微电子工艺基础,Click to edit Master title style,Click to edit Master text stylesgood1,Second levelgood2,Third levelgood3,Fourth levelgood4,Fifth levelgood5,*,第,4,章 外延工艺,1,第4章 外延工艺1,2,第,4,章 外延工艺,本章（,3,学时）目标：,1,、了解相图和固溶度的概念,2,、了解外延技术的特点和应用,3,、掌握外延的分类,4,、掌握气相外延的原理、步骤,5,、了解分子束外延的实现方式和优点,2,2第4章 外延工艺本章（3学时）目标：1、了解相图和固溶,3,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,二、外延工艺,1,、概述,2,、硅的气相外延,3,、掺杂,4,、缺陷与检测,5,、外延的应用,三、其它外延,3,3第4章 外延工艺一、相图和固溶度的概念3,4,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,1,、定义,相图,半,导体材料，即使是硅也多以掺杂混合物状态出现的。,相图是表达混合材料性质的一种简便方法。,相图与大气压也有关，微电子工艺中一般只用常压状态相图,金属及其他工程材料的性能决定于其内部的组织、结构，金属等材料的组织又由基本的相所组成。由一个相所组成的组织叫单相组织，两个或两个以上的相组成的叫两相或多相组织。,相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态。,表达混合材料性质的一种很简便的方式就是相图。二元相图可以看作是标示出两种材料混合物稳定相区域的一种图，这些相区域是组成百分比和温度的函数。相图也可能依赖于气压。,4,4第4章 外延工艺,5,2,、二元相图,二元相图可以看做是,表示出两种材料混合物稳定相区域的一种图，,这些相区域是,组分百分比,和,温度,的函数,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,5,52、二元相图二元相图可以看做是表示出两种材料混合物稳定相区,6,1414,938.3,硅原子百分比,硅重量百分比,固相,液相,Ge-Si,相图,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,6,61414938.3硅原子百分比硅重量百分比固相液相Ge-S,7,3,、固溶度,杂质浓度通常用单位体积内的原子数来表示。,例如硅中砷原子浓度,3.5%,相当于,1.75X10,21,cm,-3,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,固溶度,在平衡态下，一种杂质可以溶在另一种材料的最高浓度,或者说溶质固溶于溶剂内所形成的饱和固溶体内溶质的浓度。,7,73、固溶度杂质浓度通常用单位体积内的原子数来表示。第4章,8,3,、固溶度,相当于,3%,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,8,83、固溶度相当于3%第4章 外延工艺,9,3,、固溶度,掺杂浓度可以超过固溶度,。,给含杂质原子的圆片加热，再快速冷却，杂质浓度可超出其固溶度的,10,倍以上。,淬火：,硅片冷却导致杂质成分在硅晶体内形成固体淀积,（当然也可能有较少部分跑出晶格表面）,，,如果,冷却足够快,，那么淀积是无法形成的，而比热力学平衡条件所允许的,更高浓度的杂质,就被,冻结在硅晶格之中了，冶金学家称此过程为淬火,。,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,9,93、固溶度掺杂浓度可以超过固溶度。给含杂质原子的圆片加热，,10,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,二、外延工艺,1,、概述,2,、硅的气相外延,3,、掺杂,4,、缺陷与检测,5,、外延的应用,三、其它外延,10,10第4章 外延工艺一、相图和固溶度的概念10,11,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,1,、概述,（,1,）外延定义：,在单晶衬底上新生一层单晶膜的技术。,以气相外延为例，则是,含外延层材料的物质以气相形式流向衬底，在,高温,下发生,化学反应，,在单晶衬底上,生长出与衬底取向一致的单晶。