哈工大微電子工藝07外延

1、第第7章章 外延外延(Epitaxy)微電子工藝薄膜技術(shù)(3) 田 麗第7章 外延l7.1 概述概述l7.2 硅氣相外延原理及工藝硅氣相外延原理及工藝l7.3 外延層中的雜質(zhì)分布外延層中的雜質(zhì)分布l7.4 外延方法外延方法l7.5 分子束外延分子束外延l7.6 其它外延其它外延l7.7 外延層缺陷及檢測(cè)外延層缺陷及檢測(cè)7.1 外延概述l在微電子工藝中，外延在微電子工藝中，外延(epitaxy)是指在單晶是指在單晶襯底上，用物理的或化學(xué)的方法，按襯底晶襯底上，用物理的或化學(xué)的方法，按襯底晶向排列（生長(zhǎng)）單晶膜的工藝過(guò)程。向排列（生長(zhǎng)）單晶膜的工藝過(guò)程。l新排列的晶體稱為外延層，有外延層的硅片新排

2、列的晶體稱為外延層，有外延層的硅片稱為（硅）外延片。稱為（硅）外延片。l與先前描述的單晶生長(zhǎng)不同在于外延生長(zhǎng)溫與先前描述的單晶生長(zhǎng)不同在于外延生長(zhǎng)溫度度低于熔點(diǎn)許多低于熔點(diǎn)許多l(xiāng)外延是在晶體上生長(zhǎng)晶體，生長(zhǎng)出的晶體的外延是在晶體上生長(zhǎng)晶體，生長(zhǎng)出的晶體的晶向與襯底晶向相同，摻雜類(lèi)型、電阻率可晶向與襯底晶向相同，摻雜類(lèi)型、電阻率可不同。不同。n/n+，n/p，GaAs/Si。7.1.1 分類(lèi)l按材料劃分：同質(zhì)外延和異質(zhì)外延按材料劃分：同質(zhì)外延和異質(zhì)外延l按工藝方法劃分：氣相外延（按工藝方法劃分：氣相外延（VPE)，液相外延，液相外延(LVP)，固相外延固相外延 (SPE)，分子束外延（，分子束外

3、延（MBE)l按溫度劃分：高溫外延按溫度劃分：高溫外延-1000 以上；低溫外延以上；低溫外延-1000 以下；變溫外延以下；變溫外延-先低溫下成核，再高溫下生先低溫下成核，再高溫下生長(zhǎng)外延層長(zhǎng)外延層l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l其它劃分方法：按結(jié)構(gòu)劃分；按外延層厚度劃分等其它劃分方法：按結(jié)構(gòu)劃分；按外延層厚度劃分等氣相外延工藝成熟，可很好氣相外延工藝成熟，可很好的控制薄膜厚度，雜質(zhì)濃度的控制薄膜厚度，雜質(zhì)濃度和晶格的完整性，在硅工藝和晶格的完整性，在硅工藝中一直占主導(dǎo)地位

4、中一直占主導(dǎo)地位7.1.2 特點(diǎn)l外延生長(zhǎng)時(shí)摻入雜質(zhì)的類(lèi)型、濃度都可以外延生長(zhǎng)時(shí)摻入雜質(zhì)的類(lèi)型、濃度都可以與襯底不同，增加了微電子器件和電路工與襯底不同，增加了微電子器件和電路工藝的靈活性。藝的靈活性。l多次外延工藝得到多層不同摻雜類(lèi)型、不多次外延工藝得到多層不同摻雜類(lèi)型、不同雜質(zhì)含量、不同厚度，甚至不同材料的同雜質(zhì)含量、不同厚度，甚至不同材料的外延層。外延層。 l異質(zhì)外延，如異質(zhì)外延，如GaAs/Si、SOI（SOS）等技）等技術(shù)術(shù)7.1.3 用途P阱阱n阱阱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SiO2pn界隔離示意圖界隔離示意圖 制作在外延層上的雙阱制作在外延層

5、上的雙阱CMOS剖面圖剖面圖cn+ pn+Si襯底襯底n-Si外延層外延層bSiO2e n+pn-外延晶體管芯片外延晶體管芯片單極器件和電路單極器件和電路如如CMOS 、 JFET、VMOS：主要是為了降低導(dǎo)通壓降與功主要是為了降低導(dǎo)通壓降與功耗，有時(shí)是為了隔離的需要。在耗，有時(shí)是為了隔離的需要。在CMOS-IC芯片中，現(xiàn)在比較多地芯片中，現(xiàn)在比較多地傾向于采用傾向于采用SOI襯底片，這主要是襯底片，這主要是為了減弱或者避免閂鎖效應(yīng)，同為了減弱或者避免閂鎖效應(yīng)，同時(shí)也可以抑制短溝道效應(yīng)。時(shí)也可以抑制短溝道效應(yīng)。 雙極器件和電路雙極器件和電路主要是為了減小集電主要是為了減小集電極串聯(lián)電阻，以降低

