04微電子工藝基礎(chǔ)外延

1、微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 1微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 221、什么是外延工藝？、什么是外延工藝？2、了解外延技術(shù)的特點和應(yīng)用、了解外延技術(shù)的特點和應(yīng)用3、掌握外延的分類、掌握外延的分類4、掌握氣相外延的原理、步驟、掌握氣相外延的原理、步驟5、了解分子束外延的實現(xiàn)方式和優(yōu)點、了解分子束外延的實現(xiàn)方式和優(yōu)點微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 33微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 44（1）外延定義：）外延定義：在單晶襯底上新生一層單晶膜的技術(shù)。生長有外延層的硅片稱為外延片。以氣相外延為例，則是含外延層材料的物質(zhì)以氣相形式流向襯底，在高溫下發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在單晶襯底上生長出與襯底取向一致的單晶。記作：P

2、/Q（P為外延層）微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 55生成的晶體結(jié)構(gòu)良好生成的晶體結(jié)構(gòu)良好摻入的雜質(zhì)濃度易控制摻入的雜質(zhì)濃度易控制可形成接近突變可形成接近突變pnpn結(jié)的特點結(jié)的特點 （2）外延特點：）外延特點：微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 66（3）外延分類：）外延分類： 按工藝分類按工藝分類A A 氣相外延（氣相外延（VPEVPE） 利用硅的氣態(tài)化合物或者液態(tài)化合物的蒸汽，在加熱的硅襯底表面和氫發(fā)生反應(yīng)或自身發(fā)生分解還原出硅。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 77B B 液相外延（液相外延（LPELPE）襯底在液相中，液相中析出的物質(zhì)并以單晶形式淀積在襯底表面的過程。此法廣泛應(yīng)用于III-V族化

3、合半導(dǎo)體的生長。原因是化合物在高溫下易分解，液相外延可以在較低的溫度下完成。（3）外延分類：）外延分類： 按工藝分類按工藝分類微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 88C 固相外延（固相外延（SPE） 固體物質(zhì)通過物理淀積形成的外延層的技術(shù)固體物質(zhì)通過物理淀積形成的外延層的技術(shù)D 分子束外延（分子束外延（MBE）在超高真空條件下，利用薄膜組分元素受熱蒸發(fā)所形成的原在超高真空條件下，利用薄膜組分元素受熱蒸發(fā)所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射到襯底表面，并在其上形子或分子束，以很高的速度直接射到襯底表面，并在其上形成外延層的技術(shù)。成外延層的技術(shù)。特點：生長時襯底溫度低，外延膜的組分、摻雜濃度以及分布

4、可以實現(xiàn)原子級的精確控制。 （3）外延分類：）外延分類： 按工藝分類按工藝分類微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 99 按導(dǎo)電類型分類按導(dǎo)電類型分類n型外延：n/n, n/p外延p型外延：p/n, p/p外延（3）外延分類：）外延分類：微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 1010 按按反應(yīng)室形式反應(yīng)室形式臥式：臥式：產(chǎn)量大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單；但是生成的外延層的厚度和電阻率產(chǎn)量大，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單；但是生成的外延層的厚度和電阻率 的均勻性較差，外延生長時易出現(xiàn)滑移位錯及片子彎曲。的均勻性較差，外延生長時易出現(xiàn)滑移位錯及片子彎曲。立式：維護容易，外延層的厚度和電阻率的均勻性及自摻雜效應(yīng)能得到立式：維護容易，外延層的厚

5、度和電阻率的均勻性及自摻雜效應(yīng)能得到較好的控制；但設(shè)備大型化，制造難度大。較好的控制；但設(shè)備大型化，制造難度大。桶式：較好的防止外延滑移位錯，外延層的厚度和電阻率的均勻性好；桶式：較好的防止外延滑移位錯，外延層的厚度和電阻率的均勻性好； 但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維護。但設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易維護。 （3）外延分類：）外延分類：微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 1111 按按反應(yīng)室形式反應(yīng)室形式（3）外延分類：）外延分類：微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 1212 按材料異同分類按材料異同分類同質(zhì)外延（同質(zhì)外延（autoepitaxy）：）：異質(zhì)外延（異質(zhì)外延（heteroepitaxy）：）： 外延層和襯底為

