微电子工艺基础外延工艺ppt课件.ppt

1,第4章 外延工艺,2,2,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,3,3,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,4,4,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。,5,5,1、定义,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。,第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念,6,6,2、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,7,7,第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念,8,8,3、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1.75X1021cm-3,第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念,9,9,3、固溶度,相当于3%,第4章 外延工艺 一、相图和固溶度的概念,10,10,3、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,11,11,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,12,12,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）,13,13,1、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,14,14,1、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,15,15,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,16,16,C 固相外延（SPE） 固体物质通过物理淀积形成的外延层的技术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,17,17, 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,18,18, 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；但设备大型化，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,19,19, 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,20,20, 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,21,21, 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,22,22, 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,23,23,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,24,24,2、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,25,25,（1） 原理,通常用的外延反应剂：,SiCl4 (*)、SiH2Cl2、 SiH4 、SiHCl3, 外延反应剂,2、硅的气相外延,第4章 外延工艺 二、外延工艺,26,26, SiCl4外延反应剂,H2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,27,27,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,28,28,（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,29,29, 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,30,30, 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,31,31, 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,32,32, 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,33,33, 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,34,34,（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,35,35,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,36,36,3、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PH3 、 AsH3、PCl3、 AsCl3例如：P型为B2H6剧毒,第4章 外延工艺 二、外延工艺,37,37,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,38,38,（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,39,39,（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（1019-1020cm-3）衬底上外延轻掺杂（ 1014-1017cm-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,40,40,3、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,41,41,3、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） = N1 （x） + N2 （x） ）,第4章 外延工艺 二、外延工艺,42,42,3、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,43,43,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 6、外延的一些关键性工艺三、其它外延,44,44,4、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,45,45,4、缺陷与检测,（2）参数测量,第4章 外延工艺 二、外延工艺,46,46,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,47,6、外延的一些关键工艺,1.外延的图形漂移pattern shift - 对于(111)晶体在与110定位面垂直的方向发生图形漂移。 - 产生原因是外延的反应产物HCL，择优腐蚀埋层边缘，使埋层图形产生位移。 - 危害性：使光刻无法对准，从而影响电学特性。 - 关键：要知道漂移量，同时要控制各炉子相同。,48,由于漂移.使光刻套准差.造成电学性能变差,49,案例分析7800上下片因温度不均匀造成shift不同,引起电学参数不同。,上片漂移小纠偏过头,下片纠偏较正确,50,2.图形畸变Distortion,外延后图形增大或缩小,变模糊,甚之消失。图形边缘不再锐利。畸变原因： 主要是HCL腐蚀硅片表面，在台阶处，由于取向不同使各方向腐蚀速率不同结果产生畸变。,51,SHIFT,对称变大,非对称畸变,对称变小,图形消失,52,外延后图形严重畸变对于(111)晶片,取向对畸变影响很大,畸变小,畸变严重,53,轻微畸变使图形边缘模糊，使光刻困难,轻微畸变,水平方向变宽，光刻机不能识别,54,硅源中氯原子的含量上对shift的影响,55,温度对shift的影响,56,生长速率对shift的影响,57,减少畸变和漂移的方法,选用低氯的源。温度升高畸变减少降低外延压力(采用减压外延)降低生长速率(减少氯含量)对于(111)取向偏离3-4(向最近的110方向)增加H2流量,58,外延过程自掺杂的停滞层解释,在外延过程中衬底表面由于原子间的引力， 有一个停滞层，衬底中重掺的杂质被吸附在停滞层,沉积时以自掺杂进入外延层中。,59,59,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,60,60,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,61,61,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10-910-11Torr，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 GaP型；SbN型,（1）概述,62,62,1、分子束外延,（2）设备,第4章 外延工艺 三、其它外延,63,63,1、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（400800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,64,64,1、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104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,65,65,2、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/Al2O3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,66,66,2、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,67,67,2、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,68,68,2、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,69,69,3、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,70,70,3、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,71,漂移规律,111面上严重,偏离24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SiCl4 SiH2Cl2 SiH4硅生长-腐蚀速率的各向异型是发生漂移的根本原因.,72,五.外延的用途,双极电路：利用n/n+硅外延，将双极型高频功率晶体管制作在n型外延层内，n+硅用作机械支撑层和导电层，降低了集电极的串联电阻。采用n/p外延片，通过简单的p型杂质隔离扩散，便能实现双极集成电路元器件间的隔离。,73,外延层和衬底中不同类型的掺杂形成的p-n结，它不是通过杂质补偿作用形成的，其杂质分布可接近理想的突变结。,74,外延改善NMOS存储器电路特性,(1)提高器件的抗软误差能力(2)采用低阻上外延高阻层，可降低源、漏n+区耗尽层寄生电容，并提高器件对衬底中杂散电荷噪声的抗扰度(3)硅外延片可提供比体硅高的载流子寿命，使半导体存储器的电荷保持性能提高。,75,软误差,从封装材料中辐射出的粒子进入衬底产生大量(约106量级)电子-空穴对，在低掺杂MOS衬底中，电子-空穴对可以扩散50m，易受电场作用进入有源区，引起器件误动作，这就是软误差。 采用低阻衬底上外延高阻层的外延片，则电子-空穴对先进入衬底低阻层，其扩散长度仅1m，易被复合，它使软误差率减少到原来的1/10。,76,CMOS电路采用外延片可使电路的寄生闸流管效应有数量级的改善。,77,器件微型化：,提高器件的性能和集成度要求按比例缩小器件的横向和纵向尺寸。其中，外延层厚和掺杂浓度的控制是纵向微细加工的重要组成部分；薄层外延能使p-n结隔离或氧化物隔离的横向扩展尺寸大为减小。,78,工艺多样化：,具有相反导电类型的外延层，在器件工艺中可形成结和隔离区；薄层外延供器件发展等平面隔离和高速电路；选择外延可取代等平面隔离工艺来发展平面隔离；绝缘衬底上的多层外延工艺可以发展三维空间电路,79,79,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？（6）外延的漂移规律 （7）外延的工艺多样化 （8）外延的软误差,80,谢谢！,