1、微電子工藝1第3章 外延3.1 3.1 概述概述3.2 3.2 氣相外延氣相外延3.33.3 分子束外延分子束外延3.4 3.4 其它外延其它外延3.5 3.5 外延層缺陷及檢測外延層缺陷及檢測23.1 3.1 概述概述3.1.13.1.1外延概念外延概念 在微電子工藝中，外延(epitaxy)是指在單晶襯底上，用物理的或化學的方法，按襯底晶向排列（生長）單晶膜的工藝過程。新排列的晶體稱為外延層，有外延層的硅片稱為（硅）外延片。外延是在晶體上生長晶體，生長出的晶體的晶向與襯底晶向相同，摻雜類型、電阻率、材料可不同。記為：n/n+-Si，n/p/-Si，GaAs/Si。33.1.13.1.1外延

2、概念外延概念外延生長時摻入雜質的類型、濃度、材料都外延生長時摻入雜質的類型、濃度、材料都可以與襯底不同，增加了芯片工藝的靈活性?？梢耘c襯底不同，增加了芯片工藝的靈活性。多次外延工藝得到多層不同摻雜類型、不同多次外延工藝得到多層不同摻雜類型、不同雜質含量、不同厚度，甚至不同材料的外延雜質含量、不同厚度，甚至不同材料的外延層。層。 43.1.2 3.1.2 外延工藝種類外延工藝種類 按工藝方法劃分：氣相外延（按工藝方法劃分：氣相外延（VPE)VPE)，液相外延，液相外延(LVP)(LVP)，固相外延固相外延 (SPE)(SPE)，分子束外延（，分子束外延（MBE)MBE)按材料劃分：按材料劃分：同

3、質外延同質外延和和異質外延異質外延按溫度劃分：高溫外延按溫度劃分：高溫外延(1000 (1000 以上以上) )；低溫外延；低溫外延(1000 (1000 以下以下) )；變溫外延；變溫外延-先低溫下成核，再高溫下先低溫下成核，再高溫下生長外延層生長外延層按電阻率高低劃分：正外延按電阻率高低劃分：正外延-低阻襯底上外延高阻層；低阻襯底上外延高阻層；反外延反外延-高阻襯底上外延低阻層高阻襯底上外延低阻層按外延層結構分類按外延層結構分類: : 普通外延，選擇外延，多層外延普通外延，選擇外延，多層外延 其它劃分方法：按結構劃分；按外延層厚度劃分等其它劃分方法：按結構劃分；按外延層厚度劃分等53.1.

4、3氣相外延工藝成熟，可很好的控制薄膜厚度，雜質濃度和晶格的完整性，在硅工藝中一直占主導地位同質外延同質外延又稱為均勻外延，是外延層與襯底材料相同又稱為均勻外延，是外延層與襯底材料相同的外延。的外延。異質外延異質外延也稱為非均勻外延，外延層與襯底材料不相也稱為非均勻外延，外延層與襯底材料不相同，甚至物理結構也與襯底完全不同。同，甚至物理結構也與襯底完全不同。GaAs/Si GaAs/Si 、SOISOI（SOSSOS）等材料就可通過異質外延工藝獲得。）等材料就可通過異質外延工藝獲得。異質外延的相容性異質外延的相容性襯底與外延層不發生化學反應，不發生大量的溶解現象；襯底與外延層不發生化學反應，不發

5、生大量的溶解現象；襯底與外延層熱力學參數相匹配，即熱膨脹系數接近。以避襯底與外延層熱力學參數相匹配，即熱膨脹系數接近。以避免外延層由生長溫度冷卻至室溫時，產生殘余熱應力，界面免外延層由生長溫度冷卻至室溫時，產生殘余熱應力，界面位錯，甚至外延層破裂位錯，甚至外延層破裂; ;襯底與外延層襯底與外延層晶格參數晶格參數相匹配，即晶體結構，晶格常數接近，相匹配，即晶體結構，晶格常數接近，以避免晶格參數不匹配引起的外延層與襯底接觸的界面晶格以避免晶格參數不匹配引起的外延層與襯底接觸的界面晶格缺陷多和應力大的現象。缺陷多和應力大的現象。6 晶格失配率a外延層晶格參數；外延層晶格參數； a襯底晶格參數。有襯底

6、晶格參數。有熱膨脹熱膨脹失配系數失配系數和和晶格常數失配率晶格常數失配率。%100aaaf熱失配影響熱失配影響單晶薄膜物單晶薄膜物理和電學性理和電學性質質晶格失配導致晶格失配導致外延膜中缺陷外延膜中缺陷密度非常高密度非常高73.1.3 3.1.3 外延工藝用途外延工藝用途優勢：1.高的集電結擊穿電壓2.低的集電極串聯電阻8雙極型晶體管雙極型晶體管 利用外延技術利用外延技術的的pnpn結隔離是結隔離是早期雙極型集早期雙極型集成電路常采用成電路常采用的電隔離方法。的電隔離方法。 P-Si襯底襯底n+埋層埋層n-Si外延層外延層p+隔離墻隔離墻SiO29pnpn結隔離結隔離3.1.3 3.1.3 外

