第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)2023/10/7第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)2023/8/1第8章IC工藝1第四單元：薄膜技術(shù)

第8章：晶體外延生長技術(shù)

第9章：薄膜物理淀積技術(shù)

第10章：薄膜化學(xué)汽相淀積第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第四單元：薄膜技術(shù)

第8章：晶體外延生長技術(shù)

第9章2第8章：晶體外延生長技術(shù)

為什么需要外延？1）雙極分離器件（如：大功率器件的串聯(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 Chapter14第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章：晶體外延生長技術(shù)

為什么需要外延？第8章IC3第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)4第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)58.1外延層的生長 8.1.1生長的一般原理和過程 SiCl4的氫化還原——成核——長大 第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)8.1外延層的生長 8.1.1生長的一般原理和過程6一般認(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生長層表面2SiCl2=Si+SiCl4(2)氣相中SiCl4+H2=SiHCl3+HCl生長層表面SHiCl3+H2=Si+3HCl第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)一般認(rèn)為反應(yīng)過程是多形式的兩步過程第8章IC工藝晶體外延生長7第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)8在(111)面上生長,穩(wěn)定的是雙層面,位置7、8、9比位置1、2、3、4穩(wěn)定第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)在(111)面上生長,穩(wěn)定的是雙層面,位置7、8、9比位置19在一定的襯底溫度下，1、2、3、4位的原子很容易擴散（游離）到7、8、9相應(yīng)的位置，使生長迅速在橫向擴展。即，可看成是多成核中心的二維生長。如：1200°C時V（111）~幾百埃/分V（112）~幾百微米/分第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)在一定的襯底溫度下，1、2、3、4位的原子很容易擴散（游離）108.1.2生長動力學(xué)(14.2,14.3) 與熱氧化過程不同的是，外延時只有氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程和表面吸附（反應(yīng)）過程。第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)8.1.2生長動力學(xué)(14.2,14.3) 與熱氧化11因而，氣相外延是由下述步驟組成的多相過程 1）反應(yīng)劑分子以擴散方式從氣相轉(zhuǎn)移到生長層 表面 2）反應(yīng)劑分子在生長層表面吸附； 3）被吸附的反應(yīng)劑分子在生長層的表面完成化 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陣，形成 單晶外延層；第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)因而，氣相外延是由下述步驟組成的多相過程第8章IC工藝晶體外12SubstrateContinuousfilm8) By-productremoval1) MasstransportofreactantsBy-products2) Filmprecursorreactions3) Diffusionofgasmolecules4) Adsorptionofprecursors5) Precursordiffusionintosubstrate6) Surfacereactions7) DesorptionofbyproductsExhaustGasdelivery第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)SubstrateContinuousfilm8) By13因而在反應(yīng)劑濃度較小時有：KS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為外延層的生長速率(14.2)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)因而在反應(yīng)劑濃度較小時有：KS為表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，hG氣相質(zhì)141）生長速率和反應(yīng)劑濃度的關(guān)系——正比 （a）?。╞）、（c）？SiCl4（氣）+Si（固）2SiCl2（氣）第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)1）生長速率和反應(yīng)劑濃度的關(guān)系——正比 152）生長速率與外延溫度的關(guān)系 對于SiCl4，Ea~1.9eV SiH4，Ea~1.6eV DG0：0.1~1cm2s-1

a：1.75~2 第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)2）生長速率與外延溫度的關(guān)系 16在較高溫度下：kS>>hG 質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制

