1、集成电路制造技术 第七章 外延,西安电子科技大学 微电子学院 戴显英 2010年3月,第七章 外延(Epitaxy),（外延）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。 应用双极器件与电路：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。 CMOS电路：a.避免了闩锁效应：降低漏电流； b.避免了硅层中SiOX的淀积；c.外延Si表面损伤小。,在双极晶体管（电路）中的应用,高阻的外延层可提高集电结的击穿电压 低阻的衬底（或埋层）可降低集电极的串联电阻,在CMOS器件（电路）中的应用,减小pnp
2、n寄生闸流管效应 降低漏电流,外延的基本概念,外延的分类按工艺分类： 气相外延（VPE）：硅的主要外延工艺； 液相外延（LPE）：-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）,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。按压力分类 常压外延：100kPa ； 低压（减压）外延：5-20kPa；
3、,7.1 硅气相外延的基本原理,7.1.2 外延生长模型,生长步骤传输：反应物从气相经边界层转移到Si表面；吸附：反应物吸附在Si表面；化学反应：在Si表面进行化学反应，得到Si及副产物脱吸：副产物脱离吸附；逸出：脱吸的副产物从表面转移到气相，逸出反应室 加接：生成的Si原子加接到晶格点阵上； 生长特征：横向二维的层层生长，如图7.2。,7.1.2 外延生长模型,A位吸附原子的几种可能性原位不动：与其它吸附原子形成Si串或Si岛；最不稳定，因而缺陷最多；易岛状（三维）模式生长。迁移到B位：较稳定；迁移到C位-扭转位置：最稳定，不易迁移； 生长模型：依靠晶体表面台阶的二维横向生长,单晶Si或多晶
4、Si的生长速率与温度,温度T：T高，有利于单晶生长；T低，有利于多晶生长。 生长速率V：V高，有利于多晶生长；V低，有利于单晶生长。 高T、低V，易单晶生长低T、高V，易多晶生长,7.1.3 化学反应H2还原SiCl4体系,生长总反应：SiCl4 + 2H2Si(s)+4HCl(g) 气相中间反应：SiCl4 + H2SiHCl3+HClSiCl4 + H2SiCl2+2HClSiHCl3+ H2SiH2Cl2+HClSiHCl3 SiCl2+HClSiH2Cl2SiCl2+H2 吸附生长：SiCl2(吸附)+ H2Si(s)+2HCl或 SiCl2 (吸附)Si(s) + SiCl4 腐蚀反
5、应：SiCl4+ Si(s)2SiCl2,图7.4：1200，SiCl4氢还原法卧式外延,存在四种物质：SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、HCl； SiCl4浓度随离入气口的水平距离的增加而下降， 其他三种相反； SiCl2是最主要的反应剂； 所有反应均是可逆的：腐蚀反应在低于900，高于1400时发生；外延生长在其中间温度。,7.1.4 生长速率与温度的关系,生长速率V：SiH4SiH2Cl2SiHCl3SiCl4 温度T 低温A区：反应控制，对T敏感；曲线的斜率相同，即反应的活化能相同；解释：主要是H(HCl)的解吸。 高温B区：输运控制，对T不敏感，对气流、反应室几何形状敏感；V
6、随T有微弱增加。,7.1.5 生长速率与反应剂浓度的关系,SiCl4的摩尔分数YY0.1，生长速率随Y降低；Y0.28，只有Si的腐蚀； 生长速率VV2m/min，多晶生长； 典型的生长条件Y=0.005-0.01，V=0.5-1m/min。,7.1.6 生长速率v与流速U,SiH4外延温度：1200，输运控制； 边界层厚度：（x）=（x/U)1/2 ； 故，v随U的增大而增加。,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：扩散效应-衬底与外延层杂质相互扩散；自掺杂效应-衬底杂质蒸发进入边界层。,7.2.2 扩散效应,扩散效
7、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，即衬底杂质分布：假定外延层本征生长，杂质浓度为N1(x)-余误差函数外延层杂质分布：假定衬底本征，杂质浓度为N2(x)-余误差函数实际再分布：N（x)= N1（x)N2（x) “+”：n/n+(p/p+)；“-”：p/n+(n/p+),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 衬底扩散蒸发的杂质：在外延生长的初期； 衬底背面及侧面释放的杂质； 外延生长前吸附在表面的杂质； 气相腐蚀的杂质； 其他硅片释放的杂质。 外延系统：基座、输入气
8、体中的杂质。,7.3 低压外延（5-20kPa）,低压作用：减小自掺杂效应； 优点： 杂质分布陡峭； 厚度及电阻率的均匀性改善； 外延温度随压力的降低而下降； 减少了埋层图形的畸变和漂移；,7.4 选择性外延（SEG）,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：特定区域；硅源。 硅源的选择性顺序：SiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH4；,横向外延（ELO）,7.4 选择性外延（SEG）,7.6 SOI技术,SOI:Silicon on insulator,SOI的两大技术,1. SIMOX（注氧隔离）技术 SIMOX：Separa
9、tion by Implanted Oxygen,2. Smart-cut-智能剥离技术,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集成密度高：封装密度提高约40； 4低成本：最少少用三块掩模版，减少13%-20% （30）的工序； 5耐高温环境：工作温度300-500； 6抗辐照特性好：是体硅器件的50-100倍。,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。
10、 应用：元素半导体Si、Ge化合物半导体-GaAs、GaN、SiGe MBE的特点：温度低；生长速度低；化学组成及掺杂浓度精确可控；厚度可精确控制到原子级；,7.8 缺陷及检测（自学）,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
11、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：导致杂质的异常扩散：引起杂质分布不均匀；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 层错法测量外延层厚度,7.8.3 图形漂移和畸变,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25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。,软误差,从封装材料中辐射出的粒子进入衬底产生大量(约106量级)电子-空穴对，在低掺杂MOS衬底中， 电子-空穴对可以扩散50m， 易受电场作用进入有源区， 引起器件误动作，这就是软误差。 采用低阻衬底上外延高阻层的外延片， 则电子-空穴对先进入衬底低阻层， 其扩散长度仅1m，易被复合， 它使软误差率减少到原来的1/10。,
