第8章IC工艺晶体外延生长技术课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第8章IC工艺晶体外延生长技术,*,第8章IC工艺晶体外延生长技术,2024/8/24,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术2023/8/31第8章IC工,1,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IC工艺晶体外延生长技术,第四单元：薄膜技术第8章： 晶体外延生长技术第9章,2,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,Chapter 14,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章： 晶体外延生长技术为什么需要外延？第8章IC,3,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,4,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,5,8.1外延层的生长8.1.1生长的一般原理和过程SiCl,4,的氢化还原成核长大,第8章IC工艺晶体外延生长技术,8.1外延层的生长8.1.1生长的一般原理和过程,6,一般认为反应过程是多形式的两步过程,如:,(1) 气相中 SiCl,4,+H,2,=SiCl,2,+2HCl,生长层表面 2SiCl,2,=Si+SiCl,4,(2) 气相中 SiCl,4,+H,2,=SiHCl,3,+HCl,生长层表面 SHiCl,3,+H,2,=Si+3HCl,第8章IC工艺晶体外延生长技术,一般认为反应过程是多形式的两步过程第8章IC工艺晶体外延生长,7,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,8,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,第8章IC工艺晶体外延生长技术,在(111)面上生长,稳定的是双层面,位置7、8、9比位置1,9,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,第8章IC工艺晶体外延生长技术,在一定的衬底温度下，1、2、3、4位的原子很容易扩散（游离）,10,8.1.2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。,第8章IC工艺晶体外延生长技术,8.1.2生长动力学(14.2, 14.3)与热氧化,11,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；,第8章IC工艺晶体外延生长技术,因而，气相外延是由下述步骤组成的多相过程第8章IC工艺晶体外,12,Substrate,Continuous film,8)By-product removal,1) Mass transport of reactants,By-products,2) Film precursor reactions,3) Diffusion of gas molecules,4) Adsorption of precursors,5) Precursor diffusion into substrate,6) Surface reactions,7) Desorption of byproducts,Exhaust,Gas delivery,第8章IC工艺晶体外延生长技术,SubstrateContinuous film 8)By,13,因而在,反应剂浓度较小,时有：,K,S,为表面化学反应系数，,h,G,气相质量转移（传输）系数,N,T,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),第8章IC工艺晶体外延生长技术,因而在反应剂浓度较小时有：KS为表面化学反应系数，hG气相质,14,1）生长速率和反应剂浓度的关系正比,（a）,！（b）、（c）？,SiCl,4,（气）+Si（固）,2SiCl,2,（气）,第8章IC工艺晶体外延生长技术,1）生长速率和反应剂浓度的关系正比,15,2）生长速率与外延温度的关系,对于SiCl,4,，,Ea,1.9eV SiH,4,，,Ea, 1.6eV,D,G0,：0.11cm,2,s,-1,a,：1.752,第8章IC工艺晶体外延生长技术,2）生长速率与外延温度的关系,16,在较高温度下：k,S,h,G,质量转移控制,在较低温度下：k,S,hG质量转移控制,17,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,10C,）,第8章IC工艺晶体外延生长技术,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,18,3）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？,第8章IC工艺晶体外延生长技术,3）生长速率与衬底取向的关系v(110)v(100,19,8.1.3 外延堆垛层错,CCAAAAAAAAAAAAACC,BBBCCCCCCCCCCCCCBBB,AAABBBBBBBBBBBAAAAA,CCCAAAAAAAAACCCCC,BBBBCCCCCCCCCBBBBB,AAAAABBBBBBBAAAAAA,CCCCCCAAAAACCCCCCC,BBBBBBBBCCCBBBBBBBB,AAAAAAAABAAAAAAAAA,第8章IC工艺晶体外延生长技术,8.1.3 外延堆垛层错第8章IC工艺晶体外延生长技术,20,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,21,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,22,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,第8章IC工艺晶体外延生长技术,层错(失配晶核)产生的原因：晶面的缺陷(机械损伤、位,23,8.2（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：PH,3,、PCl,3,、PCl,5,、AsCl,3,、AsH,3,、SbCl,3,、SbH,3,和BBr,3,、BCl,3,、B,2,H,6,等）,第8章IC工艺晶体外延生长技术,8.2（汽相）外延生长工艺第8章IC工艺晶体外延生长技术,24,1）掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制,第8章IC工艺晶体外延生长技术,1）掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制,25,2）生长速率和温度的影响为什么温度升高会使浓度降低？