外延及CVD工艺教材课件.ppt

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1、第二章 外延及CVD工艺,1 外延工艺一.外延工艺概述定义:外延(epitaxy)是在单晶衬底上生长一层单晶膜的技术。新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称此为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。,2022/12/17,1,第二章 外延及CVD工艺1 外延工艺2022/10/21,CVD:Chemical Vapor Deposition,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 外延分类:气相外延(VPE)常用 液相外延(LPE). 固相外延(SPE)熔融在结晶. 分子束外延(MBE)超薄 化学气相淀积(CVD)-低温,非晶,2022/12/17,2,CVD:Chemical Vap

2、or Deposition晶,材料异同,同质结 Si-Si异质结GaAs-AlxGa(1-x) As温度：高温1000以上 低温1000以下 CVD（低温）,2022/12/17,3,材料异同同质结 Si-Si2022/10/23,二.硅气相外延工艺,1. 外延原理氢还原反应,硅烷热分解,2022/12/17,4,二.硅气相外延工艺1. 外延原理硅烷热分解2022/10/2,2. 生长速率,影响外延生长速率的主要因素：反应剂浓度,2022/12/17,5,2. 生长速率影响外延生长速率的主要因素：2022/10/2,温度：B区高温区（常选用），A区低温区,2022/12/17,6,温度：B区高

3、温区（常选用），A区低温区2022/10/26,气体流速 :气体流速大生长加快,2022/12/17,7,气体流速 :气体流速大生长加快2022/10/27,生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有关 矩形腔的均匀性较圆形腔好。晶面间的共价键数目越多，生长速率越慢。,等气压线,2022/12/17,8,生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有关等气压线2022/,3.系统与工艺流程,系统示意图,2022/12/17,9,3.系统与工艺流程系统示意图2022/10/29,工艺流程,.基座的HCl腐蚀去硅程序(去除前次外延后基座上的硅)N2预冲洗 260L/min 4minH2预冲洗 260L/m

4、in 5min升温1 850C 5min升温2 1170C 5minHCl排空 1.3L/min 1min,2022/12/17,10,工艺流程.基座的HCl腐蚀去硅程序(去除前次外延后基座上的硅,HCl腐蚀 10L/min 10minH2冲洗 260L/min 1min降温 6minN2冲洗,2022/12/17,11,HCl腐蚀 10L/min 10min20,2022/12/17,12,2022/10/212,三. 外延中的掺杂,掺杂剂氢化物: PH3， AsH3，BBr3，B2H6氯化物: POCl3，AsCl3,2022/12/17,13,三. 外延中的掺杂掺杂剂2022/10/21

5、3,在外延层的电阻率还会受到下列三种因素的干扰,重掺杂衬底重的大量杂质通过热扩散方式进入外延层，称为杂质外扩散。衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然后重新返回外延层，称为气相自掺杂。气源或外延系统中的污染杂质进入外延，称为系统污染。,2022/12/17,14,在外延层的电阻率还会受到下列三种因素的干扰2022/10/2,同型杂质 异型杂质,2022/12/17,15,同型杂质 异型杂质2022/10/,四. 外延层中的缺陷与检测,1. 缺陷种类:a.存在与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，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

6、 .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;,2022/12/17,16,四. 外延层中的缺陷与检测1. 缺陷种类:2022/10/2,2022/12/17,17,2022/10/217,2022/12/17,18,2022/10/218,2022/12/17,19,2022/10/219,2.埋层图形的漂移与畸变2.,2022/12/17,20,2.埋层图形的漂移与畸变2.2022/10/220,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

7、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.,2022/12/17,21,漂移规律111面上严重,偏离24度,漂移显著减小,20,3.参数测量,2022/12/17,22,3.参数测量2022/10/222,五.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。,2022/12/17,23,五.外延的用途双极电路：2022/10/223,外延层和衬底中不同类型的

8、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。,2022/12/17,24,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,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。,2022/12/17,25,外延改善NMOS存储器电路特性2022/10/225,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

9、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。,2022/12/17,26,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,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。Latch-up,2022/12/17,27,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,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。,2022/12/17,28,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,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,2022/12/17,29,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,