《硅外延生长》PPT课件

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SOS 技术的缺点及需要解决的问题
缺点：1）由于晶格失配（尖晶石为立方结构，蓝宝石为六角 晶系）问题和自掺杂效应，外延质量缺陷多，但厚度增加，缺 陷减小。2）成本高，一般作低功耗器件，近来用SOI代替， 可降低成本。
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5-5硅的异质外延
• 在蓝宝石、尖晶石衬底上进行硅的SOS外延生长和在绝缘衬底上进行硅的SOI异质 外延。
• SOS :Silicon on Sapphire Silicon on Spinel
在单晶绝缘衬底蓝宝石（α－AI2O3）或尖晶石(MgO. AI2O3)上外延生长硅 • SOI: Silicon on Insulator
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5－3－3外延层生长中的自掺杂
• 自掺杂效应：衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层 • 抑制自掺杂的途径： 一：减少杂质由衬底逸出
1.使用蒸发速度较小的杂质做衬底和埋层中的杂质 2.外延生长前高温加热衬底，使硅衬底表面附近形成 一杂质耗尽层，再外延时杂质逸出速度减少可降低自 掺杂 3.采用背面封闭技术，即将背面预先生长高纯SiO2或 多晶硅封闭后再外延，可抑制背面杂质的蒸发而降低 自掺杂。
正外延：器件制作在外延层上 反外延：器件制作在衬底上
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根据外延生长方法：
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）
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• 晶格点阵的失配会使外延片呈现弯曲。当弯曲程度超过弹性范围，为缓 和内应力就会出现位错，称之为失配位错。
为了消除应力，采用应力补偿法，即在外延 或扩散时，同时引入两种杂质，使它们产生 的应变正好相反。当两种杂质原子掺入的比 例适当时，可以使应力相互得到补偿，减少 或避免晶格畸变。从而消除失配位错的产生。 这种方法称为“双掺杂技术”。
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5－4－2外延层的内部缺陷
• 层错
层错形貌分为单线，开口，正三角形，套叠三角形 和其他组态
• 位错
外延层中的位错主要是由于原衬底位错延伸引入的 另外可能是由于掺杂和异质外延时，由于异类原
子半径的差异或两种材料晶格参数差异引入内应力。 例如在Si中掺B,P,它们的半径比Si小，它们占据硅的位
置时，Si的点阵会发生收缩；当掺入AL,Sb等比Si半 径大的原子时，Si点阵会发生扩张。也就是产生晶格 点阵的失配。
随着浓度增加,生长速率先增大后减小. 14
2.温度对生长速率的影响
温度较低时,生长速率随温度升高呈指 数规律上升 较高温度区,生长速率随温度变化较平 缓.
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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
4.衬底晶向的影响
生长速率<100>><110> > <111>
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5-2-5硅外延生长动力学过程
方式有高频感应加热和红外辐射加热。
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5-2-3 外延工艺顺序
1. 把干净的硅片装入反应室
2. 吹入惰性气体并充入氢气（LPVCD：抽真空）
3. 加热到氢气烘烤温度（1200 ℃ ）以除去氧化层 （该步骤能去除50-100A的SiO2层）
4. a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6) 以刻蚀表面的硅层；c)吹气以除去系统中的杂质 和HCl
Semiconductor On insulator
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5－5－1 SOS 技术
• 蓝宝石和尖晶石是良好的绝缘体，以它们作为衬底外延生长硅制作集成电路， 可以消除集成电路元器件之间的相互作用，不但可以减少漏电流和寄生电容， 增强抗辐射能力和降低功耗，还可以提高集成度和双层布线，是大规模、超 大规模集成电路的理想材料。
➢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。
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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
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各种硅源优缺点：
• SiHCL3,SiCL4
常温液体，外延生长温度高，但是生长速度快，易纯 制，使用安全。是较通用的硅源。
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1.衬底的选择
• 选择异质外延衬底材料时，需要考虑的因素： 1.考虑外延层和衬底材料之间的相容性。包括晶体结构，
熔点，蒸汽压、热膨胀系数等。 2.考虑衬底对外延层的沾污问题。
目前最适合硅外延的异质衬底是蓝宝石和尖晶石。 当前工业生产上广泛使用蓝宝石做衬底。
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2.SOS外延生长
• 存在问题：自掺杂效应 衬底表面的反应： AL2O3+2HCL+H2=2ALCL↑+3H2O
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气相均质反应模型
• 这个模型认为： 外延生长反应不是在固－气界面上，而是在距衬底表面几微米的空间中发 生。反应生成的原子或原子团再转移到衬底表面上完成晶体生长。
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5－3硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同的，这就需要在外延生长过程中， 精确控制外延层中的杂质浓度和分布来解决
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5－4 硅外延层的缺陷
• 分类： 一：表面缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移线等 二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错
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5－4－1外延片的表面缺陷
• 云雾状表面 外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以看到。 一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛光浓度过大，生长温度太低等引起的。 • 角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘，用肉眼可以看到。
气相外延、液相外延、固相外延、 对于硅外延，应用最广泛的是气相外延
以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体, 在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在 加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等
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5.2硅的气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
➢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。
• 第二种情况是由于衬底引起的 当衬底中硼的含量大于31016cm－3时，外延层中就容 易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快，结果 使得硼扩散到外延层中补偿了N型杂质，形成了一个 高阻层或反型层。 解决办法：一是提高重掺杂单晶质量；二是在工艺中 防止引入P型杂质，降低单晶中B的含量；三是在外延 生长时可以先长一层N型低阻层作为过渡层，控制夹 层。
半导体材料
第五章硅外延生长 5.1外延生长概述
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：在一定条件下，在单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