7、延工藝用途外延工藝用途將將CMOSCMOS電路電路制作在外延制作在外延層上比制作層上比制作在體硅拋光在體硅拋光片上有以下片上有以下優點：優點： 避免了閂避免了閂鎖效應；鎖效應； 避免了硅避免了硅層中層中SiOSiOx x的的沉積；沉積； 硅表面更硅表面更光滑，損傷光滑，損傷最小。最小。 P阱阱n阱阱10 制作在外延層上的雙阱制作在外延層上的雙阱CMOSCMOS3.1.3 3.1.3 外延工藝用途外延工藝用途微波器件微波器件需要有突變雜質分布的復雜多層結構襯底需要有突變雜質分布的復雜多層結構襯底材料?？刹捎枚鄬油庋庸に噥韺崿F這類襯底材料的材料?？刹捎枚鄬油庋庸に噥韺崿F這類襯底材料的制備。制備。

8、SOSSOSCMOSCMOS電路電路，外延襯底為絕緣的藍寶石，能有，外延襯底為絕緣的藍寶石，能有效防止元件間的漏電流，抗輻照閂鎖；且結構尺寸效防止元件間的漏電流，抗輻照閂鎖；且結構尺寸比體硅比體硅CMOSCMOS電路小，因電路小，因SOSSOS結構不用隔離環，元件結構不用隔離環，元件制作在硅外延層小島上，島與島之間的隔離距離只制作在硅外延層小島上，島與島之間的隔離距離只要滿足光刻工藝精度，就能電隔離，所以元件間的要滿足光刻工藝精度，就能電隔離，所以元件間的間距很小，電路的集成度也就提高了。間距很小，電路的集成度也就提高了。113.1.3 3.1.3 外延工藝用途外延工藝用途3.2 3.2 氣相

9、外延氣相外延硅氣相外延硅氣相外延(vapor phase epitaxy(vapor phase epitaxy，VPE )VPE )，指含指含SiSi外延層材料的物質以外延層材料的物質以氣相氣相形式輸運至襯形式輸運至襯底，在底，在高溫下分解高溫下分解或或發生化學反應發生化學反應，在單晶襯，在單晶襯底上生長出與襯底取向一致的單晶。底上生長出與襯底取向一致的單晶。VPEVPE與與CVDCVD（Chenmical Vapor DepositionChenmical Vapor Deposition，化學汽相淀積）類似，是廣義上的化學汽相淀積）類似，是廣義上的CVDCVD工藝工藝。12外延工藝常用的

10、硅源四氯化硅四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是應用最廣泛，也是研，是應用最廣泛，也是研究最多的硅源究最多的硅源-主要應用于傳統外延工藝主要應用于傳統外延工藝三氯硅烷三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和，和 SiCl4類似但溫度有類似但溫度有所降低所降低-常規外延生長常規外延生長二氯硅烷二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) -更低溫度，選擇外延更低溫度，選擇外延硅烷硅烷SiH4，更適應薄外延層和低溫生長要求，更適應薄外延層和低溫生長要求，得到廣泛應用。得到廣泛應用。新硅源：新硅源：二硅烷二硅烷Si2H6-低溫外延低溫外延133.2.1 硅的氣相外延工藝臥式氣相外延設備示意圖臥式氣相外延設備

11、示意圖141、工藝步驟及流程以以SiCl4為硅源進行工藝介紹：為硅源進行工藝介紹：SiCl4（H2）+H2Si+4HCl工藝步驟有兩個：準備，生長工藝步驟有兩個：準備，生長準備階段：準備階段：硅片準備和硅片準備和基座去硅處理基座去硅處理基座去硅的工藝流程：基座去硅的工藝流程：N2預沖洗預沖洗H2預沖洗預沖洗升溫至升溫至850升溫至升溫至1170HCl排空排空HCl腐蝕腐蝕H2沖洗沖洗降溫降溫N2沖洗沖洗15生長工藝流程生長工藝流程： N2預沖洗預沖洗H2預沖洗預沖洗升溫至升溫至850升升溫至溫至1170HCl排空排空HCl拋光拋光H2沖沖洗附面層洗附面層外延生長（通入反應劑及摻雜外延生長（通入

12、反應劑及摻雜劑）劑）H2沖洗沖洗1170降溫降溫N2沖洗沖洗1、工藝步驟及流程16HCl拋光拋光是將硅基片表面殘存的氧化物（SiOx）及晶格不完整的硅腐蝕去掉，露出新鮮和有完整晶格的硅表面，利于硅外延成核，使襯底硅和外延層硅之間鍵合良好，避免襯底硅表面缺陷向外延層中延伸。 硅源硅源SiCl4是液態，裝在是液態，裝在源瓶源瓶中用稀釋氣體攜帶進入中用稀釋氣體攜帶進入反應器與反應劑反應器與反應劑H2在襯底反應，外延硅在襯底反應，外延硅摻雜劑一般選用含摻雜元素的氣態化合物，如摻雜劑一般選用含摻雜元素的氣態化合物，如PH3、B2H6、AsH3等等摻雜劑的反應為：摻雜劑的反應為：B2H6（H2） 2B+4