6、飽和壓降與功耗。特極串聯(lián)電阻，以降低飽和壓降與功耗。特別，在集成電路芯片中，還與實(shí)現(xiàn)隔離有別，在集成電路芯片中，還與實(shí)現(xiàn)隔離有關(guān)，這時(shí)往往還要加設(shè)埋層。關(guān)，這時(shí)往往還要加設(shè)埋層。 7.2 硅氣相外延原理及工藝l硅氣相外延硅氣相外延(vapor phase epitaxy，VPE )，指指含含Si外延層材料的物質(zhì)以氣相形式輸運(yùn)外延層材料的物質(zhì)以氣相形式輸運(yùn)至襯底，在高溫下分解或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，至襯底，在高溫下分解或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在單晶襯底上生長(zhǎng)出與襯底取向一致的單在單晶襯底上生長(zhǎng)出與襯底取向一致的單晶。晶。l與與CVD類(lèi)似，是廣義上的類(lèi)似，是廣義上的CVD工藝。工藝。7.2.1 硅源l四氯化硅，四

7、氯化硅，SiCl4(sil.tet)，是應(yīng)用最廣泛，也是研究，是應(yīng)用最廣泛，也是研究最多的硅源。但需要很高的溫度，已不適應(yīng)現(xiàn)今集最多的硅源。但需要很高的溫度，已不適應(yīng)現(xiàn)今集成電路工藝的要求成電路工藝的要求-主要應(yīng)用于傳統(tǒng)外延工藝主要應(yīng)用于傳統(tǒng)外延工藝l三氯硅烷，三氯硅烷，SiHCl3(TCS)，和，和 SiCl4類(lèi)似但溫度有所類(lèi)似但溫度有所降低降低-常規(guī)外延生長(zhǎng)常規(guī)外延生長(zhǎng)l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l硅烷硅烷SiH4，更適應(yīng)薄外延層和低溫生長(zhǎng)要求，得到，更適應(yīng)薄外延層和低溫生長(zhǎng)要求，得到廣泛應(yīng)用。廣泛應(yīng)用。l新硅源：二硅烷新硅源：二硅烷

8、Si2H6-低溫外延低溫外延7.2.2 模型H2+SiH2Cl2= Si+2HCl+2H21 氣相過(guò)程氣相過(guò)程-質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞SiH2Cl2的質(zhì)量傳遞是一個(gè)擴(kuò)的質(zhì)量傳遞是一個(gè)擴(kuò)散過(guò)程，由擴(kuò)散方程有：散過(guò)程，由擴(kuò)散方程有： F1=-Dg(dC/dx)=Dg(C0-Cg)/x模型 2 表面過(guò)程表面過(guò)程表面反應(yīng)過(guò)程表面反應(yīng)過(guò)程先被吸附，分解，先被吸附，分解，Si從襯底獲得能量，遷移，從襯底獲得能量，遷移，到達(dá)低能量的到達(dá)低能量的扭轉(zhuǎn)位置扭轉(zhuǎn)位置，暫時(shí)固定下來(lái)，等它，暫時(shí)固定下來(lái)，等它被其它原子蓋住，成為外延層中原子。一個(gè)被其它原子蓋住，成為外延層中原子。一個(gè)H原子和一個(gè)原子和一個(gè)Cl結(jié)合結(jié)合HCl

9、，離開(kāi)。，離開(kāi)。 本質(zhì)上是化學(xué)分解和規(guī)則排列兩個(gè)過(guò)程。本質(zhì)上是化學(xué)分解和規(guī)則排列兩個(gè)過(guò)程。F2e-EA/kT速率、溫度對(duì)結(jié)晶類(lèi)型的影響-17.2.3 設(shè)備臥式氣相外延設(shè)備示意圖臥式氣相外延設(shè)備示意圖設(shè)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(shè)備氣相外延設(shè)備7.2.3 工藝l工藝分兩個(gè)步驟進(jìn)行，先是準(zhǔn)備階段，進(jìn)行工藝分兩個(gè)步驟進(jìn)行，先是準(zhǔn)備階段，進(jìn)行基座去硅處理，去除前次外延在基座、反應(yīng)基座去硅處理，去除前次外延在基座、反應(yīng)器上附著的硅及其它雜質(zhì)；然后再進(jìn)行硅的器上附著的硅及其它雜質(zhì)；然后再進(jìn)行硅的外延生長(zhǎng)。外延生長(zhǎng)。 l基座去硅的工藝流程：基座去硅的工藝流程：N2預(yù)沖洗預(yù)沖洗

