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第七章 外延

第七章 外延. 主 讲：毛 维 mwxidian@126.com 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。 ② CMOS 电路： 避免了闩锁效应：降低漏电流。.

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第七章 外延

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  1. 第七章 外延 主 讲：毛 维 mwxidian@126.com 西安电子科技大学微电子学院

  2. 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。

  3. 绪论 • 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。

  4. 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 采用现代的低温工艺 ④ SiH4 • 新硅源Si2H6

  5. 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。

  6. 7.1.3 化学反应—H2还原SiCl4体系 • 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. 7.1.4 生长速率与温度的关系

  8. 7.1.5 生长速率与反应剂浓度的关系

  9. 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。

  10. 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。

  11. 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。

  12. 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+)

  13. 7.2.3 自掺杂效应（非故意掺杂） • 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。

  14. 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；

  15. 选择性外延（SEG）

  16. 横向外延（ELO）

  17. 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。

  18. 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。

  19. SOI技术的特点与优势 • 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。

  20. 7.7 分子束外延（MBE） • 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；

  21. 7.8 缺陷及检测 • 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；

  22. 7.8 缺陷及检测 • 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。

  23. 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

  24. 7.8.3 图形漂移和畸变

  25. 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。

  26. 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。

  27. 7.9 外延层电阻率的测量 • 总的接触电阻为： （ ） • 从针尖到5r0范围内的电阻为： • 与总电阻之比为： (说明扩展电阻主要集中在接触点附近的半导体中) • 对于圆形平面接触(接触半径为a)，则总接触电阻为： • 对于薄外延层、扩散层、离子注入层，电阻率(修正后)为： (Ct为修正因子)

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