13、H22PH3（H2） 2P+5H2摻雜劑也用氫氣稀釋至十摻雜劑也用氫氣稀釋至十五十倍。五十倍。171、工藝步驟及流程2、 SICl4 -H2系統反應方程SiCl2+H2 Si+2HCl 2SiCl2 Si+SiCl418SiClSiCl4 4+H+H2 2 SiHCl SiHCl3 3+HCl +HCl SiClSiCl4 4+H+H2 2 SiClSiCl2 2+2HCl +2HCl SiHClSiHCl3 3+H+H2 2 SiH SiH2 2ClCl2 2+HCl+HClSiHClSiHCl3 3 SiClSiCl2 2+HCl+HClSiHSiH2 2ClCl2 2 SiClSiCl2

14、 2+H+H2 2 3.2.23.2.2氣相外延原理氣相外延原理 19以以SiHSiH4 4熱分解為例：熱分解為例：SiH4 Si(s)+2H2(g)反應是不可逆的，反應是不可逆的，外延溫度一般是外延溫度一般是650-650-900 900 將外延過程分解為將外延過程分解為氣氣相質量傳遞過程相質量傳遞過程和和表表面外延過程面外延過程來分析外來分析外延機理延機理H2是指硅烷氣相輸運到達襯底表面這一過程。是指硅烷氣相輸運到達襯底表面這一過程。依據依據流體動力學原理流體動力學原理分析：分析：外延反應室氣體壓力：常壓外延反應室氣體壓力：常壓 低壓（低壓（133.3Pa)133.3Pa)氣體是氣體是粘滯

15、性粘滯性的，判據：的，判據：氣體處于氣體處于層流狀態層流狀態，判據：，判據：壓力驅動層流狀態粘滯性氣體的流動應為壓力驅動層流狀態粘滯性氣體的流動應為泊松流泊松流流速為拋物線型，基座表面氣體流速為零流速為拋物線型，基座表面氣體流速為零20 1 1、氣相質量傳遞過程、氣相質量傳遞過程PdkT22ddvRe臨界雷諾數臨界雷諾數 1 1、氣相質量傳遞過程、氣相質量傳遞過程基座表面邊界層示意圖基座表面邊界層示意圖21邊界層邊界層指基座表面指基座表面垂直于氣流方向上，垂直于氣流方向上，氣流速度、反應劑氣流速度、反應劑濃度、溫度受到擾濃度、溫度受到擾動的薄氣體層動的薄氣體層SiHSiH4 4是是擴散擴散穿越

16、穿越邊界邊界層層，SiHSiH4 4擴散流密度擴散流密度J Jg g： 211vdydcDJgg0cccdydcg=310=3102 2 表面外延過程表面外延過程 SiHSiH4 4表面外延過表面外延過程實質上包含了程實質上包含了吸附吸附、分解分解、遷遷移移、解吸解吸這幾個這幾個環節。環節。Si遷移到達襯底遷移到達襯底的低能量突出部的低能量突出部位位-稱為稱為結點位置結點位置暫時固定下來，暫時固定下來，被覆蓋被覆蓋 表面外延過程示意圖表面外延過程示意圖SiH4= Si+2H2222 2 表面外延過程表面外延過程外延過程表明外延生長是外延過程表明外延生長是橫向橫向進行，在襯底臺階的進行，在襯底臺

17、階的結點位置發生結點位置發生晶向外延用硅片，在由晶錠切割制備硅片時晶向外延用硅片，在由晶錠切割制備硅片時，表面實際偏離（，表面實際偏離（111111）晶面約）晶面約3 3襯底高溫襯底高溫可保證被吸附外延劑的可保證被吸附外延劑的化學反應在表面進化學反應在表面進行行，且利于遷移擴散，規則排列成與襯底晶向一致，且利于遷移擴散，規則排列成與襯底晶向一致的外延層，也利于生成物氣體分子易于解吸離開。的外延層，也利于生成物氣體分子易于解吸離開。233.2.3 3.2.3 外延速率的影響因素外延速率的影響因素溫度溫度硅源硅源反應劑濃度反應劑濃度其它因素其它因素241 1、溫度溫度對對外延速率的影響外延速率的影

18、響生長速率主要由整個外延過程中較慢的一方決定生長速率主要由整個外延過程中較慢的一方決定氣相質量傳遞氣相質量傳遞由擴散決定，擴散是溫度的緩變函數，氣相擴由擴散決定，擴散是溫度的緩變函數，氣相擴散在較低溫度就能實現：散在較低溫度就能實現：表面外延表面外延由由吸附、反應、遷移、解吸構成，速率主要由化學吸附、反應、遷移、解吸構成，速率主要由化學反應決定，化學反應是一個激活過程，溫度升高反應速率呈反應決定，化學反應是一個激活過程，溫度升高反應速率呈指數增快：指數增快：分析表明：低溫時表面外延過程是影響外延速率的主要因素分析表明：低溫時表面外延過程是影響外延速率的主要因素；高溫時氣象質量傳遞過程是影響外延

