第8章IC工艺晶体外延生长技术

Test/SortImplantDiffusionEtchPolishPhotoCompletedwaferLocationswherethinfilmsaredepositedUnpatternedwaferWaferstartThinFilmsWaferfabrication(front-end)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Chapter14–8.1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–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–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。–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；SubstrateContinuousfilm8)By-productremoval1)MasstransportofreactantsBy-products2)Filmprecursorreactions3)Diffusionofgasmolecules4)Adsorptionofprecursors5)Precursordiffusionintosubstrate6)Surfacereactions7)DesorptionofbyproductsExhaustGasdelivery因而在反应剂浓度较小时有：YNNhkhkNNhkhkvhkNNSiTGSGSSiGGSGSGSGGS00)/(1KS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v为外延层的生长速率(14.2)–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）–2）生长速率与外延温度的关系–对于SiCl4，Ea~1.9eVSiH4，Ea~1.6eVDG0：0.1~1cm2s-1a：1.75~2NGGaGGaSSDhTTDDkTEkk/)/()/exp(000–在较高温度下：kShG质量转移控制–在较低温度下：kShG表面反应控制YhNNvNGSiTGS0YkNNvNNSSiTGGS0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）–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：由这一公式可得出什么？xUPDhrGG0331–8.1.3外延堆垛层错CCAAAAAAAAAAAAACCBBBCCCCCCCCCCCCCBBBAAABBBBBBBBBBBAAAAACCCAAAAAAAAACCCCCBBBBCCCCCCCCCBBBBBAAAAABBBBBBBAAAAAACCCCCCAAAAACCCCCCCBBBBBBBBCCCBBBBBBBBAAAAAAAABAAAAAAAAA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•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（如：PH3、PCl3、PCl5、AsCl3、AsH3、SbCl3、SbH3和BBr3、BCl3、B2H6等）–1）掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制00)/(GSifSifPHNPNN–2）生长速率和温度的影响为什么温度升高会使浓度降低？SiliconVaporPhaseEpitaxyReactorsExhaustExhaustExhaustRFheatingRFheatingGasinletGasinletHorizontalreactorBarrelreactorVerticalreactor–8.2.2外延过程中的杂质再分布和自掺杂–1）衬底杂质的再分布N1（见page228）–在外延区：时（一般都成立）–2）掺入杂质的再分布总分布为：N=N1+N2tDvt1)2(erfc21),(11tDxNtxNsub)]2(erfc21-[1),(12tDxNtxNf–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–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、缺陷红外干涉法IR（Infrared）Reflection，（coherence）Page369–8.2.4外延过程中的图形漂移(Page367)对策：晶向偏2~5°,含Cl,(100)•8.3GaAs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）–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•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–缺陷控制和掺杂问题对策：催化、过度层；新技术；–主流技术：气相外延一种GeSi量子点•8.5先进外延生技术–1）MBE（molecularbeamepitaxy)配以RHEED、Auger（AES）进行原位监测；是一超高真空（UHV）系统（10-12~10-6Torr）；衬底温度低500°C精度高，但生长速率低，成本高可以控制到单原子层–2)MOVPE(Metal-organicvaporphaseepitaxy)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=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–3)SOI(SilicononInsulators)*SOS（SilicononSapphire)是一种异质外延，通常Sapphire的晶向选为（0112）、（1012）、（1102）等*SIMOX(SeparationbyImplantedOxygen)目前已经较广泛应用*WaferBonding（SmartCut）Toformgasvoidlayer对于Si低温600°C；高质量薄外延层0.2m表面粗糙度2Å均匀性~5%（~200mm）金属污染5x1010/cm3•选择性外延(SEG)14.6Epi-layerFormationduringPlasma-BasedPECVDreactorContinuousfilm8)By-productremoval1)ReactantsenterchamberSubstrate2)Dissociationofreactantsbyelectricfields3)Filmprecursorsareformed4)Adsorptionofprecursors5)Precursordiffusionintosubstrate6)Surfacereactions7)Desorptionofby-productsExhaustGasdeliveryRFgeneratorBy-productsElectrodeElectrodeRFfield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