,记作：,P/Q,（,P,为外延层）,11,11第4章 外延工艺,12,1,、概述,生成的晶体结构良好,掺入的杂质浓度易控制,可形成接近突变,pn,结的特点,（,2,）外延特点：,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,12,121、概述生成的晶体结构良好（2）外延特点：第4章 外,13,1,、概述,（,3,）外延分类：,按工艺分类,A,气相外延（,VPE,）,利用硅的气态化合物或者液态化合物的蒸汽，在加热的硅衬底表面和氢发生反应或自身发生分解还原出硅。,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,13,131、概述（3）外延分类： 按工艺分类A 气相外延（V,14,B,液相外延（,LPE,）,衬底在液相中，液相中析出的物质并以单晶形式淀积在衬底表面的过程。,此法广泛应用于,III-V,族化合半导体的生长。,原因是化合物在高温下易分解，液相外延可以在较低的温度下完成。,1,、概述,（,3,）外延分类：,按工艺分类,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,14,14B 液相外延（LPE）1、概述（3）外延分类： 按工,15,C,固相外延（,SPE,）,D,分子束外延（,MBE,）,在超高真空条件下，利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射到衬底表面，并在其上形成外延层的技术。,特点：生长时衬底温度低，外延膜的组分、掺杂浓度以及分布可以实现原子级的精确控制,。,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,1,、概述,（,3,）外延分类：,按工艺分类,15,15C 固相外延（SPE）第4章 外延工艺,16,按导电类型分类,n,型外延：,n/n, n/p,外延,p,型外延：,p/n, p/p,外延,1,、概述,（,3,）外延分类：,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,16,16 按导电类型分类n型外延：n/n, n/p外延1、概,17,按,反应室形式,卧式：,产量大，设备结构简单；但是生成的外延层的厚度和电阻率 的均匀性较差，外延生长时易出现滑移位错及片子弯曲。,立式：维护容易，外延层的厚度和电阻率的均匀性及自掺杂效应能得到较好的控制；但设备大型话，制造难度大。,桶式：较好的防止外延滑移位错，外延层的厚度和电阻率的均匀性好； 但设备结构复杂，不易维护。,1,、概述,（,3,）外延分类：,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,17,17 按反应室形式卧式：产量大，设备结构简单；但是生成的,18,按,反应室形式,1,、概述,（,3,）外延分类：,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,18,18 按反应室形式1、概述（3）外延分类：第4章 外,19,按材料异同分类,同质外延（,autoepitaxy,）：,异质外延（,heteroepitaxy,）：,外延层和衬底为同种材料,例如硅上外延硅。,外延层和衬底为不同种 材料,例如,SOI(,(,绝缘体上硅,),是一种特殊的硅片，其结构的主要特点是在有源层和衬底层之间插入绝缘层,埋氧层来隔断有源层和衬底之间的电气连接,),1,、概述,（,3,）外延分类：,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,19,19 按材料异同分类同质外延（autoepitaxy）：,20,按电阻率高低分类,正外延：,低阻衬底上外延高阻层,n/n+,反外延：,高阻衬底上外延低阻层,1,、概述,（,3,）外延分类：,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,20,20 按电阻率高低分类正外延：低阻衬底上外延高阻层n/n,21,按温度（,1000,度界）, 按压力（常压、低压,）,1,、概述,（,3,）外延分类：,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,21,211、概述（3）外延分类：第4章 外延工艺,22,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,二、外延工艺,1,、概述,2,、硅的气相外延,3,、掺杂,4,、缺陷与检测,5,、外延的应用,三、其它外延,22,22第4章 外延工艺一、相图和固溶度的概念22,23,2,、硅的气相外延,（,1,） 原理,在气相外延生长过程中，有两步,：,质量输运过程反应剂输运到衬底表面,表面反应过程在衬底表面发生化学反应释放出硅原子,外延的过程,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,23,232、硅的气相外延（1） 