工艺晶体外延生长技术课件(66页)
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Chapter 14
3
4
5
– 8.1外延层的生长 8.1.1生长的一般原理和过程 SiCl4的氢化还原——成核——长大
6
– 一般认为反应过程是多形式的两步过程 – 如: – (1) 气相中 SiCl4+H2=SiCl2+2HCl – 生长层表面 2SiCl2=Si+SiCl4 – (2) 气相中 SiCl4+H2=SiHCl3+HCl – 生长层表面 SHiCl3+H2=Si+3HCl
（如：PH3、PCl3、PCl5、AsCl3、AsH3、 SbCl3、SbH3和BBr3、BCl3、B2H6等）
24
– 1）掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制
Nf
Pf 0
NSi (NSi/H)PG0
25
– 2）生长速率和温度的影响
为什么温度升高会使浓度降低？
26
Silicon Vapor Phase Epitaxy Reactors
17
在高温段（质量转移 控制）生长速率受温 度影响小，便于控制 （可为±10°C）
18
– 3）生长速率与衬底取向的关系 v(110)>v(100)>v(111) ?
– 4)气相质量转移 进一步分析可得：
hG 13DG3 Pr
U0 x
由这一公式可得出什么？
19
– 8.1.3 外延堆垛层错 CCAAAAAAAAAAAAACC BBBCCCCCCCCCCCCCBBB AAABBBBBBBBBBBAAAAA CCCAAAAAAAAACCCCC BBBBCCCCCCCCCBBBBB AAAAABBBBBBBAAAAAA CCCCCCAAAAACCCCCCC BBBBBBBBCCCBBBBBBBB AAAAAAAABAAAAAAAAA
7
8
在(111)面上生长,稳定的是双层面,位 置7、8、9比位置1、2、3、4稳定
9
在一定的衬底温度 下，1、2、3、4位 的原子很容易扩散 （游离）到7、8、9 相应的位置，使生 长迅速在横向扩展。
即，可看成是多成 核中心的二维生长。 如：1200°C时 V（111）~几百埃/分 V（112）~几百微米/分
Locations where thin films are deposited
Wafer fabrication (front-end)
Wafer start
Thin Films
Polish
Unpatterned wafer
Completed wafer
Diffusion
Photo
Etch
Test/Sort
hG DG /N
– 对于SiCl4，Ea~1.9eV SiH4，Ea~ 1.6eV
DG0：0.1~1cm2s-1 a：1.75~2
16
– 在较高温度下：kS>>hG
N GS 0
v
NT N Si
hGY
质量转移控制
– 在较低温度下：kS<<hG 表面反应控制
N GS N G 0
v
NT N Si
kSY
v为外延层的生长速率(14.2)
KS为表面化学反应系数，hG气相质量转移（传输）系数 NT为分子总浓度，Y为反应剂摩尔数
14
– 1）生长速率和反应剂浓度的关系——正比
（a）！（b）、（c）？
SiCl4（气）+Si（固）2SiCl2（气）
15
– 2）生长速率与外延温度的关系
kS kS0 exp(Ea / kT) DG DG0(T /T0)a
– 缺陷控制和掺杂问题 对策：催化、过度层；新技术；
– 主流技术：气相外延
42
一种GeSi量子点
43
44
• 8.5 先进外延生技术
– 1）MBE（molecular beam epitaxy)
45
配以RHEED、 Auger（AES）
进行原位监测；
是一超高真空 （UHV）系统 （10-12~ 10-6 Torr）；
GaAs+3CH4
– 特点：低温分解（ <500°C）、生长速率易于控制、
杂质易于控制、生产效率远高于MBE
54
55
56
57
58
59
– 3) SOI (Silicon on Insulators) *SOS （Silicon on Sapphire) 是一种异质外延，通常Sapphire的晶向选为 （0112）、（1012）、（1102）等 *SIMOX ( Separation by Implanted Oxygen) 目前已经较广泛应用
12
1) Mass transport of reactants
Gas delivery
2) Film precursor reactions
3) Diffusion of gas molecules
4) Adsorption of precursors
By-products
7) Desorption of byproducts
– 8.2.3 清洁技术
– 8.2.4 外延层性能检测 电阻率、杂质分布、厚度、缺陷
32
33
34
红外干涉法 IR（Infrared） Reflection， （coherence）
Page 369
35
– 8.2.4 外延过程中的图形漂移 (Page 367) 对策：晶向偏2~5°,含Cl, (100)
60
61
*Wafer Bonding（Smart Cut）
To form gas void layer
对于Si
低温<600°C；
高质量薄外 延层<0.2m
表面粗糙度 <2Å
均匀性~5% （~200mm）
金属污染 <5x1010/cm3
62
• 选择性外延(SEG) 14.6
63
Epi-layer Formation during Plasma-Based
1) Reactants enter chamber
Gas delivery
2) Dissociation of reactants by electric fields
3) Film precursors are formed
4) Adsorption of precursors
RF field
RF generator Electrode PECVD reactor
