工藝晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)課件

1、Test/SortImplantDiffusionEtchPolishPhotoCompleted waferLocations where thin films are deposited Unpatterned waferWafer startThin FilmsWafer fabrication (front-end) 第四單元：薄膜技術(shù)第四單元：薄膜技術(shù)第第8章：章： 晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)第第9章：薄膜物理淀積技術(shù)章：薄膜物理淀積技術(shù)第第10章：薄膜化學(xué)汽相淀積章：薄膜化學(xué)汽相淀積第第8章：章： 晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)晶體外延生長(zhǎng)技術(shù) 為什么需要外延？ 1）雙極分離器件（如：大功

2、率器件的串聯(lián)電阻問題） 2）雙極IC（隔離與埋層問題） 3）化合物半導(dǎo)體器件及超晶格的異質(zhì)結(jié)問題 4）MOS集成電路Chapter 14 8.1外延層的生長(zhǎng)8.1.1生長(zhǎng)的一般原理和過程SiCl4的氫化還原成核長(zhǎng)大 一般認(rèn)為反應(yīng)過程是多形式的兩步過程 如: (1) 氣相中 SiCl4+H2=SiCl2+2HCl 生長(zhǎng)層表面 2SiCl2=Si+SiCl4 (2) 氣相中 SiCl4+H2=SiHCl3+HCl 生長(zhǎng)層表面 SHiCl3+H2=Si+3HCl在在(111)面上生長(zhǎng)面上生長(zhǎng),穩(wěn)定的是雙層面穩(wěn)定的是雙層面,位位置置7、8、9比位置比位置1、2、3、4穩(wěn)定穩(wěn)定在一定的襯底溫度在一定的襯

3、底溫度下，下，1、2、3、4位位的原子很容易擴(kuò)散的原子很容易擴(kuò)散（游離）到（游離）到7、8、9相應(yīng)的位置，使生相應(yīng)的位置，使生長(zhǎng)迅速在橫向擴(kuò)展。長(zhǎng)迅速在橫向擴(kuò)展。即，可看成是多成即，可看成是多成核中心的二維生長(zhǎng)。核中心的二維生長(zhǎng)。如：如：1200C時(shí)時(shí)V（111）幾百埃幾百埃/分分V（112）幾百微米幾百微米/分分 8.1.2生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)(14.2, 14.3)與熱氧化過程不同的是，外延時(shí)只有氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程和表面吸附（反應(yīng)）過程。 因而，氣相外延是由下述步驟組成的多相過程1）反應(yīng)劑分子以擴(kuò)散方式從氣相轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)層 表面2）反應(yīng)劑分子在生長(zhǎng)層表面吸附；3）被吸附的反應(yīng)劑分子在生長(zhǎng)層的表面完成化

4、學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生硅原子及其它副產(chǎn)物；4）副產(chǎn)物分子叢表面解吸；5）解吸的副產(chǎn)物以擴(kuò)散的形式轉(zhuǎn)移到氣相，隨 主氣流排出反應(yīng)腔；6）反應(yīng)所生成的硅原子定位于晶格點(diǎn)陣，形成 單晶外延層；SubstrateContinuous film 8) By-product removal 1) Mass transport of reactantsBy-products 2) Film precursor reactions 3) Diffusion of gas molecules 4) Adsorption of precursors 5) Precursor diffusion into substrate

5、 6) Surface reactions 7) Desorption of byproductsExhaustGas delivery因而在反應(yīng)劑濃度較小反應(yīng)劑濃度較小時(shí)有：YNNhkhkNNhkhkvhkNNSiTGSGSSiGGSGSGSGGS00)/(1KS為表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，hG氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移（傳輸）系數(shù)NT為分子總濃度，Y為反應(yīng)劑摩爾數(shù)v為外延層的生長(zhǎng)速率(14.2) 1）生長(zhǎng)速率和反應(yīng)劑濃度的關(guān)系正比（a）?。╞）、（c）？SiCl4（氣）+Si（固）2SiCl2（氣） 2）生長(zhǎng)速率與外延溫度的關(guān)系 對(duì)于SiCl4，Ea1.9eV SiH4，Ea 1.6eV DG0：0.11cm2

6、s-1 a：1.752NGGaGGaSSDhTTDDkTEkk/)/()/exp(000 在較高溫度下：kShG質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制 在較低溫度下：kSv(100)v(111) ? 4)氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移進(jìn)一步分析可得：由這一公式可得出什么？ 8.1.3 外延堆垛層錯(cuò) CCAAAAAAAAAAAAACCBBBCCCCCCCCCCCCCBBB AAABBBBBBBBBBBAAAAA CCCAAAAAAAAACCCCC BBBBCCCCCCCCCBBBBB AAAAABBBBBBBAAAAAA CCCCCCAAAAACCCCCCCBBBBBBBBCCCBBBBBBBB AAAAAAAABAAAAAAAAA 層錯(cuò)