19、速率的主要因素；高溫時氣象質量傳遞過程是影響外延速率的主要因素258 . 11TDgdydcDJgg0ckJsskTEsek/a1 1、溫度溫度對對外延速率的影響外延速率的影響質量傳遞質量傳遞控制控制實際外延實際外延選此區選此區表面反應表面反應控制控制-1263.2.32 2、硅源硅源對外延速率的影響對外延速率的影響含氯體系（含氯體系（Si-Cl-HSi-Cl-H：SiClSiCl4 4、SiHSiH2 2ClCl2 2、SiHClSiHCl3 3）和無氯體系）和無氯體系 (Si-H(Si-H：SiHSiH4 4、SiSi2 2H H6 6）硅源不同，外延溫度不同硅源不同，外延溫度不同外延溫度

20、由高到低排序為：外延溫度由高到低排序為： SiCl SiCl4 4SiHClSiHCl3 3SiHSiH2 2ClCl2 2SiHSiH4 4；外延生長速率正相反外延生長速率正相反273.2.33 3、反應劑濃度、反應劑濃度對對外延速率的影響外延速率的影響SiHSiH4 4為硅源時，在為硅源時，在載氣氫中的濃度也載氣氫中的濃度也存在臨界值，超過存在臨界值，超過與溫度相關的臨界與溫度相關的臨界值，值，SiHSiH4 4在氣相中在氣相中就將發生分解反應，就將發生分解反應，生成細小硅粒，并生成細小硅粒，并淀積到襯底上，得淀積到襯底上，得不到單晶硅外延層。不到單晶硅外延層。SiCl4濃度與生長速率的關

21、系濃度與生長速率的關系SiCl4摩爾濃度摩爾濃度大于大于0.27出現出現腐蝕現象腐蝕現象28速率、溫度對結晶類型的影響速率、溫度對結晶類型的影響-1293.2.34 其它影響外延速率的因素其它影響外延速率的因素襯底晶向：襯底晶向：(110)(111)(110)(111)反應室形狀反應室形狀氣體流速氣體流速30第四次課問題第四次課問題: :什么是外延工藝什么是外延工藝? ?異質外延通常襯底和外延層應滿足什么條件異質外延通常襯底和外延層應滿足什么條件? ?簡述硅外延機理簡述硅外延機理! !影響外延速率的主要因素影響外延速率的主要因素? ?是否硅源濃度越高外延速率就越快是否硅源濃度越高外延速率就越快

22、? ?313.2.4 3.2.4 外延層中的雜質分布外延層中的雜質分布摻雜采用原位氣相摻雜。摻雜采用原位氣相摻雜。雜質摻入效率依賴于：外延雜質摻入效率依賴于：外延生長溫度、速率，氣流中摻生長溫度、速率，氣流中摻雜劑相對于硅源的摩爾數、雜劑相對于硅源的摩爾數、反應室幾何形狀，摻雜劑自反應室幾何形狀，摻雜劑自身特性。身特性。有雜質再分布現象有雜質再分布現象自摻雜效應自摻雜效應互擴散效應互擴散效應影響：影響：改變外延層和襯底雜質濃度及分布改變外延層和襯底雜質濃度及分布對對p/np/n或或n/pn/p硅外延，改變硅外延，改變pnpn結位置結位置321 1、自摻雜效應、自摻雜效應( (Autodopin

23、g) )自摻雜效應是指高溫外延時，高摻自摻雜效應是指高溫外延時，高摻雜襯底的雜質反擴散進入氣相邊界雜襯底的雜質反擴散進入氣相邊界層，又從邊界層擴散摻入外延層的層，又從邊界層擴散摻入外延層的現象現象 。自摻雜效應是氣相外延的本征效應，自摻雜效應是氣相外延的本征效應，不可能完全避免。不可能完全避免。33xSEeNxN)(假設假設1：外延層生長時外延層生長時外延劑中無雜質外延劑中無雜質，雜質來源于雜質來源于自摻雜效應自摻雜效應 )1 ()(0 xEEeNxN假設假設2：襯底雜質無逸出（或認為襯底襯底雜質無逸出（或認為襯底未摻雜）未摻雜）)1 ()(0 xExSEeNeNxN界面雜質疊加的數學表達式為

24、界面雜質疊加的數學表達式為 自摻雜外延層雜質濃度分布自摻雜外延層雜質濃度分布 34“+”對應對應n/n（p/p）“-”對應對應p/n（n/p）生長常（指）數生長常（指）數(cm(cm-1-1) )由實驗確定。由實驗確定。與摻雜劑、化學反應、與摻雜劑、化學反應、反應系統，及生長過程反應系統，及生長過程等因素有關等因素有關: : As As比比B B和和P P更易蒸發更易蒸發; ; SiCl SiCl4 4反應過程中的反應過程中的要要比比SiHSiH4 4的小的小; ; 邊界層越厚，邊界層越厚，就越大。就越大。352 2、互、互擴散效應擴散效應(Outdiffusion) 互（互（外）外）擴散效應