10
– 8.1.2生长动力学(14.2, 14.3) 与热氧化过程不同的是，外延时只有气相 质量转移过程和表面吸附（反应）过程。
11
– 因而，气相外延是由下述步骤组成的多相过程 1）反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层 表面 2）反应剂分子在生长层表面吸附； 3）被吸附的反应剂分子在生长层的表面完成化 学反应，产生硅原子及其它副产物； 4）副产物分子丛表面解吸； 5）解吸的副产物以扩散的形式转移到气相，随 主气流排出反应腔； 6）反应所生成的硅原子定位于晶格点阵，形成 单晶外延层；
7) Desorption of by-products
By-products
8) By-product removal
Exhaust
5) Precursor diffusion
into substrate
6) Surface reactions Continuous film
Substrate Electrode 64
Exhaust
RLeabharlann Baidu heating
Horizontal reactor
Gas inlet RF heating
Gas inlet
Exhaust Vertical reactor
Exhaust
Barrel reactor 27
28
29
– 8.2.2 外延过程中的杂质再分布和自掺杂
30
– 1）衬底杂质的再分布N1 （见page 228） – 在外延区：vt D1t 时（一般都成立）
衬底温度低 <500°C
精度高，但生 长速率低，成 本高
46
可以控制到 单原子层
47
48
49
50
51
52
53
– 2)MOVPE(Metal-organic vapor phase epitaxy)
金属氧化物分解
(375~380)
如：三甲基铟、镓（ＴＭＩ、ＴＭＧａ）
三乙基铟（ＴＥＩ）
MR3（金属烷基）+XH3（氢化物）=MX+3RH 如：Ga（CH3）3+AsH3=GaAs+3CH4 又如：xAlCH3）3+（1-x）Ga（CH3）3+AsH3=
20
21
22
层错(失配晶核)产生的原因：晶面的缺陷 (机械损伤、位错、微缺陷、氧化斑点、杂 质沉陷区)和表面污染（灰尘、杂质等）， 气体和反应剂的纯度不够，温度过低或起 伏过大，生长速率过快等。
HCl汽相抛光 23
• 8.2（汽相）外延生长工艺
– 8.2.1 外延层中的掺杂 在外延反应剂中加入掺杂剂
8) By-product removal
Exhaust
5) Precursor diffusion
into substrate
6) Surface reactions
Continuous film
Substrate
13
因而在反应剂浓度较小时有：
NGS
NG0 1(kS /
hG)
v kShG NG0 kShG NT Y kS hG NSi kS hG NSi
36
• 8.3 GaAs外延生长工艺
– 1）汽相外延 (369~371) 难点：As压与生长速率的控制
（缺陷）
37
– 2）液相外延 （LPE） 特点：杂质均匀、缺陷少，表面质量
差、厚度不易控制
38
39
40
• 8.4 异质结问题(370~372)
– 晶格失配 对策：衬底材料的晶向、过度层
41
1
x
N1(x,t)2Nsueb r(f2cD1t)
– 2）掺入杂质的再分布
1
x
N2(x,t)Nf[1-2er(f2cD1t)]
总分布为：N=N1+N2
31
– 3）自掺杂（autodoping）效应 衬底中的杂质不断地蒸发出来，进入总气 流并掺入外延层。
– 4）减小自掺杂效应措施 衬底杂质的选择：（扩散系数小、蒸发速 率低，如Sb） 两步外延、低温（变温）技术（如选择适 当的化学体系、光照、等离子体等）、 低压技术、掩蔽技术等
65
重点掌握： 1、Si集成电路工艺中的外延技术 2、异质结外延中的几个工艺难点 3、分子束（MBE）和金属氧化物外延
（MOCVD）的主要原理和工艺特点
66
Implant
1
第四单元：薄膜技术
第8章： 晶体外延生长技术 第9章：薄膜物理淀积技术 第10章：薄膜化学汽相淀积
2
第8章： 晶体外延生长技术
• 为什么需要外延？
– 1）双极分离器件（如：大功率器件的串联 电阻问题）
– 2）双极IC（隔离与埋层问题） – 3）化合物半导体器件及超晶格的异质结问
题 – 4）MOS集成电路
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– 8.1外延层的生长 8.1.1生长的一般原理和过程 SiCl4的氢化还原——成核——长大
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– 一般认为反应过程是多形式的两步过程 – 如: – (1) 气相中 SiCl4+H2=SiCl2+2HCl – 生长层表面 2SiCl2=Si+SiCl4 – (2) 气相中 SiCl4+H2=SiHCl3+HCl – 生长层表面 SHiCl3+H2=Si+3HCl
（如：PH3、PCl3、PCl5、AsCl3、AsH3、 SbCl3、SbH3和BBr3、BCl3、B2H6等）
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– 1）掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制
Nf
Pf 0
NSi (NSi/H)PG0
25
– 2）生长速率和温度的影响
为什么温度升高会使浓度降低？
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Silicon Vapor Phase Epitaxy Reactors
17
在高温段（质量转移 控制）生长速率受温 度影响小，便于控制 （可为±10°C）
18
– 3）生长速率与衬底取向的关系 v(110)>v(100)>v(111) ?