原理在气相外延生长过程中，有两步,24,（,1,） 原理,通常用的外延反应剂：,SiCl,4,(*),、,SiH,2,Cl,2,、,SiH,4,、,SiHCl,3,外延反应剂,2,、硅的气相外延,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,24,24（1） 原理通常用的外延反应剂：SiCl4 (*)、Si,25, SiCl,4,外延反应剂,SiCl,4,2H,2, Si + 4HCl,（,1200,度左右）,（生长，腐蚀）,SiCl,4,Si 2SiCl,2,（腐蚀硅）,H,2,的作用：运载和稀释气体；,还原剂,上述两个反应的综合结果外延生长的同时伴随有衬底的腐蚀。,（,1,） 原理,2,、硅的气相外延,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,25,25 SiCl4外延反应剂SiCl4 2H2 -,26,原理图：,（,1,） 原理,2,、硅的气相外延,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,26,26原理图：（1） 原理2、硅的气相外延第4章 外延工艺,27,（,2,） 外延生长速率,控制外延速率很关键,过快可能造成：,多晶生长,外延层中有过多的堆跺层错,夹渣,2,、硅的气相外延,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,27,27（2） 外延生长速率 控制外延速率很关键过快可能造成,28,影响外延生长速率的因素,A,反应剂的浓度,工业典型条件,Y=0.005-0.01,（,2,） 外延生长速率,2,、硅的气相外延,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,28,28 影响外延生长速率的因素A 反应剂的浓度工业典型,29,影响外延生长速率的因素,B,外延的温度,在实际生产中：外延温度选择在,B,区原因有二。,a,）,B,区的温度依赖型强；,b,） 淀积的硅原子也需要足够的能量和迁移能力，高温,（,2,） 外延生长速率,2,、硅的气相外延,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,29,29 影响外延生长速率的因素B 外延的温度在实际生产中：外,30,影响外延生长速率的因素,C,气体流速,由于,1200,高温下到达衬底表面的不会堆积：因此流速越大，外延层的生长速率越快。,（,2,） 外延生长速率,2,、硅的气相外延,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,30,30 影响外延生长速率的因素C 气体流速由于1200高温下,31,影响外延生长速率的因素,D,其它,反应腔界面形状等。,（,2,） 外延生长速率,2,、硅的气相外延,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,31,31 影响外延生长速率的因素D 其它反应腔界面形状等。（2,32,系统要求,气密性好；,温度均匀；,气流均匀；,反应剂和掺杂剂的浓度和流量精确可控；,外延前能对衬底做气相抛光；,（,2,） 外延生长速率,2,、硅的气相外延,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,32,32 系统要求 气密性好；（2） 外延生长速,33,（,3,） 系统及工序,工序（参见教材图,12.35,）,2,、硅的气相外延,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,33,33（3） 系统及工序 工序（参见教材图12.35）2、硅,34,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,二、外延工艺,1,、概述,2,、硅的气相外延,3,、掺杂,4,、缺陷与检测,5,、外延的应用,三、其它外延,34,34第4章 外延工艺一、相图和固溶度的概念34,35,3,、掺杂,按器件对外延导电性和电阻率的要求，在外延的同时掺入适量的杂质，这称为有意掺杂,。,（,1,）有意掺杂,有意掺杂的掺杂剂：通常为氢化物或者氯化物,例如：,N,型为,PH,3,、,AsH,3,、,PCl,3,、,AsCl,3,例如：,P,型为,B,2,H,6,剧毒,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,35,353、掺杂按器件对外延导电性和电阻率的要求，在外延的同时掺,36,掺杂剂的掺杂也包括质量传输和表面化学反应过程。