在較低溫度下：kS<<hG

表面反應(yīng)控制第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)在較高溫度下：kS>>hG 質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制 17在高溫段（質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制）生長速率受溫度影響小，便于控制（可為±10°C）第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)在高溫段（質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制）生長速率受溫度影響小，便于控制（可為183）生長速率與襯底取向的關(guān)系 v(110)>v(100)>v(111)? 4)氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移 進一步分析可得： 由這一公式可得出什么？第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)3）生長速率與襯底取向的關(guān)系 v(110)>v(100198.1.3外延堆垛層錯CCAAAAAAAAAAAAACCBBBCCCCCCCCCCCCCBBBAAABBBBBBBBBBBAAAAACCCAAAAAAAAACCCCCBBBBCCCCCCCCCBBBBBAAAAABBBBBBBAAAAAACCCCCCAAAAACCCCCCCBBBBBBBBCCCBBBBBBBBAAAAAAAABAAAAAAAAA 第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)8.1.3外延堆垛層錯第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)20第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)21第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)22層錯(失配晶核)產(chǎn)生的原因：晶面的缺陷(機械損傷、位錯、微缺陷、氧化斑點、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，生長速率過快等。HCl汽相拋光第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)層錯(失配晶核)產(chǎn)生的原因：晶面的缺陷(機械損傷、位238.2（汽相）外延生長工藝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）第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)8.2（汽相）外延生長工藝第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)241）摻雜濃度受汽相中的摻雜劑分氣壓控制 第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)1）摻雜濃度受汽相中的摻雜劑分氣壓控制 252）生長速率和溫度的影響 為什么溫度升高會使?jié)舛冉档停康?章IC工藝晶體外延生長技術(shù)2）生長速率和溫度的影響 26SiliconVaporPhaseEpitaxyReactorsExhaustExhaustExhaustRFheatingRFheatingGasinletGasinletHorizontalreactorBarrelreactorVerticalreactor第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)SiliconVaporPhaseEpitaxyRe27第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)28第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)298.2.2外延過程中的雜質(zhì)再分布和自摻雜 第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)8.2.2外延過程中的雜質(zhì)再分布和自摻雜 第8章IC301）襯底雜質(zhì)的再分布N1 （見page228） 在外延區(qū)：時（一般都成立） 2）摻入雜質(zhì)的再分布 總分布為：N=N1+N2第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)1）襯底雜質(zhì)的再分布N1 （見page228）第8章I313）自摻雜（autodoping）效應(yīng) 襯底中的雜質(zhì)不斷地蒸發(fā)出來，進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：（擴散系數(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 電阻率、雜質(zhì)分布、厚度、缺陷第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)3）自摻雜（autodoping）效應(yīng) 襯底中的雜質(zhì)不斷32第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)33第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)34紅外干涉法IR（Infrared）Reflection，（coherence）Page369第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)紅外干涉法IR（Infrared）Reflection，358.2.4外延過程中的圖形漂移 (Page367) 對策：晶向偏2~5°,含Cl,(100)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)8.2.4外延過程中的圖形漂移 (Page367) 368.3GaAs外延生長工藝1）汽相外延(369~371) 難點：As壓與生長速率的控制（缺陷）第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)8.3GaAs外延生長工藝第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)372）液相外延 （LPE） 特點：雜質(zhì)均勻、缺陷少，表面質(zhì)量差、厚度不易控制第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)2）液相外延 （LPE） 特點：雜質(zhì)均勻、缺陷少，38第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)39第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)408.4異質(zhì)結(jié)問題(370~372)晶格失配 對策：襯底材料的晶向、過度層第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)8.4異質(zhì)結(jié)問題(370~372)第8章IC工藝晶體外延生41缺陷控制和摻雜問題 對策：催化、過度層；新技術(shù)；主流技術(shù)：氣相外延

第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)42一種GeSi量子點第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)一種GeSi量子點第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)43第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)448.5先進外延生技術(shù)1）MBE（molecularbeamepitaxy)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)8.5先進外延生技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)45配以RHEED、Auger（AES）進行原位監(jiān)測；是一超高真空（UHV）系統(tǒng)（10-12~10-6Torr）；襯底溫度低<500°C精度高，但生長速率低，成本高第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)配以RHEED、Auger（AES）第8章IC工藝晶體外延生46可以控制到單原子層第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)可以控制到單原子層第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)47第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)48第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)49第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)50第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)51第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)52第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)532)MOVPE(Metal-organicvaporphaseepitaxy) 金屬氧化物分解 (375~380) 如：三甲基銦、鎵（ＴＭＩ、ＴＭＧａ） 三乙基銦（ＴＥＩ）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：低溫分解（<500°C）、生長速率易于控制、雜質(zhì)易于控制、生產(chǎn)效率遠(yuǎn)高于MBE第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)2)MOVPE(Metal-organicvaporph54第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)55第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)56第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)57第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)58第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)593)SOI(SilicononInsulators) *SOS（SilicononSapphire) 是一種異質(zhì)外延，通常Sapphire的晶向選為（0112）、（1012）、（1102）等*SIMOX(SeparationbyImplantedOxygen) 目前已經(jīng)較廣泛應(yīng)用

第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)3)SOI(SilicononInsulators)60第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)第8章IC工藝晶體外延生長技術(shù)61 *WaferBonding（SmartCut）Toformgasvoidlayer對于Si低溫<600°C；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<5x1