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第七章外延
教师: 潘国峰
E-mail: ******@hebut.
河北工业大学微电子研究所
概述
定义:外延(epitaxy)是在单晶衬底上、按衬底晶向生长一层单晶膜的技术。新生单晶层按衬底晶相延伸生长,并称此为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。
外延是20世纪60年代发展起来的一种制备单晶薄膜的技术。它是在低于晶体熔点的温度下,在一片表面经过精细加工的单晶衬底上,沿其原来的结晶轴方向,生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。
外延为器件设计者在优化器件性能方面提供了很大的灵活性,例如可以控制外延层厚度、掺杂浓度、轮廓,而这些因素是与硅片衬底无关的。外延层还可以减少CMOS器件的闩锁效应。IC制造中最普通的是高温CVD系统。
硅片上外延生长硅
优点:
晶体结构良好、性能优越
掺入的杂质浓度易控制
可形成接近突变p—n结(不存在杂质相互补偿)
外延分类:气相外延(VPE)--常用,一般高温:1050~1250℃
液相外延(LPE)--ⅢⅤ
. 固相外延(SPE)--熔融再结晶
. 主要作用:(1)避免闩锁效应,减小漏电流;
(2)避免硅中SiOx的沉积;
(3)硅表面更光滑、损伤最小;
根据材料的异同分为:
同质外延 Si-Si(硅衬底上外延硅)
异质外延 Al2O3-Si(如:硅上外延***化镓、蓝宝石上外延硅)
根据温度的高低分为:
高温外延(>1000℃)
低温外延(<1000℃)
授课内容
§ 硅汽相外延原理
§ 外延层中杂质的分布
§ 低压外延
§ 选择性外延
§ SOS技术
§ 分子束外延
§ 外延层中的缺陷与检测
§ 外延层参数的测量
§ 硅气相外延工艺原理
在生长表面得到游离状态的硅原子析出的硅原子在高温下携带有大量的热能,沿着表面滑动(扩散)并聚集成群,一旦群体的分子数超过某一临界值便开始结晶(即形成晶核),放出潜热而在衬底表面固定下来,随后的硅原子就直接到晶核的弯折处,使晶核不断扩展而发展成一个完整的新晶面。
外延生长模型
化学气相外延生长是一个多相过程:
①反应剂质量从气相转移到生长层表面;
②反应剂分子被吸附在生长层表面;
③在生长层表面进行化学反应,得到硅原子和其他副产物;
④副产物分子脱离生长层表面的吸附(解吸);
⑤解吸的副产物从生长表面转移到气相,随主气流逸出;
⑥硅原子加接到晶格上。
其中①和⑤是物理扩散过程;②和④是吸附及解吸过程,③是表面化学反应过程, 因此,外延层的生长速度既涉及在固体表面的化学反应动力学,又与吸附(解吸)和扩散动力学有关, 较慢者控制着外延生长速度。
在开管外延中,常压下(±)时,吸附与解吸速度快,生长速度取决于质量传输与表面化学反应;低压时,生长速度受样品表面各组分的吸附(解吸)和固体表面的化学反应控制。
常压气相外延的生长速度主要由硅源浓度决定,而与温度关系不大。外延层的晶体质量与衬底温度和生长速度都有很密切的关系。硅烷外延系统获得单晶与多晶间的临界生长速度和生长时绝对温度的倒数成负指数关系。
一般在高温下,采用中、低速生长,极限生长速度(极限生长温度) 还与衬底的表面势有关。影响表面势的因素:衬底取向、表面光洁度和清洁等。生长温度也不宜太高。
外延的物理化学原理: 化学气相硅外延通常在图3-1所示的卧式或立式反应器中进行。外延时,通入含有一定硅源蒸气(如四***化硅(SiCl4)、三***氢硅(SiHCl3)、二***氢硅(SiH2Cl2)和硅烷等)的氢气流,并流经被高频感应或红外灯加热的硅片表面,当条件适当时便会在其上外延成膜。
气源:四***化硅(SiCl4)-传统外延、三***氢硅(SiHCl3)、二***氢硅(SiH2Cl2)和硅烷等)-薄、低温外延,上述源的氢气流,流经被高频感应或红外灯加热的硅片表面。
排气
排气
排气
RF加热
RF 加热
气体入口
气体入口
卧式反应炉
桶式反应炉
立式反应炉
化学反应过程