-GaAs、GaN、SiGe
MBE的特点:
①温度低;
②生长速度低;
③化学组成及掺杂浓度精确可控;
④厚度可精确控制到原子级;
7.8 缺陷及检测
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缺陷种类:
a.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,
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;
d.与工艺或与表面加工(抛光面划痕、损伤),碳沾污等
有关,形成的表面锥体缺陷(如角锥体、圆锥体、三棱
锥体、小丘);
e.衬底堆垛层错的延伸;
7.8 缺陷及检测
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7.8.1 层错
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;外延
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。
影响:
①导致杂质的异常扩散:引起杂质分布不均匀;
②成为重金属杂质的淀积中心:
引起p-n结的软击穿、低压击穿,甚至穿通。
7.8.2 层错法测量外延层厚度

原理:化学腐蚀的各向异性,即层错界面两边的原子
结合较弱,具有较快的腐蚀速率。
计算:T=(2/3)1/2l≈0.816l
7.8.3 图形漂移和畸变
7.8.3 图形漂移和畸变
原因:外延生长-腐蚀速率的各向异型;
 漂移规律
◆{111}面:严重;偏离2~5度,漂移显著减小,常用偏
离3度。
◆外延层越厚,偏移越大。
◆温度越高,偏移越小。
◆生长速率越小,偏移越小。

7.9 外延层电阻率的测量
方法:四探针法、三探针法、电容-电压(CV)法、扩展
电阻法等
 扩展电阻法
特点:可以测量微区的电阻率或电阻率分布。
原理:当金属探针与半导体材料呈欧姆接触时,电阻主
要集中在接触点附近的半导体中,而且呈辐射状
向半导体内扩展。
采用探针形式:单探针、两探针、三探针。
下面以右图所示单探
针为例进行原理说明。

7.9 外延层电阻率的测量

总的接触电阻为: R  dR1  dR2    dR

  dR 
r0


2r0
从针尖到5r0范围内的电阻为:R(5r ) 
0



与总电阻之比为:
( dR 

5 r0
r0

dr )
2
2r

2
dr

2r 2
5r0
R(5r0 )
 80%
R ( )
(说明扩展电阻主要集中在接触点附近的半导体中)

RK
对于圆形平面接触(接触半径为a),则总接触电阻为:
4a
对于薄外延层、扩散层、离子注入层,电阻率(修正后)为:

4aR
 0 
(Ct为修正因子)
Ct
Ct K

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