04微电子工艺基础外延工艺

微电子工艺基础1第4章外延工艺微电子工艺基础22第4章外延工艺本章（3学时）目标：1、了解相图和固溶度的概念2、了解外延技术的特点和应用3、掌握外延的分类4、掌握气相外延的原理、步骤5、了解分子束外延的实现方式和优点微电子工艺基础33第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念二、外延工艺1、概述2、硅的气相外延3、掺杂4、缺陷与检测5、外延的应用三、其它外延微电子工艺基础44第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念1、定义相图半导体材料，即使是硅也多以掺杂混合物状态出现的。相图是表达混合材料性质的一种简便方法。相图与大气压也有关，微电子工艺中一般只用常压状态相图金属及其他工程材料的性能决定于其内部的组织、结构，金属等材料的组织又由基本的相所组成。由一个相所组成的组织叫单相组织，两个或两个以上的相组成的叫两相或多相组织。相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态。表达混合材料性质的一种很简便的方式就是相图。二元相图可以看作是标示出两种材料混合物稳定相区域的一种图，这些相区域是组成百分比和温度的函数。相图也可能依赖于气压。微电子工艺基础551、定义固溶度在平衡态下，一种杂质可以溶在另一种材料的最高浓度,或者说溶质固溶于溶剂内所形成的饱和固溶体内溶质的浓度。第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念微电子工艺基础662、二元相图二元相图可以看做是表示出两种材料混合物稳定相区域的一种图，这些相区域是组分百分比和温度的函数第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念微电子工艺基础771414938.3硅原子百分比硅重量百分比固相液相Ge-Si相图第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念微电子工艺基础883、固溶度杂质浓度通常用单位体积内的原子数来表示。例如硅中砷原子浓度3.5%相当于1.75X1021cm-3第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念微电子工艺基础993、固溶度相当于3%第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念微电子工艺基础10103、固溶度掺杂浓度可以超过固溶度。给含杂质原子的圆片加热，再快速冷却，杂质浓度可超出其固溶度的10倍以上。淬火：硅片冷却导致杂质成分在硅晶体内形成固体淀积（当然也可能有较少部分跑出晶格表面），如果冷却足够快，那么淀积是无法形成的，而比热力学平衡条件所允许的更高浓度的杂质就被冻结在硅晶格之中了，冶金学家称此过程为淬火。第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念微电子工艺基础1111第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念二、外延工艺1、概述2、硅的气相外延3、掺杂4、缺陷与检测5、外延的应用三、其它外延微电子工艺基础1212第4章外延工艺二、外延工艺1、概述（1）外延定义：在单晶衬底上新生一层单晶膜的技术。以气相外延为例，则是含外延层材料的物质以气相形式流向衬底，在高温下发生化学反应，在单晶衬底上生长出与衬底取向一致的单晶。记作：P/Q（P为外延层）微电子工艺基础13131、概述生成的晶体结构良好掺入的杂质浓度易控制可形成接近突变pn结的特点（2）外延特点：第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础14141、概述（3）外延分类：①按工艺分类A气相外延（VPE）利用硅的气态化合物或者液态化合物的蒸汽，在加热的硅衬底表面和氢发生反应或自身发生分解还原出硅。第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础1515B液相外延（LPE）衬底在液相中，液相中析出的物质并以单晶形式淀积在衬底表面的过程。此法广泛应用于III-V族化合半导体的生长。原因是化合物在高温下易分解，液相外延可以在较低的温度下完成。1、概述（3）外延分类：①按工艺分类第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础1616C固相外延（SPE）固体物质通过物理淀积形成的外延层的技术D分子束外延（MBE）在超高真空条件下，利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射到衬底表面，并在其上形成外延层的技术。特点：生长时衬底温度低，外延膜的组分、掺杂浓度以及分布可以实现原子级的精确控制。第4章外延工艺二、外延工艺1、概述（3）外延分类：①按工艺分类微电子工艺基础1717②按导电类型分类n型外延：n/n,n/p外延p型外延：p/n,p/p外延1、概述（3）外延分类：第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础1818③按反应室形式卧式：产量大，设备结构简单；但是生成的外延层的厚度和电阻率的均匀性较差，外延生长时易出现滑移位错及片子弯曲。立式：维护容易，外延层的厚度和电阻率的均匀性及自掺杂效应能得到较好的控制；但设备大型化，制造难度大。桶式：较好的防止外延滑移位错，外延层的厚度和电阻率的均匀性好；但设备结构复杂，不易维护。1、概述（3）外延分类：第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础1919③按反应室形式1、概述（3）外延分类：第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础2020④按材料异同分类同质外延（autoepitaxy）：异质外延（heteroepitaxy）：外延层和衬底为同种材料例如硅上外延硅。外延层和衬底为不同种材料例如SOI((绝缘体上硅)是一种特殊的硅片，其结构的主要特点是在有源层和衬底层之间插入绝缘层———埋氧层来隔断有源层和衬底之间的电气连接)1、概述（3）外延分类：第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础2121⑤按电阻率高低分类正外延：低阻衬底上外延高阻层n/n+反外延：高阻衬底上外延低阻层1、概述（3）外延分类：第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础2222⑥按温度（1000度界）⑦按压力（常压、低压）1、概述（3）外延分类：第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础2323第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念二、外延工艺1、概述2、硅的气相外延3、掺杂4、缺陷与检测5、外延的应用三、其它外延微电子工艺基础24242、硅的气相外延（1）原理在气相外延生长过程中，有两步：质量输运过程－－反应剂输运到衬底表面表面反应过程－－在衬底表面发生化学反应释放出硅原子①外延的过程第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础2525（1）原理通常用的外延反应剂：SiCl4(*)、SiH2Cl2、SiH4、SiHCl3②外延反应剂2、硅的气相外延第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础2626③SiCl4外延反应剂SiCl4＋2H2----Si+4HCl（1200度左右）（生长，腐蚀）SiCl4＋Si----2SiCl2（腐蚀硅）H2的作用：运载和稀释气体；还原剂上述两个反应的综合结果外延生长的同时伴随有衬底的腐蚀。