,（,1,）有意掺杂,外延层的掺杂量影响因素：,A,掺杂剂的浓度,B,衬底温度,C,淀积速率等其他因素,3,、掺杂,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,36,36掺杂剂的掺杂也包括质量传输和表面化学反应过程。（1）有意,37,（,1,）有意掺杂,外延层的掺杂浓度与掺杂剂初始分压的关系：,3,、掺杂,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,37,37（1）有意掺杂外延层的掺杂浓度与掺杂剂初始分压的关系：3,38,（,2,）自掺杂（可参考教材,P258,中间部分）,大多数,VLSI,电路要求在重掺杂（,10,19,-10,20,cm,-3,）衬底上外延轻掺杂（,10,14,-10,17,cm,-3,）层。,外延层通常会有三个无意掺杂过程发生。,衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然后重新返回外延层。,3,、掺杂,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,38,38（2）自掺杂（可参考教材P258中间部分）大多数VLSI,39,3,、掺杂,（,3,）杂质外扩散（可参考教材,P258,中间部分）,重掺杂衬底中的杂质通过热扩散进入外延层。,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,39,393、掺杂（3）杂质外扩散（可参考教材P258中间部分）重,40,3,、掺杂,（,3,）杂质外扩散（可参考教材,P258,中间部分）,杂质分布曲线：（其中,N,（,x,）,= N,1,（,x,）,+ N,2,（,x,） ）,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,40,403、掺杂（3）杂质外扩散（可参考教材P258中间部分）杂,41,3,、掺杂,（,3,）杂质外扩散,综合自掺杂效应和互扩散效应。杂质浓度分布曲线,：,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,41,413、掺杂（3）杂质外扩散综合自掺杂效应和互扩散效应。杂质,42,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,二、外延工艺,1,、概述,2,、硅的气相外延,3,、掺杂,4,、缺陷与检测,5,、外延的应用,三、其它外延,42,42第4章 外延工艺一、相图和固溶度的概念42,43,4,、缺陷与检测,（,1,）缺陷种类,（参见教材,P256,）,a,存在于衬底中并连续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,堆跺层错（参见教材,p257,最下部分）,c,外延层中的析出杂质,d,与工艺或表面加工有关形成的表面锥体缺陷,e,衬底堆跺层错的延伸,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,43,434、缺陷与检测（1）缺陷种类a 存在于衬底中并连续延,44,4,、缺陷与检测,（,2,）参数测量,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,44,444、缺陷与检测（2）参数测量第4章 外延工艺,45,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,二、外延工艺,1,、概述,2,、硅的气相外延,3,、掺杂,4,、缺陷与检测,5,、外延的应用,三、其它外延,45,45第4章 外延工艺一、相图和固溶度的概念45,46,5,、外延的应用*,（,1,）双极型电路, n/n,+,外延,在,n,型外延层上制作高频功率晶体管,n+,用作机械支撑和导电层，同时降低了集电极的串联电阻,n,提高了集电极基极之间的击穿电压。,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,46,465、外延的应用*（1）双极型电路 n/n+外,47,5,、外延的应用,（,1,）双极型电路, n/p,外延,双极型传统工艺在,p,衬底上进行,n,型外延（,P257,中间最后一句话）,通过简单的,p,型杂质隔离扩散，实现双极型集成电路元器件的隔离。,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,47,475、外延的应用（1）双极型电路 n/p外延双极型传统,48,5,、外延的应用,（,2,）,MOS,电路,外延膜的主要应用是作为双极型晶体管的集电极。,外延膜在,MOS,集成电路中的较新应用是利用重掺杂外延减小闩锁效应（寄生闸流管效应）。