– 4)气相质量转移 进一步分析可得：
hG 13DG3 Pr
U0 x
由这一公式可得出什么？
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– 8.1.3 外延堆垛层错 CCAAAAAAAAAAAAACC BBBCCCCCCCCCCCCCBBB AAABBBBBBBBBBBAAAAA CCCAAAAAAAAACCCCC BBBBCCCCCCCCCBBBBB AAAAABBBBBBBAAAAAA CCCCCCAAAAACCCCCCC BBBBBBBBCCCBBBBBBBB AAAAAAAABAAAAAAAAA
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在(111)面上生长,稳定的是双层面,位 置7、8、9比位置1、2、3、4稳定
9
在一定的衬底温度 下，1、2、3、4位 的原子很容易扩散 （游离）到7、8、9 相应的位置，使生 长迅速在横向扩展。
即，可看成是多成 核中心的二维生长。 如：1200°C时 V（111）~几百埃/分 V（112）~几百微米/分
Locations where thin films are deposited
Wafer fabrication (front-end)
Wafer start
Thin Films
Polish
Unpatterned wafer
Completed wafer
Diffusion
Photo
Etch
Test/Sort
hG DG /N
– 对于SiCl4，Ea~1.9eV SiH4，Ea~ 1.6eV
DG0：0.1~1cm2s-1 a：1.75~2
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– 在较高温度下：kS>>hG
N GS 0
v
NT N Si
hGY
质量转移控制
– 在较低温度下：kS<<hG 表面反应控制
N GS N G 0
v
NT N Si
kSY
v为外延层的生长速率(14.2)
KS为表面化学反应系数，hG气相质量转移（传输）系数 NT为分子总浓度，Y为反应剂摩尔数
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– 1）生长速率和反应剂浓度的关系——正比
（a）！（b）、（c）？
SiCl4（气）+Si（固）2SiCl2（气）
15
– 2）生长速率与外延温度的关系
kS kS0 exp(Ea / kT) DG DG0(T /T0)a
– 缺陷控制和掺杂问题 对策：催化、过度层；新技术；
– 主流技术：气相外延
42
一种GeSi量子点
43
44
• 8.5 先进外延生技术
– 1）MBE（molecular beam epitaxy)
45
配以RHEED、 Auger（AES）
进行原位监测；
是一超高真空 （UHV）系统 （10-12~ 10-6 Torr）；
GaAs+3CH4
– 特点：低温分解（ <500°C）、生长速率易于控制、
杂质易于控制、生产效率远高于MBE
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– 3) SOI (Silicon on Insulators) *SOS （Silicon on Sapphire) 是一种异质外延，通常Sapphire的晶向选为 （0112）、（1012）、（1102）等 *SIMOX ( Separation by Implanted Oxygen) 目前已经较广泛应用
12
1) Mass transport of reactants
Gas delivery
2) Film precursor reactions
3) Diffusion of gas molecules
4) Adsorption of precursors
By-products
7) Desorption of byproducts
– 8.2.3 清洁技术
– 8.2.4 外延层性能检测 电阻率、杂质分布、厚度、缺陷
32
33
34
红外干涉法 IR（Infrared） Reflection， （coherence）
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– 8.2.4 外延过程中的图形漂移 (Page 367) 对策：晶向偏2~5°,含Cl, (100)
60
61
*Wafer Bonding（Smart Cut）
To form gas void layer
对于Si
低温<600°C；
高质量薄外 延层<0.2m
表面粗糙度 <2Å
均匀性~5% （~200mm）
金属污染 <5x1010/cm3
62
• 选择性外延(SEG) 14.6
63
Epi-layer Formation during Plasma-Based
1) Reactants enter chamber
Gas delivery
2) Dissociation of reactants by electric fields
3) Film precursors are formed
4) Adsorption of precursors
RF field