6、同種材料外延層和襯底為同種材料 例如硅上外延硅。例如硅上外延硅。 外延層和襯底為不同種外延層和襯底為不同種 材料材料例如例如SOI(絕緣體上硅絕緣體上硅)是一是一種特殊的硅片，其結(jié)構(gòu)的主要特種特殊的硅片，其結(jié)構(gòu)的主要特點是在有源層和襯底層之間插入點是在有源層和襯底層之間插入絕緣層絕緣層 埋氧層來隔斷有源埋氧層來隔斷有源層和襯底之間的電氣連接層和襯底之間的電氣連接 ) （3）外延分類：）外延分類：微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 1313 按電阻率高低分類按電阻率高低分類正外延：正外延：低阻襯底上外延高阻層低阻襯底上外延高阻層n/n+n/n+ 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

7、 （3）外延分類：）外延分類：微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 1414 按溫度（按溫度（1000度界）度界） 按壓力（常壓、低壓按壓力（常壓、低壓）（3）外延分類：）外延分類：微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 1515微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 1616（1） 原理原理在氣相外延生長過程中，有兩步在氣相外延生長過程中，有兩步：質(zhì)量輸運過程反應(yīng)劑輸運到襯底表面質(zhì)量輸運過程反應(yīng)劑輸運到襯底表面表面反應(yīng)過程在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出硅原子表面反應(yīng)過程在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)釋放出硅原子 外延的過程外延的過程微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 1717（1） 原理原理通常用的外延反應(yīng)劑：通常用的外延反應(yīng)劑：Si

8、Cl4 (*)、SiH2Cl2、 SiH4 、SiHCl3 外延反應(yīng)劑外延反應(yīng)劑微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 1818 SiCl4外延反應(yīng)劑外延反應(yīng)劑SiCl4 2H2 Si + 4HCl（1200度左右）度左右） （生長，腐蝕）（生長，腐蝕）SiCl4 Si 2SiCl2 （腐蝕硅）（腐蝕硅）H2的作用：運載和稀釋氣體；的作用：運載和稀釋氣體； 還原劑還原劑上述兩個反應(yīng)的綜合結(jié)果外延生長的同時伴隨有襯上述兩個反應(yīng)的綜合結(jié)果外延生長的同時伴隨有襯底的腐蝕。底的腐蝕。（1） 原理原理微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 1919原理圖：原理圖：（1） 原理原理微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 2020 控制

9、外延速率很關(guān)鍵控制外延速率很關(guān)鍵過快可能造成：過快可能造成：多晶生長多晶生長 外延層中有過多的堆跺層錯外延層中有過多的堆跺層錯 夾渣夾渣微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 2121 影響外延生長速率的因素影響外延生長速率的因素A 反應(yīng)劑的濃度反應(yīng)劑的濃度工業(yè)典型條件Y=0.005-0.01微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 2222 影響外延生長速率的因素影響外延生長速率的因素B 外延的溫度外延的溫度在實際生產(chǎn)中：外延溫度選擇在實際生產(chǎn)中：外延溫度選擇在在B區(qū)原因有二。區(qū)原因有二。a） B區(qū)的溫度依賴型強；區(qū)的溫度依賴型強；b） 淀積的硅原子也需要足夠淀積的硅原子也需要足夠的能量和遷移能力，高溫的能量和遷

10、移能力，高溫微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 2323 影響外延生長速率的因素影響外延生長速率的因素C 氣體流速氣體流速由于由于1200高溫下到達襯底表面高溫下到達襯底表面的不會堆積：因此流速越大，的不會堆積：因此流速越大，外延層的生長速率越快。外延層的生長速率越快。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 2424 影響外延生長速率的因素影響外延生長速率的因素D 其它其它反應(yīng)腔界面形狀等。反應(yīng)腔界面形狀等。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 2525 系統(tǒng)要求系統(tǒng)要求 氣密性好；氣密性好；溫度均勻；溫度均勻；氣流均勻；氣流均勻；反應(yīng)劑和摻雜劑的濃度和流量精確可控；反應(yīng)劑和摻雜劑的濃度和流量精確可控；外延前能對襯底