,第8章IC工艺晶体外延生长技术,2）生长速率和温度的影响,26,Silicon Vapor Phase Epitaxy Reactors,Exhaust,Exhaust,Exhaust,RF heating,RF heating,Gas inlet,Gas inlet,Horizontal reactor,Barrel reactor,Vertical reactor,第8章IC工艺晶体外延生长技术,Silicon Vapor Phase Epitaxy Re,27,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,28,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,29,8.2.2 外延过程中的杂质再分布和自掺杂,第8章IC工艺晶体外延生长技术,8.2.2 外延过程中的杂质再分布和自掺杂第8章IC,30,1）衬底杂质的再分布N,1,（见page 228）,在外延区： 时（一般都成立）,2）掺入杂质的再分布总分布为：N=N,1,+N,2,第8章IC工艺晶体外延生长技术,1）衬底杂质的再分布N1 （见page 228） 第8章I,31,3）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,第8章IC工艺晶体外延生长技术,3）自掺杂（autodoping）效应衬底中的杂质不断,32,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,33,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,34,红外干涉法 IR（Infrared） Reflection，（coherence）,Page 369,第8章IC工艺晶体外延生长技术,红外干涉法 IR（Infrared） Reflection，,35,8.2.4 外延过程中的图形漂移,(Page 367),对策：晶向偏25,含Cl,(100),第8章IC工艺晶体外延生长技术,8.2.4 外延过程中的图形漂移 (Page 367),36,8.3 GaAs外延生长工艺,1）汽相外延 (369371)难点：As压与生长速率的控制（缺陷）,第8章IC工艺晶体外延生长技术,8.3 GaAs外延生长工艺第8章IC工艺晶体外延生长技术,37,2）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,第8章IC工艺晶体外延生长技术,2）液相外延（LPE）特点：杂质均匀、缺陷少，,38,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,39,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,40,8.4异质结问题(370372),晶格失配对策：衬底材料的晶向、过度层,第8章IC工艺晶体外延生长技术,8.4异质结问题(370372)第8章IC工艺晶体外延生,41,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,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,42,一种GeSi量子点,第8章IC工艺晶体外延生长技术,一种GeSi量子点第8章IC工艺晶体外延生长技术,43,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,44,8.5 先进外延生技术,1）MBE（molecular beam epitaxy),第8章IC工艺晶体外延生长技术,8.5 先进外延生技术第8章IC工艺晶体外延生长技术,45,配以RHEED、Auger（AES）,进行原位监测；,是一超高真空（UHV）系统（10,-12, 10,-6,Torr）；,衬底温度低500,C,精度高，但生长速率低，成本高,第8章IC工艺晶体外延生长技术,配以RHEED、Auger（AES）第8章IC工艺晶体外延生,46,可以控制到单原子层,第8章IC工艺晶体外延生长技术,可以控制到单原子层第8章IC工艺晶体外延生长技术,47,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,48,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,49,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,50,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,51,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,52,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,53,2)MOVPE(Metal-organic vapor phase epitaxy)金属氧化物分解(375380)如：三甲基铟、镓（、） 三乙基铟（）,MR,3,（金属烷基）+XH,3,（氢化物）=,MX,+3RH,如：Ga（CH,3,）,3,+AsH,3,=,GaAs,+3CH,4,又如：xAlCH,3,）,3,+（1-x）Ga（CH,3,）,3,+AsH,3,=,GaAs,+3CH,4,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,第8章IC工艺晶体外延生长技术,2)MOVPE(Metal-organic vapor ph,54,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,55,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,56,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,57,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,58,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,59,3) SOI (Silicon on Insulators),*SOS （Silicon on Sapphire),是一种异质外延，通常Sapphire的晶向选为（0112）、（1012）、（1102）等,*SIMOX ( Separation by Implanted Oxygen),目前已经较广泛应用,第8章IC工艺晶体外延生长技术,3) SOI (Silicon on Insulators),60,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,61,*Wafer Bonding（Smart Cut）,To form gas void layer,对于Si,低温,600,C；,高质量薄外延层0.2,m,表面粗糙度,2,均匀性5%（200mm）,金属污染,5x10,10,/cm,3,第8章IC工艺晶体外延生长技术,*Wafer Bonding（Smart Cut）To f,62,选择性外延(SEG) 14.6,第8章IC工艺晶体外延生长技术,选择性外延(SEG) 14.6第8章IC工艺晶体外延生长技,63,Epi-layer Formation during Plasma-Based,PECVD reactor,Continuous film,8)By-product removal,1) Reactants enter chamber,Substrate,2) Dissociation,of reactants by electric fields,3) Film precursors are formed,4) Adsorption of precursors,5) Precursor diffusion into substrate,6) Surface reactions,7) Desorption of,by-products,Exhaust,Gas delivery,RF generator,By-products,Electrode,Electrode,RF field,第8章IC工艺晶体外延生长技术,Epi-layer Formation during Pla,64,第8章IC工艺晶体外延生长技术,第8章IC工艺晶体外延生长技术,65,演讲完毕，谢谢听讲,!,再见，see you again,3rew,2024/8/24,第8章IC工艺晶体外延生长技术,演讲完毕，谢谢听讲!再见，see you again3rew,66,