10、H2預(yù)沖洗預(yù)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沖洗沖洗工藝l外延生長(zhǎng)工藝流程外延生長(zhǎng)工藝流程： N2預(yù)沖洗預(yù)沖洗H2預(yù)沖洗升溫至預(yù)沖洗升溫至850升升溫至溫至1170HCl排空排空HCl拋光拋光H2沖洗附面層沖洗附面層外延生長(zhǎng)（通入反應(yīng)劑及外延生長(zhǎng)（通入反應(yīng)劑及摻雜劑）摻雜劑）H2沖洗沖洗1170降溫降溫N2沖沖洗洗工藝l反應(yīng)劑有：反應(yīng)劑有：SiCl4、SiHCl3、 SiH2Cl2、 SiH4，氣態(tài)反，氣態(tài)反應(yīng)劑可稀釋后直接通入，而液態(tài)反應(yīng)劑是裝在應(yīng)劑可稀釋后直接通入，而液態(tài)反應(yīng)劑是裝在源瓶源瓶中，中，用稀釋氣體攜帶進(jìn)入反應(yīng)器。用稀

11、釋氣體攜帶進(jìn)入反應(yīng)器。l摻雜劑一般選用含摻雜元素的氣態(tài)化合物，如摻雜劑一般選用含摻雜元素的氣態(tài)化合物，如PH3、B2H6、AsH3lSiH4為反應(yīng)劑，為反應(yīng)劑， PH3為摻雜劑磷烷：為摻雜劑磷烷：SiH4（H2） Si+2H22PH3（H2） P+6H2lSiH4在主流氣體中只百分之幾在主流氣體中只百分之幾-二十幾；二十幾；PH3也用氫氣也用氫氣稀釋至十稀釋至十-五十倍。五十倍。7.3.4 Si-Cl-H系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程SiCl2+H2 Sis+2HCl 2SiCl2 Sis+SiCl47.2.5 外延速率的影響因素質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞控制控制實(shí)際外延實(shí)際外延選此區(qū)選此區(qū)表面反應(yīng)表面反應(yīng)控制控制-1外

12、延速率的影響因素l外延生長(zhǎng)兩個(gè)過(guò)程控制：外延生長(zhǎng)兩個(gè)過(guò)程控制： 1.H還原還原SiCl4析出硅原子析出硅原子 2.Si原子在襯底上生成單晶層原子在襯底上生成單晶層l影響速率的因素影響速率的因素 反應(yīng)劑濃度反應(yīng)劑濃度 氣體流速氣體流速vG 襯底晶向襯底晶向(110) (111) 反應(yīng)室形狀反應(yīng)室形狀SiCl4摩爾濃度摩爾濃度大于大于0.27出現(xiàn)出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象腐蝕現(xiàn)象7.3 外延層中的雜質(zhì)分布l摻雜采用原位氣相摻雜。摻雜采用原位氣相摻雜。l雜質(zhì)摻入效率依賴于：生雜質(zhì)摻入效率依賴于：生長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)速率、氣流長(zhǎng)溫度、生長(zhǎng)速率、氣流中摻雜劑相對(duì)于硅源的摩中摻雜劑相對(duì)于硅源的摩爾數(shù)、反應(yīng)室?guī)缀涡螤?，爾?shù)、反

13、應(yīng)室?guī)缀涡螤?，摻雜劑自身特性。摻雜劑自身特性。l有雜質(zhì)再分布現(xiàn)象有雜質(zhì)再分布現(xiàn)象l擴(kuò)散效應(yīng)擴(kuò)散效應(yīng)l自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng)7.3.1 擴(kuò)散效應(yīng)l擴(kuò)散效應(yīng)也叫互擴(kuò)散效應(yīng)也叫互(或外或外) 擴(kuò)散，指在擴(kuò)散，指在襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)在襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)在外延生長(zhǎng)時(shí)互相擴(kuò)散，引起襯底與外延生長(zhǎng)時(shí)互相擴(kuò)散，引起襯底與外延層界面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變外延層界面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變化的現(xiàn)象。化的現(xiàn)象。l若雜質(zhì)擴(kuò)散速率遠(yuǎn)小于外延生長(zhǎng)速若雜質(zhì)擴(kuò)散速率遠(yuǎn)小于外延生長(zhǎng)速率，襯底中的雜質(zhì)向外延層中擴(kuò)散，率，襯底中的雜質(zhì)向外延層中擴(kuò)散，或外延層中雜質(zhì)向襯底中的擴(kuò)散，或外延層中雜質(zhì)向襯底中的擴(kuò)散，都如同在半