25、，指在襯底中的擴散效應，指在襯底中的雜質與外延層中的雜質在外延生長雜質與外延層中的雜質在外延生長時互相擴散，引起襯底與外延層界時互相擴散，引起襯底與外延層界面附近的雜質濃度緩慢變化的現象。面附近的雜質濃度緩慢變化的現象。不是本征效應，是雜質的不是本征效應，是雜質的固相擴散固相擴散帶來。帶來。 若雜質擴散速率遠小于外延生長速若雜質擴散速率遠小于外延生長速率，襯底中的雜質向外延層中擴散，率，襯底中的雜質向外延層中擴散，或外延層中雜質向襯底中的擴散，或外延層中雜質向襯底中的擴散，都如同都如同在半無限大的固體中的擴散在半無限大的固體中的擴散。當襯底和外延層都摻雜時，外延層當襯底和外延層都摻雜時，外延層

26、中最終雜質分布為：中最終雜質分布為：tDxerfNtDxerfNxNEESSE212212)(036“+”對應對應n/n（p/p）“-”對應對應p/n（n/p）3、綜合效果 雜質再分布綜合效果示意圖雜質再分布綜合效果示意圖374 4、減小雜質再分布效應措施、減小雜質再分布效應措施降低外延溫度降低外延溫度，p-Si采用采用SiH2Cl2；或；或SiH4，但這對但這對As的自摻雜是無效。的自摻雜是無效。重摻雜的襯底，用重摻雜的襯底，用輕摻雜輕摻雜的硅來的硅來密封密封其底面其底面和側面，減少雜質外逸。和側面，減少雜質外逸。低壓外延低壓外延可減小自摻雜，這對砷，磷的效果可減小自摻雜，這對砷，磷的效果顯

27、著，對硼的作用不明顯。顯著，對硼的作用不明顯。用用離子注入的埋層離子注入的埋層來降低襯底表面的雜質濃來降低襯底表面的雜質濃度。可在埋層或襯底上先生長未摻雜的薄膜度?？稍诼駥踊蛞r底上先生長未摻雜的薄膜來避免襯底中的雜質外逸，再原位摻雜。來避免襯底中的雜質外逸，再原位摻雜。383.2.5 3.2.5 設備設備立式和桶式外延裝置示意圖立式和桶式外延裝置示意圖氣相外延設備氣相外延設備393.2.6 3.2.6 外延技術外延技術低壓外延低壓外延選擇外延選擇外延SOI技術技術40 基于不同的應用目的，氣相外延發展出多基于不同的應用目的，氣相外延發展出多樣化的外延技術：樣化的外延技術：1 1、低壓外延、低壓

28、外延( (lpe) 目的：減小自摻雜效應目的：減小自摻雜效應壓力：壓力：1*1032*104Pa原因：原因：低壓氣體擴散速率快，襯底逸出雜質可快速穿過邊低壓氣體擴散速率快，襯底逸出雜質可快速穿過邊界層被排除反應室界層被排除反應室,重新進入外延層機會減??；重新進入外延層機會減??；停止外延時，氣體易清除，多層外延時縮小了過渡停止外延時，氣體易清除，多層外延時縮小了過渡區，區，溫度影響溫度影響 隨壓力降低而減小，生長外延層溫度下限隨壓力降低而減小，生長外延層溫度下限也降低。也降低。問題：易泄漏，對設備要求提高；基座與襯底間溫問題：易泄漏，對設備要求提高；基座與襯底間溫差大；基座、反應室在減壓時放出吸

29、附氣體；外延差大；基座、反應室在減壓時放出吸附氣體；外延生長溫度低等，帶來外延層晶體完整性受到一定影生長溫度低等，帶來外延層晶體完整性受到一定影響。響。412、選擇外延、選擇外延(SEG)如何實現？如何實現？ 根據硅在絕緣體上很難核化成膜的特性，在硅表面的特定根據硅在絕緣體上很難核化成膜的特性，在硅表面的特定區域生長外延層而其它區域不生長的技術。區域生長外延層而其它區域不生長的技術。 外延生長晶粒成核速度外延生長晶粒成核速度 SiO2Si3N4SiCl或或HCl作用：作用： 利用氧化物表面的高清潔性和源中存在足夠的利用氧化物表面的高清潔性和源中存在足夠的Cl或或HCl提高提高原子的活動性，以抑

30、制氣相中和掩蔽層表面處成核；原子的活動性，以抑制氣相中和掩蔽層表面處成核；Cl，選擇選擇性性，因為因為HCl可將在氧化物表面形成的小團的硅刻蝕掉；可將在氧化物表面形成的小團的硅刻蝕掉；種類：種類：1.以以Si為襯底，以為襯底，以SiO2或或Si3N4為掩膜，在暴露的硅窗口內為掩膜，在暴露的硅窗口內生長外延；生長外延；2.或在暴露的硅窗口內生長外延，在掩膜生長或在暴露的硅窗口內生長外延，在掩膜生長Poly-Si；42注意注意：窗口側壁的生長速率不規則性：窗口側壁的生長速率不規則性導致邊緣和中心生長速率差別的問題；導致邊緣和中心生長速率差別的問題；晶面取向不同導致的生長特性差別晶面取向不同導致的生