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外延生长分类
• 根据外延层性质 同质外延：外延层与衬底同种材料 如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP; 异质外延：外延层与衬底不同材料 如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；
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5－3－4外延层的夹层
• 外延层的夹层指的是外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反型层。 • 分为两种类型：
一是在检测时导电类型混乱，击穿图形异常，用染色法观察界面不清 晰
二是导电类型异常，染色观察会看到一条清晰的带
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外延层产生的原因也有两种：
• 第一种夹层情况认为P型杂质沾污，造成N型外延层被 高度补偿 解决办法：P型杂质主要来源于SiCL4，只要提高 SiCL4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。
铝的低价氯化物为气体，它使衬底被腐蚀，导致外延层产 生缺陷。 氢气和淀积的硅也会腐蚀衬底
2H2+AL2O3=AL2O+2H2O 5Si＋2AL2O3=AL2O＋5SiO+2AL 在•衬底S采尚iC用未L被S4S对iiH完衬全4热覆底盖分的之解前腐，法上蚀更述大腐有蚀于反利S应。i都H在4,进所行以SOS外延生长，
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5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 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气N邻片N扩散N基座N系统
N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 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
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
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根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同
• 真空外延、气相外延、液相外延
液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里， 降低温度析出硅膜。
根据相变过程
5. a)冷却到沉积温度；b)引入硅原料和掺杂剂以沉 积所要的薄膜；c)吹入氢气以去除硅原料和掺杂 剂
6. 冷却到室温
7. 吹走氢气并重新充入氮气
8. 取出硅片
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5-2-4硅外延生长的基本原理和影响 因素
以SiCl4为例
• 原理：SiCl4+2H2 Si+4HCl
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生长过程：
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1. SiCl4浓度对生长速率的影响
• 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，使得外延层和衬底处的杂质 浓度变平
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N1 x
1 2 NSUb
exp
2
x Dt
N2 x
1 2
Nf
exp
x 2 Dt
衬底扩散造成的杂质分布 外部掺入的杂质浓度分布
注意：外延层的实 际界面
外延层中杂质分布是 两者的总和
• 两个模型: 气-固表面复相化学反应模型, 气相均质反应模型
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气-固表面复相化学反应模型
边界层：P110
• 在接近基座表面的流体中出现一个流体速度受到干扰而变化的薄层，而在薄 层外的流速不受影响，称此薄层为边界层，也叫附面层，停滞层，滞流层。
边界层厚度与流速平方根成反比
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• 此模型认为硅外延生长包括下列步骤:
• SiH2CL2,SiH4
常温气体， SiH2CL2使用方便，反应温度低,应用越 来越广。SiH4反应温度低，无腐蚀性气体，但是会 因漏气产生外延缺陷。
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5－2－2 硅外延生长设备
• 四部分组成： 氢气净化系统、气体输运及净化系统、加热设
备和反应室 • 根据反应室的结构，由水平式和立式，后者又
分为平板式和桶式 • 加热反应器，提高温度，有利于硅的淀积，加热
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雾状表面缺陷 ①雾圈
②白雾
③残迹
④花雾
①雾圈
②Hale Waihona Puke Baidu雾
③残迹
④花雾
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角锥体
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• 亮点：外形为乌黑发亮的小圆点 • 塌边：又叫取向平面，它是外延生长后在片子边缘部分比中间部分低形
成一圈或一部分宽1～2mm左右的斜平面。 形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏离衬底片晶向。
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• 划痕：由机械损伤引起 • 星形线（滑移线）：
1.反应物气体混合向反应区输运 2.反应物穿过边界层向衬底表面迁移 3.反应物分子被吸附在高温衬底表面上 4.在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体的原
子和气体副产物，原子进入晶格格点位置形成 晶格点阵，实现晶体生长 5.副产物气体从表面脱附并穿过边界层向主气流 中扩散 6.气体副产物和未反应的反应物，离开反应区被 排出系统
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4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。 5.采用二段外延生长技术 即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源， 只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长 第二段外延层，直到达到预定厚度
二：采用减压生长技术
• 使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层 • 一般在1.3103～2104Pa的压力下进行。
为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用 双速率生长和两步外延等外延生长方法。
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双速率生长：先用高的生长速率(1～ 2um/min),迅速将衬底表面覆盖(生长100～
200nm)。然后再以低的生长速率(约 0.3um/min)长到所需求的厚度。
两步外延法是综合利用SiH4/H2和SiCI4/H2两个体系的优点。即第一部用SiH4/H2体 系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用SiCI4/H2体系接着生长到所要求的厚度。
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N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因此称为外掺杂 N扩散，N衬底，N邻片的杂质来源于衬底片，通称为自掺杂
2.外延生长的掺杂
外延用PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3做N型 掺杂剂，用BCL3,BBr3，B2H6做P型掺杂 剂
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5-3-2外延中杂质的再分布
• 外延层中含有和衬底中的杂质不同类型的杂质，或者是同一种类型的杂质， 但是其浓度不同。