14、無(wú)限大的固體中的擴(kuò)散。都如同在半無(wú)限大的固體中的擴(kuò)散。l當(dāng)襯底和外延層都摻雜時(shí)，外延層當(dāng)襯底和外延層都摻雜時(shí)，外延層中最終雜質(zhì)分布中最終雜質(zhì)分布tDxerfCtDxerfCxCeesse212212)(0+對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)n/n+（p/p+）-對(duì)應(yīng)對(duì)應(yīng)p/n+（n/p+）7.3.2 自摻雜效應(yīng)l高溫外延時(shí)，高摻雜襯底雜質(zhì)高溫外延時(shí)，高摻雜襯底雜質(zhì)反擴(kuò)散（蒸發(fā)）到氣相粘滯層反擴(kuò)散（蒸發(fā)）到氣相粘滯層（邊界層），再進(jìn)入外延層的（邊界層），再進(jìn)入外延層的現(xiàn)象?，F(xiàn)象。l自摻雜效應(yīng)是氣相外延的本征自摻雜效應(yīng)是氣相外延的本征效應(yīng)，不可能完全避免。效應(yīng)，不可能完全避免。生長(zhǎng)指（常）數(shù)l(cm-1)由實(shí)驗(yàn)確定。由實(shí)驗(yàn)

15、確定。l與摻雜劑、化學(xué)反應(yīng)、與摻雜劑、化學(xué)反應(yīng)、反應(yīng)系統(tǒng)，及生長(zhǎng)過(guò)反應(yīng)系統(tǒng)，及生長(zhǎng)過(guò)程等因素有關(guān)程等因素有關(guān):As比比B和和P更易蒸發(fā)更易蒸發(fā);氯硅烷氯硅烷反應(yīng)過(guò)程中的反應(yīng)過(guò)程中的要比要比硅烷的小硅烷的小;邊界層越厚，邊界層越厚，就越大。就越大。綜合效果7.3.3減小自摻雜效應(yīng)措施l降低外延溫度，降低外延溫度，p-Si采用采用SiH2Cl2, SiHCl3；或；或SiH4，但，但這對(duì)這對(duì)As的自摻雜是無(wú)效。的自摻雜是無(wú)效。l對(duì)于對(duì)于n-Si襯底，用蒸氣壓低、擴(kuò)散速率也低的銻作為襯底，用蒸氣壓低、擴(kuò)散速率也低的銻作為埋層雜質(zhì)，但銻難以達(dá)到很高的摻雜濃度。埋層雜質(zhì)，但銻難以達(dá)到很高的摻雜濃度。l重

16、摻雜的襯底，用輕摻雜的硅來(lái)密封其底面和側(cè)面，重?fù)诫s的襯底，用輕摻雜的硅來(lái)密封其底面和側(cè)面，減少雜質(zhì)外逸。減少雜質(zhì)外逸。l低壓外延可減小自摻雜，這對(duì)砷，磷的效果顯著，對(duì)低壓外延可減小自摻雜，這對(duì)砷，磷的效果顯著，對(duì)硼的作用不明顯。硼的作用不明顯。l用離子注入的埋層來(lái)降低襯底表面的雜質(zhì)濃度。用離子注入的埋層來(lái)降低襯底表面的雜質(zhì)濃度。l可在埋層或襯底上先生長(zhǎng)未摻雜的薄膜來(lái)避免襯底中可在埋層或襯底上先生長(zhǎng)未摻雜的薄膜來(lái)避免襯底中的雜質(zhì)外逸，再原位摻雜。的雜質(zhì)外逸，再原位摻雜。l避免高溫下用避免高溫下用HCl對(duì)襯底進(jìn)行腐蝕、或腐蝕后用低溫對(duì)襯底進(jìn)行腐蝕、或腐蝕后用低溫氣流除去因腐蝕外逸的雜質(zhì)。氣流除去因

17、腐蝕外逸的雜質(zhì)。7.4 外延方法l7.4.1 低壓外延低壓外延l7.4.2 選擇外延選擇外延l7.4.3 硅烷熱分解外延硅烷熱分解外延7.4.1 低壓外延l目的：減小自摻雜效應(yīng)目的：減小自摻雜效應(yīng)l壓力：壓力：1*1032*104Pal原因：原因：l低壓氣體擴(kuò)散速率快，襯底逸出雜質(zhì)可快速穿過(guò)邊界層（滯留低壓氣體擴(kuò)散速率快，襯底逸出雜質(zhì)可快速穿過(guò)邊界層（滯留層），被排除反應(yīng)室層），被排除反應(yīng)室,重新進(jìn)入外延層機(jī)會(huì)減?。恢匦逻M(jìn)入外延層機(jī)會(huì)減??；l停止外延時(shí)，氣體易清除，多層外延時(shí)縮小了過(guò)渡區(qū)，冷壁系統(tǒng)停止外延時(shí)，氣體易清除，多層外延時(shí)縮小了過(guò)渡區(qū)，冷壁系統(tǒng)和熱基座間無(wú)渦流，改善和熱基座間無(wú)渦流，改

