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第七章 外延

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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

主 讲:毛 维

mwxidian@126.com

西安电子科技大学微电子学院

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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。

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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。
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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
7 1 2
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。
7 1 3 h 2 sicl 4
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 1 6 v u
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。
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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。

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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。

7 2 2
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+)
7 2 3
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。
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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;
7 6 sos soi
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。

slide26
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。
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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。
7 7 mbe
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;

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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;
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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。
7 8 2
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

7 8 31
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。

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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。

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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)