11、做氣相拋光；外延前能對襯底做氣相拋光；微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 2626 工序（參見教材圖工序（參見教材圖12.35）微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 2727微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 2828按器件對外延導(dǎo)電性和電阻率的要求，在外按器件對外延導(dǎo)電性和電阻率的要求，在外延的同時摻入適量的雜質(zhì)，這稱為有意摻雜延的同時摻入適量的雜質(zhì)，這稱為有意摻雜。（1）有意摻雜）有意摻雜有意摻雜的摻雜劑：通常為氫化物或者氯化物有意摻雜的摻雜劑：通常為氫化物或者氯化物例如：例如：N型為型為PH3 、 AsH3、PCl3、 AsCl3例如：例如：P型為型為B2H6劇毒劇毒微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 2929摻

12、雜劑的摻雜也包括質(zhì)量傳輸和表面化學(xué)反應(yīng)過程。摻雜劑的摻雜也包括質(zhì)量傳輸和表面化學(xué)反應(yīng)過程。（1）有意摻雜）有意摻雜外延層的摻雜量影響因素：外延層的摻雜量影響因素： A 摻雜劑的濃度摻雜劑的濃度 B 襯底溫度襯底溫度 C 淀積速率等其他因素淀積速率等其他因素微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 3030（1）有意摻雜）有意摻雜外延層的摻雜濃度與外延層的摻雜濃度與摻雜劑初始分壓的關(guān)摻雜劑初始分壓的關(guān)系：系：微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 3131（2）自摻雜（可參考教材）自摻雜（可參考教材P258中間部分）中間部分）大多數(shù)大多數(shù)VLSI電路要求在重摻雜（電路要求在重摻雜（1019-1020cm-3）襯底上外

13、延輕摻雜（襯底上外延輕摻雜（ 1014-1017cm-3 ）層。）層。外延層通常會有三個無意摻雜過程發(fā)生。外延層通常會有三個無意摻雜過程發(fā)生。襯底中的雜質(zhì)因揮發(fā)等而進入氣流，然后重新返回襯底中的雜質(zhì)因揮發(fā)等而進入氣流，然后重新返回外延層。外延層。32自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng)：在外延生長過程中，襯底或外延層中的雜質(zhì)進入邊界層中，改變了邊界層的摻雜成份和濃度，導(dǎo)致外延層中雜質(zhì)的實際分布偏離理想情況。 在摻雜襯底上生長摻雜外延層時，因為自摻雜效應(yīng)，外延層中的雜質(zhì)濃度分布為：式中Cs為襯底中均勻分布的雜質(zhì)濃度，Ceo為無限厚處外延層的雜質(zhì)濃度。“+”和“-”分別對應(yīng) n/n+ (p/p

14、+) 和 p/n+ (n/p+)型外延片。)1 ()(0XeXseeCeCxC33 在重摻雜襯底上生長含有相同導(dǎo)電類型的輕摻雜外延層時，雜質(zhì)濃度分布右圖中(a)所示。由圖可以看到，雜質(zhì)濃度的突變型分布是不能實現(xiàn)的。 在輕摻雜襯底上，生長不同導(dǎo)電類型的重摻雜外延層，雜質(zhì)分布情況如圖中(b)所示。由圖可見，在外延過程中由于自摻雜效應(yīng)的影響，引起pn結(jié)位置的移動。34一、同時考慮擴散效應(yīng)和自摻雜效應(yīng)的雜質(zhì)濃度分布一、同時考慮擴散效應(yīng)和自摻雜效應(yīng)的雜質(zhì)濃度分布 同時考慮擴散效應(yīng)和自摻雜效應(yīng)，在重摻雜襯底上生長輕摻雜外延層時，襯底與外延層之間過渡區(qū)的雜質(zhì)分布如右圖。 緊靠近襯底的外延層(A區(qū))，摻雜濃度

15、高，這是因為在外延生長過程中摻雜劑從襯底擴散到外延層中。 與擴散速度相比外延生長速度要大得多，因此很快就抑制了這種影響。B區(qū)是自摻雜效應(yīng)對過渡區(qū)的影響。 當外延層生長一定厚度時，自摻雜效應(yīng)影響也降低，外延層中雜質(zhì)濃度達到期望值。35(1) 為了減小B的自摻雜，在保證外延質(zhì)量和速度的前提下，盡量降低外延生長溫度；但對于As雜質(zhì)無效，As的自摻雜程度隨著溫度的降低而增強。(2) 對于n型襯底，應(yīng)該使用蒸氣壓低并且擴散速率也低的雜質(zhì)作為埋層雜質(zhì)。如用Sb替代高蒸氣壓的As和高擴散速率的P。(3) 對于重摻雜的襯底，需要使用輕摻雜的硅來密封重摻雜襯底的底面和側(cè)面，進而減少雜質(zhì)的外逸。(4) 為了減小自