18、善；減小外延層圖形的；減小外延層圖形的漂移漂移和和畸變畸變；l溫度影響溫度影響 壓力降低，生長(zhǎng)外延層溫度下限也降低，壓力降低，生長(zhǎng)外延層溫度下限也降低，T，G；l問(wèn)題：易泄漏；基座與襯底間溫差大；基座、反應(yīng)室在減壓時(shí)放問(wèn)題：易泄漏；基座與襯底間溫差大；基座、反應(yīng)室在減壓時(shí)放出吸附氣體；外延生長(zhǎng)溫度低等出吸附氣體；外延生長(zhǎng)溫度低等-外延層晶體完整性受到一定外延層晶體完整性受到一定影響影響7.4.2 選擇外延（Selective epitaxial growth SEG）外延選擇性的實(shí)現(xiàn)根據(jù)硅在絕緣體上很難核化成膜的特性，在硅外延選擇性的實(shí)現(xiàn)根據(jù)硅在絕緣體上很難核化成膜的特性，在硅表面的特定區(qū)域生

19、長(zhǎng)外延層而其它區(qū)域不生長(zhǎng)的技術(shù)。表面的特定區(qū)域生長(zhǎng)外延層而其它區(qū)域不生長(zhǎng)的技術(shù)。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提高原子提高原子的活動(dòng)性，的活動(dòng)性，Cl，選擇性選擇性；三種類(lèi)型：三種類(lèi)型： 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(nèi)生長(zhǎng)為掩膜，在暴露的硅窗口內(nèi)生長(zhǎng)外延；或在暴露的硅窗口內(nèi)生長(zhǎng)外延，在掩膜生長(zhǎng)外延；或在暴露的硅窗口內(nèi)生長(zhǎng)外延，在掩膜生長(zhǎng)Poly-Si；2.同樣以同樣以Si為襯底，以為襯底，以SiO2或或Si3N4為掩膜，在暴露的硅襯底上刻為掩膜，在暴露的硅襯底上刻圖形，再生長(zhǎng)外延；圖

20、形，再生長(zhǎng)外延；3.溝槽出外延生長(zhǎng)溝槽出外延生長(zhǎng)橫向超速外延（ELO）7.4.3 SiH4熱分解外延 SiH4 Si（s）+2H2（g）l反應(yīng)是不可逆的，沒(méi)鹵化物產(chǎn)生，不存在反向腐蝕效反應(yīng)是不可逆的，沒(méi)鹵化物產(chǎn)生，不存在反向腐蝕效應(yīng)，對(duì)反應(yīng)室也無(wú)腐蝕；應(yīng)，對(duì)反應(yīng)室也無(wú)腐蝕；l外延溫度低，一般是外延溫度低，一般是650-900 ，最低可在，最低可在600完成，完成，減弱了自摻雜和擴(kuò)散效應(yīng)。減弱了自摻雜和擴(kuò)散效應(yīng)。l問(wèn)題：?jiǎn)栴}： SiH4在氣相中可自行分解，造成過(guò)早核化，對(duì)在氣相中可自行分解，造成過(guò)早核化，對(duì)外延層的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，甚至生成多晶；外延層的晶體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重要影響，甚至生成多晶；S

21、iH4易氧化形成硅粉，要盡量避免氧化物質(zhì)和水汽的易氧化形成硅粉，要盡量避免氧化物質(zhì)和水汽的存在，否則會(huì)影響外延層的質(zhì)量；缺陷密度高于存在，否則會(huì)影響外延層的質(zhì)量；缺陷密度高于SiCl4 氫還原法制作外延層；對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)要求高氫還原法制作外延層；對(duì)反應(yīng)系統(tǒng)要求高7.5 分子束外延 (Molecular beam epitaxy MBE)l在超高真空下，在超高真空下，熱分子束由噴射熱分子束由噴射爐噴出，射到潔爐噴出，射到潔凈的單晶襯底表凈的單晶襯底表面，生長(zhǎng)出外延面，生長(zhǎng)出外延層。層。l MBE是物理氣相是物理氣相外延工藝。外延工藝。 7.5.1 MBE系統(tǒng)（噴射爐）（噴射爐）（襯底基座）（襯底基座