,第,4,章 外延工艺,二、外延工艺,48,485、外延的应用（2）MOS电路外延膜的主要应用是作为双极,49,第,4,章 外延工艺,一、相图和固溶度的概念,二、外延工艺,1,、概述,2,、硅的气相外延,3,、掺杂,4,、缺陷与检测,5,、外延的应用,三、其它外延,49,49第4章 外延工艺一、相图和固溶度的概念49,50,第,4,章 外延工艺,三、其它外延,1,、分子束外延（,MBE,）,分子束外延（外延物质是原子的也叫原子束外延）是近年来才被普遍采用的一种物理气相外延工艺。,在超高真空下，热分子束由喷射炉喷出，射到衬底表面，外延生长出外延层。,（,1,）概述,50,50第4章 外延工艺,51,第,4,章 外延工艺,三、其它外延,1,、分子束外延（,MBE,）,分子束外延设备复杂、价格昂贵，真空室真空度达,10,-9,10,-11,Torr,，喷射炉可以根据需要喷射出多种分子（原子），另外监测装置可以对外延层生长速率、气体成分、结构和厚度进行实时监控。因此，分子束外延具有许多优点。,常规的硅掺杂源不适用：,使用,Ga,P,型；,Sb,N,型,（,1,）概述,51,51第4章 外延工艺,52,1,、分子束外延,（,2,）设备,第,4,章 外延工艺,三、其它外延,52,521、分子束外延（2）设备第4章 外延工艺,53,1,、分子束外延,（,3,）特点,分子束外延是在超高真空下进行，外延过程污染少，外延层洁净。,外延温度较低（,400,800,度），硅分子束外延温度是,630,，所以通常采用分子束外延少有杂质的再分布现象。,外延分子是由喷射炉喷出，喷射速率可调，易于控制，外延可以迅速进行或停止，这样就能生长极薄的外延层，外延层厚度可以薄至,量级；,第,4,章 外延工艺,三、其它外延,53,531、分子束外延 （3）特点分子束外延是在超高真,54,1,、分子束外延,（,3,）特点,外延设备上有多个喷射口，可以生长多层、杂质分布复杂的外延层，外延层最多层数可达,10,4,层。,在整个外延过程中全程监控，因此外延层质量高。,分子束外延多用于外延结构复杂、外延层薄的外延层，异质外延一般也采用分子束外延。,生长慢（既是优点也是缺点），通常用于过高精度或过薄的外延层。,第,4,章 外延工艺,三、其它外延,54,541、分子束外延 （3）特点外延设备上有多个喷射,55,2,、异质外延,（,1,）概述,异质外延也叫非均匀外延，外延层与衬底材料不相同，如,SOS,材料就是,Si/Al,2,O,3,异质外延材料，一些薄膜集成电路就是采用的,SOS,材料。,第,4,章 外延工艺,三、其它外延,55,552、异质外延 （1）概述异质外延也叫非均匀外延，外,56,2,、异质外延,（,2,）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,衬底与外延层热力学参数相匹配，即热膨胀系数接近。以避免生长的外延层由生长温度冷却至室温时，热膨胀产生残余应力，截面位错，甚至外延层破裂现象发生,衬底与外延层晶格参数相匹配，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缺陷多和应力大的现象,第,4,章 外延工艺,三、其它外延,56,562、异质外延 （2）异质外延的相容性衬底与外延层不发生化,57,2,、异质外延,（,3,）失配率,其中：,a,外延层参数；,a,衬底参数。,有热膨胀系数失配率和晶格常数失配率,第,4,章 外延工艺,三、其它外延,57,572、异质外延 （3）失配率其中：a外延层参数；,58,2,、异质外延,（,4,）反相畴,又叫反相混乱，例如非极性的,Si,上生长极性,GaAs,在生长的初期,Si,衬底上有的区域附着,Ga,，有的区域附着,As,，不能形成单相的,GaAs,层，这就叫反相畴。,因此常用,MBE,法外延,GaAs,。,第,4,章 外延工艺,三、其它外延,58,582、异质外延 （4）反相畴又叫反,59,3,、液相外延,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外延的方法。,硅的液相外延是将硅溶入锡中，在,949,时溶液饱和，当降低温度,10-30,时溶液过饱和，硅析出，在单晶硅衬底上生长出外延层。,第,4,章 外延工艺,三、其它外延,59,593、液相外延液相外延是利用溶液的饱和溶解度随温度的变化而,60,3,、固相外延,固相外延是将晶体衬底上的非晶或者多晶层高温转化为单晶层。,第,4,章 外延工艺,三、其它外延,60,603、固相外延固相外延是将晶体衬底上的非晶或者多晶层高温转,61,第,4,章 外延工艺,四、作业题,（,1,）什么叫做外延？外延有哪些特点？,（,2,）外延的分类？,（,3,）硅气相外延的原理？,（,4,）硅气相外延的过程？,（,5,）外延有何应用？,61,61第4章 外延工艺,谢谢！,62,谢谢！62,