RF generator Electrode PECVD reactor
10
– 8.1.2生长动力学(14.2, 14.3) 与热氧化过程不同的是，外延时只有气相 质量转移过程和表面吸附（反应）过程。
11
– 因而，气相外延是由下述步骤组成的多相过程 1）反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层 表面 2）反应剂分子在生长层表面吸附； 3）被吸附的反应剂分子在生长层的表面完成化 学反应，产生硅原子及其它副产物； 4）副产物分子丛表面解吸； 5）解吸的副产物以扩散的形式转移到气相，随 主气流排出反应腔； 6）反应所生成的硅原子定位于晶格点阵，形成 单晶外延层；
7) Desorption of by-products
By-products
8) By-product removal
Exhaust
5) Precursor diffusion
into substrate
6) Surface reactions Continuous film
Substrate Electrode 64
Exhaust
RLeabharlann Baidu heating
Horizontal reactor
Gas inlet RF heating
Gas inlet
Exhaust Vertical reactor
Exhaust
Barrel reactor 27
28
29
– 8.2.2 外延过程中的杂质再分布和自掺杂
30
– 1）衬底杂质的再分布N1 （见page 228） – 在外延区：vt D1t 时（一般都成立）
衬底温度低 <500°C
精度高，但生 长速率低，成 本高
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可以控制到 单原子层
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48
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50
51
52
53
– 2)MOVPE(Metal-organic vapor phase epitaxy)
金属氧化物分解
(375~380)
如：三甲基铟、镓（ＴＭＩ、ＴＭＧａ）
三乙基铟（ＴＥＩ）
MR3（金属烷基）+XH3（氢化物）=MX+3RH 如：Ga（CH3）3+AsH3=GaAs+3CH4 又如：xAlCH3）3+（1-x）Ga（CH3）3+AsH3=
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22
层错(失配晶核)产生的原因：晶面的缺陷 (机械损伤、位错、微缺陷、氧化斑点、杂 质沉陷区)和表面污染（灰尘、杂质等）， 气体和反应剂的纯度不够，温度过低或起 伏过大，生长速率过快等。
HCl汽相抛光 23
• 8.2（汽相）外延生长工艺
– 8.2.1 外延层中的掺杂 在外延反应剂中加入掺杂剂
8) By-product removal
Exhaust
5) Precursor diffusion
into substrate
6) Surface reactions
Continuous film
Substrate
13
因而在反应剂浓度较小时有：
NGS
NG0 1(kS /
hG)
v kShG NG0 kShG NT Y kS hG NSi kS hG NSi
36
• 8.3 GaAs外延生长工艺
– 1）汽相外延 (369~371) 难点：As压与生长速率的控制
（缺陷）
37
– 2）液相外延 （LPE） 特点：杂质均匀、缺陷少，表面质量
差、厚度不易控制
38
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40
• 8.4 异质结问题(370~372)
– 晶格失配 对策：衬底材料的晶向、过度层
41
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x
N1(x,t)2Nsueb r(f2cD1t)
– 2）掺入杂质的再分布
1
x
N2(x,t)Nf[1-2er(f2cD1t)]
总分布为：N=N1+N2
31
– 3）自掺杂（autodoping）效应 衬底中的杂质不断地蒸发出来，进入总气 流并掺入外延层。
– 4）减小自掺杂效应措施 衬底杂质的选择：（扩散系数小、蒸发速 率低，如Sb） 两步外延、低温（变温）技术（如选择适 当的化学体系、光照、等离子体等）、 低压技术、掩蔽技术等
65
重点掌握： 1、Si集成电路工艺中的外延技术 2、异质结外延中的几个工艺难点 3、分子束（MBE）和金属氧化物外延
（MOCVD）的主要原理和工艺特点
66
Implant
1
第四单元：薄膜技术
第8章： 晶体外延生长技术 第9章：薄膜物理淀积技术 第10章：薄膜化学汽相淀积
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第8章： 晶体外延生长技术
• 为什么需要外延？
– 1）双极分离器件（如：大功率器件的串联 电阻问题）
– 2）双极IC（隔离与埋层问题） – 3）化合物半导体器件及超晶格的异质结问
题 – 4）MOS集成电路