22、）（空氣鎖）（空氣鎖）超高真空系統(tǒng)；超高真空系統(tǒng)；生長(zhǎng)系統(tǒng)；原位生長(zhǎng)系統(tǒng)；原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)MBE設(shè)備照片7.5.2 MBE原位監(jiān)測(cè)系統(tǒng)l四極質(zhì)譜儀，用以監(jiān)測(cè)分子束的流量和殘余氣體。四極質(zhì)譜儀，用以監(jiān)測(cè)分子束的流量和殘余氣體。l俄歇電子能量分析器俄歇電子能量分析器(AES)，用來(lái)測(cè)定表面的化學(xué)，用來(lái)測(cè)定表面的化學(xué)成份。成份。l離子槍，用于襯底表面外延前和外延表面實(shí)時(shí)清潔。離子槍，用于襯底表面外延前和外延表面實(shí)時(shí)清潔。l由電子槍和熒光屏組成的高能電子衍射儀由電子槍和熒光屏組成的高能電子衍射儀(HEED)，其電子束以小角度（其電子束以小角度（1-2）投向襯底。電子束被）投向襯底。電子束被所生長(zhǎng)外

23、延層表面原子反射后，生成二維衍射圖像，所生長(zhǎng)外延層表面原子反射后，生成二維衍射圖像，包含有關(guān)表面上整體構(gòu)造和原子排列的信息。包含有關(guān)表面上整體構(gòu)造和原子排列的信息。 5.2.3 MBE特點(diǎn)l超高真空度達(dá)超高真空度達(dá)10-910-11Torr ，外延過(guò)程污染，外延過(guò)程污染少，外延層潔凈。少，外延層潔凈。l溫度低，溫度低，(100)Si 最低外延溫度最低外延溫度470K，所以，所以無(wú)雜質(zhì)的再分布現(xiàn)象。無(wú)雜質(zhì)的再分布現(xiàn)象。l外延分子由噴射爐噴出，速率可調(diào)，易于控外延分子由噴射爐噴出，速率可調(diào)，易于控制，可瞬間開(kāi)制，可瞬間開(kāi)/停，能生長(zhǎng)極薄外延層，厚度停，能生長(zhǎng)極薄外延層，厚度可薄至可薄至量級(jí)。量級(jí)。

24、MBE特點(diǎn)（續(xù)）l設(shè)備上有多個(gè)噴射口，可生長(zhǎng)多層、雜質(zhì)分布設(shè)備上有多個(gè)噴射口，可生長(zhǎng)多層、雜質(zhì)分布復(fù)雜的外延層，最多層數(shù)可達(dá)復(fù)雜的外延層，最多層數(shù)可達(dá)104層。層。l在整個(gè)外延過(guò)程中全程監(jiān)控，外延層質(zhì)量高。在整個(gè)外延過(guò)程中全程監(jiān)控，外延層質(zhì)量高。lMBE多用于外延結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外延層薄的異質(zhì)多用于外延結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外延層薄的異質(zhì)外延。外延。l設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴設(shè)備復(fù)雜、價(jià)格昂貴7.6 其它外延l7.6.1 異質(zhì)外延異質(zhì)外延l相容性問(wèn)題；反相疇問(wèn)題相容性問(wèn)題；反相疇問(wèn)題l7.6.2 液相外延液相外延l7.6.3 固相外延固相外延7.6.1 異質(zhì)外延l異質(zhì)外延也叫非均勻外延，外延層與襯底材異質(zhì)外延也叫非均

25、勻外延，外延層與襯底材料不相同的外延。料不相同的外延。l例如，例如， GaAs/Si 、SOI（SOS）等材料就可）等材料就可通過(guò)異質(zhì)外延工藝獲得。通過(guò)異質(zhì)外延工藝獲得。1 異質(zhì)外延的相容性l襯底與外延層不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大量襯底與外延層不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大量的溶解現(xiàn)象；的溶解現(xiàn)象；l襯底與外延層熱力學(xué)參數(shù)相匹配，即熱膨脹襯底與外延層熱力學(xué)參數(shù)相匹配，即熱膨脹系數(shù)接近。以避免外延層由生長(zhǎng)溫度冷卻至系數(shù)接近。以避免外延層由生長(zhǎng)溫度冷卻至室溫時(shí)，產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，界面位錯(cuò)，甚至室溫時(shí)，產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，界面位錯(cuò)，甚至外延層破裂。外延層破裂。l襯底與外延層晶格參數(shù)相匹配，即晶體結(jié)構(gòu)，襯底與外延層

