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外延的定义

外延的定义. 外延的分类. 外延的分类. 按制备方法分 按反应室分类 按材料异同分 按外延温度分 按反应压力分 按掺杂浓度和导电类型分 按外延厚度和结构分 按外延生长方法. 气相外延（ VPE ） 液相外延（ LPE ） 固相外延（ SPE ） 分子束外延（ MBE) 金属有机物化学气相淀积（ MOCVD ）. 按制备方法分. 汽相外延方式常用来生长 Si 外延材料、 GaAs 外延材料等. 液相外延. 将 元素的饱和 液相 溶液 与衬底晶体直接接触， 处于 熔点温度下缓慢降温 而 析出固相 ，沿衬 底向上逐步转化为外延层。.

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外延的定义

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Presentation Transcript

  1. 外延的定义

  2. 外延的分类

  3. 外延的分类 • 按制备方法分 • 按反应室分类 • 按材料异同分 • 按外延温度分 • 按反应压力分 • 按掺杂浓度和导电类型分 • 按外延厚度和结构分 • 按外延生长方法

  4. 气相外延（VPE） • 液相外延（LPE） • 固相外延（SPE） • 分子束外延（MBE) • 金属有机物化学气相淀积（MOCVD） 按制备方法分

  5. 汽相外延方式常用来生长Si外延材料、GaAs外延材料等

  6. 液相外延 将元素的饱和液相溶液与衬底晶体直接接触， 处于熔点温度下缓慢降温而析出固相，沿衬 底向上逐步转化为外延层。 液相外延主要用于生长制造光电器件所需的 化合物外延功能薄层材料

  7. 广泛地用于获得超薄层异质结外延功能材料， 特别是微电子器件所需的各种异质结外延材料。

  8. 金属有机化合物化学汽相沉淀(MOCVD)方式是采用处于液相状态的金属（Ⅱ、Ⅲ族）有机化合物同汽态的氢化物（V、Ⅵ族）作为沉积源原材料，以热分解反应的方式在衬底沉积、淀积形成外延薄层的一种方法。 MOCVD方式可以获得Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物晶层及它们的 多元超薄单晶层

  9. 按反应室分类 • 卧式 • 立式 • 桶式

  10. 按材料异同分

  11. 按外延温度分

  12. 按反应压力分

  13. 按掺杂浓度 • 正外延：重掺杂衬底上生长轻掺杂外延层 • 反外延：轻掺杂衬底上生长重掺杂外延层 按导电类型 • N型外延：n/n外延，n/p外延 • P型外延：p/n外延，p/p外延

  14. 按外延厚度和结构分

  15. 按外延生长方法： 直接外延 是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长.如真空淀积，溅射，升华等 间接外延 是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上称为化学气相淀积（chemical vapor deposition,CVD） CVD生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。 CVD设备简单，生长参数容易控制，重复性好， 是目前硅外延生长的主要方法

  16. 硅气相外延

  17. The process of Silicon Epitaxy is essentially a CVD* process used for depositing thin films of single-crystal silicon on single crystal silicon substrate and it is used extensively in the microelectronic and semiconductor industries.The requirements of the industry from this process are highly demanding, i.e., epitaxial silicon films must have an excellent thickness uniformity and excellent quality (minimum defects in the epitaxial layer).

  18. 对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、位错和层错密度等。对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、位错和层错密度等。 • 按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解法。 • 氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行外延生长。 • 直接热分解法，利用热分解得到Si。

  19. 气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反应式、生长温度及所属反应类型气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反应式、生长温度及所属反应类型

  20. 生长过程

  21. 生长化学

  22. 外 延 硅 生 长 速 率 和 • 哪 些 因 素 有 关 系 • 反应剂浓度 • 反应温度 • 气流速度 • 衬底晶向

  23. 1. SiCl4浓度对生长速率的影响

  24. 随着浓度增加,生长速率先增大后减小.

  25. 2.温度对生长速率的影响

  26. 生长过程：

  27. 3.气流速度对生长速率的影响 • 生长速率与总氢气流速的平方根成正比

  28. 4.衬底晶向的影响 • 生长速率<100>><110> > <111>

  29. Epitaxy: Purpose • • for bipolar transistor • –Reduce collector resistance while keep high breakdown voltage. • –• Improve device performance for CMOS and DRAM because much lower oxygen,carbon concentration than the wafer crystal.

  30. 硅中氧主要来源于熔融硅与石英坩埚的反应。因此直拉硅单晶比区熔硅单晶的氧含量要高得多 • 表面氧沉淀会造成漏电，甚至使器件失效 • 硅中碳主要来源于多晶硅。此外，直拉单晶炉中的石墨加热器和真空系统的密封材料的易挥发的碳化物等都能造成硅中的碳玷污。 • 硅中高的碳含量将大大降低器件中的击穿电压，并使开态电压和关闭时间的乘积增加，这对功率器件尤为严重。

  31. 重点 • 外延的定义 • 外延按制备方法，材料异同，掺杂浓度和导电类型的分类 • 硅气相外延方法的方法

  32. 硅的异质外延-SOI • SOI：Silicon-On-Insulator • 绝缘衬底上的硅 Si SiO2 Si

  33. 器件尺寸缩小带来一系列问题 • 器件尺寸的缩小 • 各种多维及非线性效应：表面能级量子化效应、隧穿效应、短沟道效应、窄沟道效应、漏感应势垒降低效应、热载流子效应、亚阈值电导效应、速度饱和效应、速度过冲效应 • 严重影响了器件性能 • 器件隔离区所占芯片面积相对增大 • 寄生电容增加 • 影响集成度及速度的提高

  34. 克服上述效应，采取的措施 • 槽隔离技术 • 硅化物 • 高k介质 • 需开发新型硅材料及探索新型高性能器件和电路结构，充分发挥硅集成技术的潜力：SOI是最佳选择之一

  35. SOI技术的特点

  36. 体硅CMOS技术

  37. SOI技术: 绝缘衬底上的硅

  38. SOI技术的特点 • 速度高： • 迁移率高：器件纵向电场小，且反型层较厚，表面散射作用降低 • 跨导大 • 寄生电容小：寄生电容主要来自隐埋二氧化硅层电容，远小于体硅MOSFET中的电容，不随器件按比例缩小而改变，SOI的结电容和连线电容都很小

  39. SOI技术的特点 • 功耗低： • 静态功耗：Ps=ILVdd • 动态功耗：PA=CfVdd2 • 集成密度高： • SOI电路采用介质隔离，它不需要体硅CMOS电路的场氧化及井等结构，器件最小间隔仅仅取决于光刻和刻蚀技术的限制，集成密度大幅度提高

  40. SOI技术的特点 • 成本低： • SOI技术除原始材料比体硅材料价格高之外，其它成本均少于体硅 • CMOS/SOI电路的制造工艺比典型体硅工艺至少少用三块掩膜版，减少13～20％的工序 • 使相同电路的芯片面积可降低1.8倍，浪费面积减少30％以上 • 美国SEMATECH的研究人员预测CMOS/SOI电路的性能价格比是相应体硅电路的2.6倍

  41. SOI技术的特点 • 特别适合于小尺寸器件： • 短沟道效应较小 • 不存在体硅CMOS电路的金属穿通问题，自然形成浅结 • 泄漏电流较小

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