31、長特性差別.433、SOI技術技術SOI (Silicon on Insulator)是指在絕緣層上是指在絕緣層上異質外延硅得到的材料。異質外延硅得到的材料。SOI電路是電路是介質隔離介質隔離，寄生電容小寄生電容小，使得速，使得速度快、抗幅射能力強、抑制了度快、抗幅射能力強、抑制了CMOS電路電路的閂鎖。的閂鎖。目前一些目前一些高速、高集成度高速、高集成度薄膜集成電路就薄膜集成電路就采用的采用的SOI材料。材料。 44橫向超速外延（ELO, Extended Lateral Overgrowth）注意注意：缺陷問題：缺陷問題45SOISOI的結構特點的結構特點是在有源層和襯底層之間插是在有源層

32、和襯底層之間插入埋氧層來隔斷二者的電連接。入埋氧層來隔斷二者的電連接。 SOISOI和體硅在電路結構上的主要差別在于和體硅在電路結構上的主要差別在于：硅基器件或電路制作在外延層上，器件和硅基器件或電路制作在外延層上，器件和襯底直接產生電連接，高低壓單元之間、襯底直接產生電連接，高低壓單元之間、有源層和襯底層之間的隔離通過反偏有源層和襯底層之間的隔離通過反偏PNPN結結完成，而完成，而SOISOI電路的有源層、襯底、高低壓電路的有源層、襯底、高低壓單元之間都通過絕緣層完全隔開，各部分單元之間都通過絕緣層完全隔開，各部分的電氣連接被完全消除。的電氣連接被完全消除。 463、SOI 技術技術SDB

33、(Silicon Direct Bonding)SDB (Silicon Direct Bonding)直接鍵合與直接鍵合與背面腐蝕背面腐蝕BEBE（Back EtchingBack Etching）技術）技術SIMOX (Separating by Implanting Oxide )SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔離氧注入隔離Smart CutSmart Cut智能切割智能切割ELTRAN (Epitaxy Layer Transfer)ELTRAN (Epitaxy Layer Transfer)外延層轉外延層轉移移目前最常用技術目前

34、最常用技術47SOS SOS 技術技術SOS 是是SOI中的一種，襯底是藍寶石中的一種，襯底是藍寶石(-Al2O3) ，或尖晶石，或尖晶石(MgO.Al2O3)藍寶石和尖晶石是藍寶石和尖晶石是良好的絕緣體良好的絕緣體，以它們作，以它們作為襯底外延生長硅制作集成電路，可以消除為襯底外延生長硅制作集成電路，可以消除集成電路元器件之間的相互作用，不但可以集成電路元器件之間的相互作用，不但可以減少漏電流和寄生電容，增強抗輻射能力和減少漏電流和寄生電容，增強抗輻射能力和降低功耗，還可以提高集成度和雙層布線，降低功耗，還可以提高集成度和雙層布線，是大規模、超大規模集成電路的理想材料。是大規模、超大規模集成

35、電路的理想材料。SOS工藝：工藝：SiH4或或SiH2Cl2，約約1000VPE。48第五次課問題第五次課問題影響外延速率的主要因素影響外延速率的主要因素? ?是否硅源濃度越高外延速率就越快是否硅源濃度越高外延速率就越快? ?為什么使用為什么使用VPEVPE工藝難以得到突變結？工藝難以得到突變結？舉出兩種能減小外延工藝雜質再分布的舉出兩種能減小外延工藝雜質再分布的方法？方法？3.33.3 分子束外延分子束外延分子束外延（分子束外延（molecular beam epitaxy, MBEmolecular beam epitaxy, MBE）是一種物理汽相外延工藝，多用于外延層薄、是一種物理汽相

36、外延工藝，多用于外延層薄、雜質分布復雜的多層硅外延，也用于雜質分布復雜的多層硅外延，也用于-族、族、-族化合物半導體及合金、多種金屬和氧族化合物半導體及合金、多種金屬和氧化物單晶薄膜的外延生長?；飭尉П∧さ耐庋由L。 503.3.1 3.3.1 工藝及原理工藝及原理 MBE指在超高指在超高真空下，熱分真空下，熱分子束由噴射爐子束由噴射爐噴出，射到潔噴出，射到潔凈的單晶襯底凈的單晶襯底表面，生長出表面，生長出外延層。外延層。 MBE是物理氣是物理氣相外延工藝。相外延工藝。 51MBE硅硅工藝流程：工藝流程：準備準備抽真空抽真空 原位清洗原位清洗外延生長外延生長停機停機準備準備：RCA清洗（清洗