7、(失配晶核)產(chǎn)生的原因：晶面的缺陷(機(jī)械損傷、位錯(cuò)、微缺陷、氧化斑點(diǎn)、雜質(zhì)沉陷區(qū))和表面污染（灰塵、雜質(zhì)等），氣體和反應(yīng)劑的純度不夠，溫度過低或起伏過大，生長(zhǎng)速率過快等。HCl汽相拋光 8.2（汽相）外延生長(zhǎng)工藝 8.2.1 外延層中的摻雜在外延反應(yīng)劑中加入摻雜劑 （如：PH3、PCl3、PCl5、AsCl3、AsH3、SbCl3、SbH3和BBr3、BCl3、B2H6等）00)/(GSifSifPHNPNN 1）摻雜濃度受汽相中的摻雜劑分氣壓控制 2）生長(zhǎng)速率和溫度的影響為什么溫度升高會(huì)使?jié)舛冉档?？Silicon Vapor Phase Epitaxy ReactorsExhaustExha

8、ustExhaustRF heatingRF heatingGas inletGas inletHorizontal reactorBarrel reactorVertical reactor 8.2.2 外延過程中的雜質(zhì)再分布和自摻雜t Dvt1 1）襯底雜質(zhì)的再分布N1 （見page 228） 在外延區(qū)： 時(shí)（一般都成立） 2）摻入雜質(zhì)的再分布總分布為：N=N1+N2)2(erfc21),(11tDxNtxNsub)2(erfc21-1),(12tDxNtxNf 3）自摻雜（autodoping）效應(yīng)襯底中的雜質(zhì)不斷地蒸發(fā)出來，進(jìn)入總氣流并摻入外延層。 4）減小自摻雜效應(yīng)措施襯底雜質(zhì)的選擇

9、：（擴(kuò)散系數(shù)小、蒸發(fā)速率低，如Sb）兩步外延、低溫（變溫）技術(shù)（如選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)體系、光照、等離子體等）、低壓技術(shù)、掩蔽技術(shù)等 8.2.3 清潔技術(shù) 8.2.4 外延層性能檢測(cè)電阻率、雜質(zhì)分布、厚度、缺陷紅外干涉法 IR（Infrared） Reflection，（coherence）Page 369 8.2.4 外延過程中的圖形漂移 (Page 367) 對(duì)策：晶向偏25,含Cl, (100) 8.3 GaAs外延生長(zhǎng)工藝 1）汽相外延 (369371)難點(diǎn)：As壓與生長(zhǎng)速率的控制（缺陷） 2）液相外延（LPE）特點(diǎn)：雜質(zhì)均勻、缺陷少，表面質(zhì)量差、厚度不易控制 8.4異質(zhì)結(jié)問題(370372

10、) 晶格失配對(duì)策：襯底材料的晶向、過度層 缺陷控制和摻雜問題缺陷控制和摻雜問題對(duì)策：催化、過度層；新技術(shù)；對(duì)策：催化、過度層；新技術(shù)； 主流技術(shù)：氣相外延主流技術(shù)：氣相外延一種一種GeSiGeSi量子點(diǎn)量子點(diǎn) 8.5 先進(jìn)外延生技術(shù) 1）MBE（molecular beam epitaxy)配以RHEED、Auger（AES）進(jìn)行原位監(jiān)測(cè)；是一超高真空（UHV）系統(tǒng)（10-12 10-6 Torr）；襯底溫度低500C精度高，但生精度高，但生長(zhǎng)速率低，成長(zhǎng)速率低，成本高本高可以控制到單原子層 2)MOVPE(Metal-organic vapor phase epitaxy)金屬氧化物分解(3

11、75380)如：三甲基銦、鎵（、） 三乙基銦（）MR3（金屬烷基）+XH3（氫化物）=MX+3RH如：Ga（CH3）3+AsH3=GaAs+3CH4又如：xAlCH3）3+（1-x）Ga（CH3）3+AsH3= GaAs+3CH4 特點(diǎn)：低溫分解（ 500C）、生長(zhǎng)速率易于控制、雜質(zhì)易于控制、生產(chǎn)效率遠(yuǎn)高于MBE 3) SOI (Silicon on Insulators) *SOS （Silicon on Sapphire)是一種異質(zhì)外延，通常Sapphire的晶向選為（0112）、（1012）、（1102）等 *SIMOX ( Separation by Implanted Oxygen)

12、目前已經(jīng)較廣泛應(yīng)用*Wafer Bonding（Smart Cut）To form gas void layer對(duì)于對(duì)于Si低溫600C；高質(zhì)量薄外延層0.2m表面粗糙度2均勻性5%（200mm）金屬污染5x1010/cm3 選擇性外延(SEG) 14.6NoImageEpi-layer Formation during Plasma-Based PECVD reactorContinuous film 8) By-product removal 1) Reactants enter chamberSubstrate 2) Dissociation of reactants by electric fields 3) Film precursors are formed 4) Adsorption of precursors 5) Precursor diffusion into substrate