（1）原理2、硅的气相外延第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础2727原理图：（1）原理2、硅的气相外延第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础2828（2）外延生长速率①控制外延速率很关键过快可能造成：多晶生长外延层中有过多的堆跺层错夹渣2、硅的气相外延第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础2929②影响外延生长速率的因素A反应剂的浓度工业典型条件Y=0.005-0.01（2）外延生长速率2、硅的气相外延第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础3030②影响外延生长速率的因素B外延的温度在实际生产中：外延温度选择在B区原因有二。a）B区的温度依赖型强；b）淀积的硅原子也需要足够的能量和迁移能力，高温（2）外延生长速率2、硅的气相外延第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础3131②影响外延生长速率的因素C气体流速由于1200高温下到达衬底表面的不会堆积：因此流速越大，外延层的生长速率越快。（2）外延生长速率2、硅的气相外延第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础3232②影响外延生长速率的因素D其它反应腔界面形状等。（2）外延生长速率2、硅的气相外延第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础3333①系统要求气密性好；温度均匀；气流均匀；反应剂和掺杂剂的浓度和流量精确可控；外延前能对衬底做气相抛光；（2）外延生长速率2、硅的气相外延第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础3434（3）系统及工序②工序（参见教材图12.35）2、硅的气相外延第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础3535第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念二、外延工艺1、概述2、硅的气相外延3、掺杂4、缺陷与检测5、外延的应用三、其它外延微电子工艺基础36363、掺杂按器件对外延导电性和电阻率的要求，在外延的同时掺入适量的杂质，这称为有意掺杂。（1）有意掺杂有意掺杂的掺杂剂：通常为氢化物或者氯化物例如：N型为PH3、AsH3、PCl3、AsCl3例如：P型为B2H6剧毒第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础3737掺杂剂的掺杂也包括质量传输和表面化学反应过程。（1）有意掺杂外延层的掺杂量影响因素：A掺杂剂的浓度B衬底温度C淀积速率等其他因素3、掺杂第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础3838（1）有意掺杂外延层的掺杂浓度与掺杂剂初始分压的关系：3、掺杂第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础3939（2）自掺杂（可参考教材P258中间部分）大多数VLSI电路要求在重掺杂（1019-1020cm-3）衬底上外延轻掺杂（1014-1017cm-3）层。外延层通常会有三个无意掺杂过程发生。衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然后重新返回外延层。3、掺杂第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础40403、掺杂（3）杂质外扩散（可参考教材P258中间部分）重掺杂衬底中的杂质通过热扩散进入外延层。第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础41413、掺杂（3）杂质外扩散（可参考教材P258中间部分）杂质分布曲线：（其中N（x）=N1（x）+N2（x））第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础42423、掺杂（3）杂质外扩散综合自掺杂效应和互扩散效应。杂质浓度分布曲线：第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础4343第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念二、外延工艺1、概述2、硅的气相外延3、掺杂4、缺陷与检测5、外延的应用6、外延的一些关键性工艺三、其它外延微电子工艺基础44444、缺陷与检测（1）缺陷种类（参见教材P256）a存在于衬底中并连续延伸到外延层中的位错b衬底表面的析出杂质或残留的氧化物堆跺层错（参见教材p257最下部分）c外延层中的析出杂质d与工艺或表面加工有关形成的表面锥体缺陷e衬底堆跺层错的延伸第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础45454、缺陷与检测（2）参数测量第4章外延工艺二、外延工艺微电子工艺基础4646第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念二、外延工艺1、概述2、硅的气相外延3、掺杂4、缺陷与检测5、外延的应用三、其它外延微电子工艺基础476、外延的一些关键工艺1.外延的图形漂移patternshift-对于(111)晶体在与110定位面垂直的方向发生图形漂移。-产生原因是外延的反应产物HCL，择优腐蚀埋层边缘，使埋层图形产生位移。-危害性：使光刻无法对准，从而影响电学特性。-关键：要知道漂移量，同时要控制各炉子相同。微电子工艺基础48由于漂移.使光刻套准差.造成电学性能变差微电子工艺基础49案例分析7800上下片因温度不均匀造成shift不同,引起电学参数不同。上片漂移小纠偏过头下片纠偏较正确微电子工艺基础502.图形畸变Distortion外延后图形增大或缩小,变模糊,甚之消失。图形边缘不再锐利。畸变原因：主要是HCL腐蚀硅片表面，在台阶处，由于取向不同使各方向腐蚀速率不同结果产生畸变。微电子工艺基础51SHIFT对称变大非对称畸变对称变小图形消失微电子工艺基础52外延后图形严重畸变对于(111)晶片,取向对畸变影响很大畸变小畸变严重微电子工艺基础53轻微畸变使图形边缘模糊，使光刻困难轻微畸变水平方向变宽，光刻机不能识别微电子工艺基础54硅源中氯原子的含量上对shift的影响微电子工艺基础55温度对shift的影响微电子工艺基础56生长速率对shift的影响微电子工艺基础57减少畸变和漂移的方法选用低氯的源。温度升高畸变减少降低外延压力(采用减压外延)降低生长速率(减少氯含量)对于(111)取向偏