吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.4-5.5

半导体材料
5-4 硅外延层电阻率的控制
5-4-1 外延层中的杂质及掺杂 5-4-2 外延层中杂质的再分布 5-4-3 外延层生长中的自掺杂
5-4-4 外延层的夹层
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5-4-2外延中杂质的再分布
外延层中含有和衬底中的杂质不 N(x) 同类型的杂质，或者是同一种类 Nsub
Nepi
衬底(N +) 外延层(P)
N1(x)+N2(x)
N1(x)-N2(x)
过渡层：从重掺杂衬底到均匀掺杂外延层的厚度
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实际中外延层中杂质的纵向分布要比只有衬 底杂质向外延层的外扩散的情况更平坦，说 明进入外延层杂质要比固态扩散的大。 这一部分杂质是衬底中的杂质进入气相中再 掺 入 外 延 层 造 成 的 ， 也包括由于衬底基座被 腐蚀而进入气相中进而掺入外延层中— 自 掺 杂效应。 自掺杂可来源于硅片边缘和背面，以及覆盖 了重掺杂材料的基座和支架。
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t D
1
v C衬K
外延生长过程最初阶段(t 很小)
蒸发速度常数K很小 扩散系数D很大
外延中，杂质从重掺衬底进入正在生长的外延层中 的两种方式：固态扩散（外扩散）和气相自掺杂
固态扩散：高温时杂质从衬底扩散到 正在生长的外延层中
自掺杂效应：杂质从衬底及基座中蒸 发出来进入气相中继而再次掺入外延 层中，也包括由于衬底基座被腐蚀而 进入气相中进而掺入外延层中
外延层 衬底
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第 5 章 硅外延生长
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第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述
5-2、硅衬底制备
5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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5-4 硅外延层电阻率的控制
5-4-1 外延层中的杂质及掺杂 5-4-2 外延层中杂质的再分布 5-4-3 外延层生长中的自掺杂
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半导体材料
5-4 硅外延层电阻率的控制
5-4-1 外延层中的杂质及掺杂 5-4-2 外延层中杂质的再分布 5-4-3 外延层生长中的自掺杂
5-4-4 外延层的夹层
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5-4-3外延层生长中的自掺杂
自掺杂效应
①衬底背面自掺杂模型
外延生长开始时，衬底正面的杂质蒸发受抑制，引 起自掺杂的杂质主要由衬底内扩散到背面，以元素 形式蒸发而来。
衬底扩散造成的杂质分布
N2 x, t
1 2
N f 1
erf 2
x Dt
外部掺入的杂质浓度分布
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同型杂质
N(x)
Nsub
理想
N1(x)
实际
异型杂质
N(x)
Nsub
理想
实际
N1(x)
杂质浓度 杂质浓度
Nepi N2(x) 衬底(N +) 外延层(N) x
x
N2(x)
型的杂质，但是其浓度不同。
杂质浓度
通常希望外延层和衬底之间界面 处的掺杂浓度梯度很陡，但是由 于高温下进行外延生长，衬底中 的杂质会进入外延层，使得外延
衬底(N +)
理 想
实 际 Nepi
外延层 x (N或P)
层和衬底处的杂质浓度变平。 外延层与衬底之间杂质的互扩散及自掺杂效应
导致杂质再分布。
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2.外延生长的掺杂（主动掺杂） 外延N型掺杂剂：PCl3，AsCl3，SbCl3，AsH3 P型掺杂剂：BCl3，BBr3，B2H6 卤化物掺杂剂：稀释在反应气体中
氢化物掺杂剂：稀释在氢气中
通过调节流量来调整外延层的电阻率
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2.外延生长的掺杂（主动掺杂）
影响掺杂的因素： 衬底温度、沉积速度、掺杂剂摩尔分数、 反应室几何尺寸等 注意： 固相中掺杂剂/硅的比例≠气相中的比例
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外扩散和自掺杂增加了过渡层的厚度，同时 设置了一个对外延层的最小厚度和掺杂水平 的极限。 过渡层尾巴的程度取决于温度、硅源、生长 速率、反应室尺寸和压强。 在接近衬底处外扩散占优势，离开表面区域 自掺杂为主。 反应室记忆效应：生长一个低阻层后很难立 刻生长一个高阻层。
杂质从硅表面蒸发速度
v C衬 KexpK
t 2
D
erfc K
t
D
C衬为衬底中原来杂质浓度 K为硅表面蒸发速度常数
D杂质在硅中的扩散系数
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外延层 衬底
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t 2 t
v C衬 KexpK
D
erfc K
D
K t 0.1 D
2
expK
t
D
erfc K
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N(x)
外 延 生 长 速 度 远 大 Nsub 于杂质扩散速度，
理想
杂质浓度
衬 底 中 杂 质 在 外 延
N1(x)
层中的分布相当于一
实际
个界面浓度恒定杂质
源的余误差分布函数。 N2(x)
Nepi
衬底(N +) 外延层(N) 气相
x
N1 x,t
1 2
N Suberfc
2
x Dt
5-4-4 外延层的夹层
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1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以 表示为：N总＝N衬底 N扩散 N邻片N基座N系统N气
N衬底：衬底挥发的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量 N气： 外延层中来自混合气体的杂质浓度分量
杂质类型与衬底相同取“+”，相反取“-”
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N总＝N衬底 N扩散 N邻片N基座N系统N气 I. 衬底对外延层掺杂的影响
固态扩散N扩散与气相自掺杂N衬底 II. 来自衬底以外的其他因素的掺杂
基座、反应室、系统的污染---反应室的记忆效应
III. 来自混合气体的气相掺杂
与体单晶生长时掺杂不同，没有一个简单 的准则，要针对每个过程经验地确定。
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3.固态扩散（外扩散）和气相自掺杂
VLSI要求：重掺杂衬底（1019~1021/cm3）上淀积一 层轻掺杂的外延层（1014~1017/cm3)—自掺杂效应
CMOS器件：使用均匀掺杂的衬底 双极型：使用有埋层的衬底