26、晶格參數(shù)相匹配，即晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)接近，以避免晶格參數(shù)不匹配引起晶格常數(shù)接近，以避免晶格參數(shù)不匹配引起的外延層與襯底接觸的界面晶格缺陷多和應(yīng)的外延層與襯底接觸的界面晶格缺陷多和應(yīng)力大的現(xiàn)象。力大的現(xiàn)象。 2 失配率l其中：其中：a外延層參數(shù)；外延層參數(shù)； a襯底參數(shù)。有襯底參數(shù)。有熱膨熱膨脹失配系數(shù)脹失配系數(shù)和和晶格常數(shù)失配率晶格常數(shù)失配率。%100aaaf3 反相疇l又叫反相混亂（又叫反相混亂（APDI），非極性的），非極性的Si上生長(zhǎng)極性上生長(zhǎng)極性GaAs在生長(zhǎng)的初期在生長(zhǎng)的初期Si襯底上有的區(qū)域附著襯底上有的區(qū)域附著Ga，有的區(qū)域，有的區(qū)域附著附著As，不能形成單相的，不能形成單相的G

27、aAs層，層，這就叫反相疇。這就叫反相疇。4 GaAs/Si外延l當(dāng)前較成熟的方法是直接生長(zhǎng)當(dāng)前較成熟的方法是直接生長(zhǎng)法，兩步法，兩步MBE外延工藝過(guò)程：外延工藝過(guò)程：lAs氣氛中，約氣氛中，約900熱處理；熱處理；l一步生長(zhǎng)，一步生長(zhǎng)，150-400是生長(zhǎng)厚是生長(zhǎng)厚約約20nm的非晶的非晶GaAs緩沖層；緩沖層；l二步生長(zhǎng)是單晶生長(zhǎng)，二步生長(zhǎng)是單晶生長(zhǎng)，450-600在此期間一步生長(zhǎng)的非晶在此期間一步生長(zhǎng)的非晶也轉(zhuǎn)化為單晶了也轉(zhuǎn)化為單晶了 T/t/min一步一步二步二步預(yù)處理預(yù)處理GaAs/Si外延工藝外延工藝SOI (Si on Insulator)技術(shù)l液相外延是利用溶液的飽和溶解度隨溫

28、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(jié)晶析出在襯底上進(jìn)行變化而變化，使溶液結(jié)晶析出在襯底上進(jìn)行外延的方法。外延的方法。l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949時(shí)時(shí)溶液飽和，當(dāng)降低溫度溶液飽和，當(dāng)降低溫度10-30時(shí)溶液過(guò)飽和，時(shí)溶液過(guò)飽和，硅析出，在單晶硅襯底上生長(zhǎng)出外延層。硅析出，在單晶硅襯底上生長(zhǎng)出外延層。 7.6.2 液相外延7.6.3 固相外延l固相外延是將晶體襯底上的非晶或者多固相外延是將晶體襯底上的非晶或者多晶層高溫轉(zhuǎn)化為單晶層。離子注入時(shí)，晶層高溫轉(zhuǎn)化為單晶層。離子注入時(shí)，損傷造成的非晶區(qū)和非晶層經(jīng)退火晶化損傷造成的非晶區(qū)和非晶

29、層經(jīng)退火晶化過(guò)程就是固相外延。過(guò)程就是固相外延。7.7 外延層缺陷及檢測(cè) 外延層質(zhì)量直接關(guān)系到做在它上面的各種外延層質(zhì)量直接關(guān)系到做在它上面的各種器件的性能，所以應(yīng)檢測(cè)、分析外延層缺陷器件的性能，所以應(yīng)檢測(cè)、分析外延層缺陷及產(chǎn)生原因，并對(duì)外延層特征量進(jìn)行測(cè)試：及產(chǎn)生原因，并對(duì)外延層特征量進(jìn)行測(cè)試：l外延層缺陷分析外延層缺陷分析l圖形漂移和畸變圖形漂移和畸變l層錯(cuò)法測(cè)外延層厚度層錯(cuò)法測(cè)外延層厚度l檢測(cè)內(nèi)容檢測(cè)內(nèi)容l電阻率測(cè)量電阻率測(cè)量7.7.1 外延層缺陷分析l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(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)缺內(nèi)部晶格結(jié)構(gòu)缺陷陷（體內(nèi)缺陷）。通常體內(nèi)缺陷會(huì)顯現(xiàn)在表面。（體內(nèi)缺陷）

