第七章 外延 - PowerPoint PPT Presentation

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

• 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。

• 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。

• 7.1.1 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

• 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。

• 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

• 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。

• 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。

• 7.2.1 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。

• 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+)

• 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。

• 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；

• 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。

• 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。

• 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。

• 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；

• 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；

• 7.8.1 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。

• 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

• 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。

• 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。

• 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)