37、（Radio Corporation of AmericaRadio Corporation of America 開發開發的一種硅片濕法化學清洗技術）、腐蝕、裝片的一種硅片濕法化學清洗技術）、腐蝕、裝片抽真空抽真空：外延室基壓：外延室基壓10-8Pa以上以上原位清洗原位清洗：惰性氣體離子束轟擊硅片表面，至其表面：惰性氣體離子束轟擊硅片表面，至其表面濺射濺射清潔，升溫至清潔，升溫至800900退火數分鐘，再降至退火數分鐘，再降至650650外延生長外延生長：開噴射爐，控制工作壓力：開噴射爐，控制工作壓力10-4Pa，硅蒸汽壓低，硅蒸汽壓低，黏附系數黏附系數1( 1(化學吸附原子數化學吸附原子數

38、/ /入射原子數入射原子數) )，到達襯底原，到達襯底原子被物理吸附子被物理吸附遷移至結點遷移至結點化學吸附，化學吸附，生長速率約生長速率約0.1m/min摻雜摻雜：選黏附系數大、停留時間長的雜質：選黏附系數大、停留時間長的雜質：Sb、Ga、Al3.3.2 3.3.2 外延設備外延設備53MBE系統主要部分系統主要部分生長室加熱站緩沖室襯底裝填口空氣鎖轉運工具 監控系統真空系統噴射爐原位監測系統原位監測系統四極質譜儀四極質譜儀，用以監測分子束的流量和殘余氣體，用以監測分子束的流量和殘余氣體俄歇電子能量分析器俄歇電子能量分析器(AES)(AES)，用來測定表面的化學，用來測定表面的化學成份成份離

39、子槍離子槍，用于襯底表面外延前和外延表面實時清，用于襯底表面外延前和外延表面實時清潔潔高能電子衍射儀高能電子衍射儀(HEED)(HEED)，由電子槍和熒光屏組成，由電子槍和熒光屏組成, ,電子束以小角度（電子束以小角度（1-21-2）投向襯底。電子束被所）投向襯底。電子束被所生長外延層表面原子反射后，生成二維衍射圖像生長外延層表面原子反射后，生成二維衍射圖像，包含有關表面上整體構造和原子排列的信息，包含有關表面上整體構造和原子排列的信息 543.3.2 MBE特點特點超高真空度超高真空度達達10-910-11Torr ，外延過程污染，外延過程污染少，外延層潔凈。少，外延層潔凈。溫度低溫度低，(

40、100)Si 最低外延溫度最低外延溫度400800 ，所以無雜質的再分布現象。所以無雜質的再分布現象。外延分子外延分子由噴射爐噴出，速率可調，由噴射爐噴出，速率可調，易于控易于控制制，可瞬間開，可瞬間開/停，能生長極薄外延層，厚停，能生長極薄外延層，厚度可薄至度可薄至量級。量級。55MBE特點（續）特點（續）設備上有多個噴射口，可生長設備上有多個噴射口，可生長多層、雜質多層、雜質分布復雜的外延層分布復雜的外延層，最多層數可達，最多層數可達104層。層。在整個外延過程中在整個外延過程中全程監控全程監控，外延層質量，外延層質量高。高。MBE多用于外延結構復雜、外延層薄的異多用于外延結構復雜、外延層

41、薄的異質外延。質外延。設備復雜、價格昂貴，生產效率低設備復雜、價格昂貴，生產效率低563.3. 其它外延其它外延3.4.1 3.4.1 液相外延液相外延3.4.2 固相外延固相外延3.4.3 先進外延技術及發展趨勢先進外延技術及發展趨勢573.4.1 3.4.1 液相外延液相外延 liquid phase epitaxy, LPE 液相外延是利用溶液的飽和溶解度隨溫度的液相外延是利用溶液的飽和溶解度隨溫度的變化而變化，使溶液結晶析出在襯底上進行變化而變化，使溶液結晶析出在襯底上進行外延的方法。外延的方法。硅的液相外延是采用硅的液相外延是采用低熔點金屬作為溶劑低熔點金屬作為溶劑，常用的溶劑有常用

42、的溶劑有錫、鉍、鉛及其合金錫、鉍、鉛及其合金等。等。 硅的液相外延是將硅溶入錫中，在硅的液相外延是將硅溶入錫中，在949949時時溶液飽和，當降低溫度溶液飽和，當降低溫度10-3010-30時溶液過飽時溶液過飽和，硅析出，在單晶硅襯底上生長出外延層。和，硅析出，在單晶硅襯底上生長出外延層。 58Lpe設備與特點59 通用水平滑動式通用水平滑動式LPE系統示意圖系統示意圖相對于相對于VPE和和MBE而而言，言，LPE生長速率快，生長速率快，安全性高；工藝溫度安全性高；工藝溫度低、互擴散效應也就低、互擴散效應也就不嚴重，而且沒有自不嚴重，而且沒有自摻雜效應，所以雜質摻雜效應，所以雜質再分布現象弱。

