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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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