30、。通常體內(nèi)缺陷會(huì)顯現(xiàn)在表面。l表面缺陷：云霧狀表面、角錐體、表面突起、劃痕、表面缺陷：云霧狀表面、角錐體、表面突起、劃痕、星狀體、麻坑等。星狀體、麻坑等。l體內(nèi)缺陷：位錯(cuò)、層錯(cuò)等。體內(nèi)缺陷：位錯(cuò)、層錯(cuò)等。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 花霧花霧角錐體l星形線（滑移線）星形線（滑移線）劃痕：由機(jī)械損傷引起劃痕：由機(jī)械損傷引起外延層外延層（111）襯底）襯底15432外延層各種缺陷l位錯(cuò)位錯(cuò)l層錯(cuò)層錯(cuò)l表面突起、角錐體等表面突起、角錐體等l外延層內(nèi)雜質(zhì)沉淀外延層內(nèi)雜質(zhì)沉淀l襯底點(diǎn)缺陷團(tuán)的延伸襯底點(diǎn)缺陷團(tuán)的延伸層錯(cuò)法測(cè)量外延層厚度層錯(cuò)法測(cè)量

31、外延層厚度20.8163Tll7.7.2 圖形漂移和畸變 Si各向異性是出現(xiàn)漂移和畸各向異性是出現(xiàn)漂移和畸變的主要原因：變的主要原因：l T漂移漂移；G 漂移漂移l低壓外延，低壓外延，P 漂移漂移l (100)晶片，圖形漂移最晶片，圖形漂移最小。對(duì)于小。對(duì)于(111)晶片取向晶片取向25，影響最小，影響最小7.7.3 檢測(cè)內(nèi)容l鏡檢鏡檢l晶格完好性晶格完好性l測(cè)量外延層厚度測(cè)量外延層厚度l電阻率均勻性電阻率均勻性l摻雜濃度、分布是否滿足要求摻雜濃度、分布是否滿足要求7.7.4 層錯(cuò)法測(cè)外延層厚度l 層錯(cuò)源于界面的圖形大于層錯(cuò)源于界面的圖形大于源于外延層內(nèi)部的，要選源于外延層內(nèi)部的，要選擇大的圖

32、形。不能選擇靠擇大的圖形。不能選擇靠近外延層邊緣的圖形。近外延層邊緣的圖形。l 化學(xué)腐蝕后，外延層要減化學(xué)腐蝕后，外延層要減薄一定厚度，在腐蝕時(shí)只薄一定厚度，在腐蝕時(shí)只要能顯示圖形就可以，時(shí)要能顯示圖形就可以，時(shí)間不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)。計(jì)算厚度時(shí)，間不應(yīng)過(guò)長(zhǎng)。計(jì)算厚度時(shí)，應(yīng)考慮腐蝕對(duì)厚度的影響。應(yīng)考慮腐蝕對(duì)厚度的影響。lTl外延層外延層襯底襯底llT816.032（111）方向硅的層錯(cuò)形狀方向硅的層錯(cuò)形狀7.7.5擴(kuò)展電阻法測(cè)電阻率l擴(kuò)展電阻法，可測(cè)量微區(qū)的電阻率或電阻擴(kuò)展電阻法，可測(cè)量微區(qū)的電阻率或電阻率分布率分布l其他測(cè)電阻率方法：四探針?lè)?，其他測(cè)電阻率方法：四探針?lè)ǎ珻-V法法擴(kuò)展電阻法l金屬探針嵌

33、入一個(gè)金屬探針嵌入一個(gè)半無(wú)限均勻的半導(dǎo)半無(wú)限均勻的半導(dǎo)體，半導(dǎo)體和金屬體，半導(dǎo)體和金屬電阻率相差幾個(gè)數(shù)電阻率相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)，歐姆接觸，量級(jí)，歐姆接觸，接觸點(diǎn)電流呈輻射接觸點(diǎn)電流呈輻射狀擴(kuò)展，沿徑向電狀擴(kuò)展，沿徑向電阻是不等的，接觸阻是不等的，接觸電阻電阻R稱為擴(kuò)展電阻。稱為擴(kuò)展電阻。擴(kuò)展電阻法（續(xù)）l擴(kuò)展電阻主要集中在接觸擴(kuò)展電阻主要集中在接觸點(diǎn)附近的半導(dǎo)體中。點(diǎn)附近的半導(dǎo)體中。l實(shí)際上金實(shí)際上金/半接觸兩者功函半接觸兩者功函數(shù)有差別，存在接觸勢(shì)壘，數(shù)有差別，存在接觸勢(shì)壘，勢(shì)壘高度與溫度、探針材勢(shì)壘高度與溫度、探針材料、探針壓力、半導(dǎo)體表料、探針壓力、半導(dǎo)體表面狀態(tài)等因素有關(guān)。面狀態(tài)等因素有關(guān)。l具體測(cè)量，應(yīng)保證：具體測(cè)量，應(yīng)保證： 零偏電阻零偏電阻擴(kuò)展電阻擴(kuò)展電阻硅外延材料技術(shù)規(guī)范 序序號(hào)號(hào)特征特征參數(shù)參數(shù)