43、再分布現象弱。相對于相對于MBE而言設備而言設備簡單，工藝成本較低，簡單，工藝成本較低，在制備厚的硅外延層在制備厚的硅外延層時常被采用。時常被采用。外延表面形貌一般。外延表面形貌一般。3.4.2 固相外延solid phase epitaxy, SPE 固相外延固相外延 是將晶體襯底上的非晶或多是將晶體襯底上的非晶或多晶薄膜（或區域）在高溫下退火，使其晶薄膜（或區域）在高溫下退火，使其轉化為單晶轉化為單晶 。離子注入時，損傷造成的非晶區和非晶離子注入時，損傷造成的非晶區和非晶層經退火晶化過程就是固相外延。層經退火晶化過程就是固相外延。SPESPE工藝的關鍵是工藝的關鍵是工藝溫度和保溫時間工藝溫

44、度和保溫時間。 603.4.3 先進外延技術及發展趨勢1 1、超高真空化學汽相淀積、超高真空化學汽相淀積19861986年由年由IBMIBM提出，生長室氣壓可達提出，生長室氣壓可達10 10 - 7- 7 Pa Pa，源，源SiHSiH4 4，襯底為晶格完好的單晶硅，在，襯底為晶格完好的單晶硅，在600750600750之間，之間，甚至更低溫度淀積薄膜為單晶硅甚至更低溫度淀積薄膜為單晶硅 優勢：優勢： 工藝溫度低工藝溫度低，制備雜質陡變分布的薄外延層；，制備雜質陡變分布的薄外延層； 真空度高真空度高，減少了殘余氣體帶來的污染；，減少了殘余氣體帶來的污染； 設備操作維護比較簡單，易于實現設備操作

45、維護比較簡單，易于實現批量生產批量生產。目前已廣泛應用于產業界目前已廣泛應用于產業界 613.4.3 先進外延技術及發展趨勢例：例：GaAs/SiGaAs/Si外延外延當前較成熟的方法是直接生長法，當前較成熟的方法是直接生長法，兩步兩步MBE外延工藝過程：外延工藝過程：As氣氛中，約氣氛中，約900熱處理；熱處理；一步生長，一步生長，150-400是生長厚約是生長厚約20nm的非晶的非晶GaAs緩沖層；緩沖層；二步生長是單晶生長，二步生長是單晶生長，450-600在此期間一步生長的非晶也轉化為在此期間一步生長的非晶也轉化為單晶單晶 T/t/min一步一步二步二步預處理預處理GaAs/Si外延工

46、藝外延工藝2、金屬有機物汽相外延、金屬有機物汽相外延Metal organic vapor phase epitaxy （ 金屬有機物化學氣相淀積金屬有機物化學氣相淀積MOCVD） 主要制備化合物半導體單晶薄膜主要制備化合物半導體單晶薄膜 623.4.3 3.4.3 先進外延技術及發展趨勢先進外延技術及發展趨勢3 3、化學束外延、化學束外延（chemical beam epitaxy, CBEchemical beam epitaxy, CBE）2020世紀世紀8080年代中期，綜合年代中期，綜合MBEMBE的超高真空條件的超高真空條件下的束流外延可以下的束流外延可以原位監測原位監測及及MOC

47、VDMOCVD的的氣態源氣態源等優點。等優點。與與CBECBE相關的還有氣態源分子束外延相關的還有氣態源分子束外延 (GSMBE)(GSMBE)和金屬有機化合物分子束外延和金屬有機化合物分子束外延(MOMBE)(MOMBE)。 633.5 外延層缺陷及檢測 外延層質量直接關系到做在它上面外延層質量直接關系到做在它上面的各種器件的性能，所以應檢測、分析的各種器件的性能，所以應檢測、分析外延層缺陷及產生原因，并對外延層特外延層缺陷及產生原因，并對外延層特征量進行測試：征量進行測試：3.5.1 3.5.1 外延缺陷類型及分析檢測外延缺陷類型及分析檢測3.5.23.5.2 圖形漂移和畸變現象圖形漂移和

48、畸變現象3.5.3 3.5.3 外延層參數測量外延層參數測量643.5.1 外延缺陷類型及分析檢測外延缺陷類型及分析檢測外延層中的缺陷有外延層中的缺陷有表面缺陷表面缺陷和和內部晶格結構內部晶格結構缺陷缺陷（體內缺陷）。通常體內缺陷會顯現在（體內缺陷）。通常體內缺陷會顯現在表面。表面。表面缺陷：云霧狀表面、角錐體、表面突起、劃表面缺陷：云霧狀表面、角錐體、表面突起、劃痕、星狀體、麻坑等。痕、星狀體、麻坑等。體內缺陷：體內缺陷： 層錯層錯 位錯位錯線缺陷線缺陷外延層外延層（111）襯底）襯底劃痕劃痕點缺陷點缺陷角錐體角錐體層錯層錯65霧狀表面缺陷霧狀表面缺陷霧圈霧圈 白霧白霧 殘跡殘跡 花霧花霧霧圈霧圈 白霧白霧 殘跡殘跡 花霧花霧66角錐體角錐體l星形線（滑移線）星形線（滑移線）劃痕：由機械損傷引起劃痕：由機械損傷引起67層錯層錯（堆積層錯）（堆積層錯）683.5.2 圖形漂移和畸變現象 SiSi各向異性各向