16、摻雜，外延系統(tǒng)應(yīng)當工作在低壓條件下，此時氣態(tài)雜質(zhì)原子的擴散速率高，由襯底逸出的大部分雜質(zhì)被主氣流帶出反應(yīng)室。對As和P的效果顯著，而對B的作用不明顯。二、減小自摻雜效應(yīng)影響的方法二、減小自摻雜效應(yīng)影響的方法36(5) 可以使用經(jīng)過離子注入的埋層來降低襯底表面的雜質(zhì)濃度。(6) 可以在埋層或者襯底上先生長未摻雜的薄膜來避免襯底中的雜質(zhì)外逸，之后再進行原位摻雜。(7) 應(yīng)當避免在高溫下采用HCl對襯底進行腐蝕，或者在腐蝕之后使用低溫氣流除去因腐蝕外逸的雜質(zhì)。37低壓外延低壓外延 為了為了減小自摻雜效應(yīng)減小自摻雜效應(yīng)，發(fā)展了低壓外延工藝。低壓外延的，發(fā)展了低壓外延工藝。低壓外延的壓力一般在壓力一般在

17、11032104Pa之間。之間。 在低壓情況下，雜質(zhì)的擴散速度加快，由襯底逸出的雜質(zhì)在低壓情況下，雜質(zhì)的擴散速度加快，由襯底逸出的雜質(zhì)能快速穿越邊界層而被排除到反應(yīng)室，從而降低了自摻雜效應(yīng)能快速穿越邊界層而被排除到反應(yīng)室，從而降低了自摻雜效應(yīng)對外延層中雜質(zhì)濃度和分布的影響，可以得到陡峭的雜質(zhì)分布。對外延層中雜質(zhì)濃度和分布的影響，可以得到陡峭的雜質(zhì)分布。 當壓力變低時，當壓力變低時，邊界層厚度增加邊界層厚度增加，似乎會延長雜質(zhì)穿越邊，似乎會延長雜質(zhì)穿越邊界層的時間，但比較而言，界層的時間，但比較而言，擴散速度加快的影響是主要的擴散速度加快的影響是主要的，雖，雖然邊界層增厚，但雜質(zhì)穿過邊界層進入主

18、氣流所需時間同常壓然邊界層增厚，但雜質(zhì)穿過邊界層進入主氣流所需時間同常壓外延相比，還是大大縮短了。外延相比，還是大大縮短了。 38選擇性外延選擇性外延(SEG, Selective Epitaxial Growth)選擇外延選擇外延： 利用硅在利用硅在絕緣體上很難核化絕緣體上很難核化成膜成膜的特性，以的特性，以SiO2或或Si3N4為為掩膜，在硅表面特定區(qū)域生長掩膜，在硅表面特定區(qū)域生長外延層的外延層的技術(shù)技術(shù)。存在問題：存在問題： 窗口邊緣生長速率比中心的生長速率高，其比值取決于窗口的大小，降低生長速率可以在一定程度上控制這個比值。39 Si在SiO2或Si3N4上是異質(zhì)外延，存在較大晶格失

19、配，不易形成晶核。 對于選擇外延，要進行外延的地方是窗口內(nèi)或硅表面的凹陷處，這些地方的成核能較低。選擇性：選擇性：提高硅淀積選擇性的因素：提高硅淀積選擇性的因素：選擇減壓反應(yīng)系統(tǒng)； 提高淀積溫度；減少氣流中硅源的摩爾分數(shù)；保證硅片和系統(tǒng)的清潔。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 4040（3）雜質(zhì)外擴散（可參考教材）雜質(zhì)外擴散（可參考教材P258中間部分）中間部分）重摻雜襯底中的雜質(zhì)通過熱擴散進入外延層。重摻雜襯底中的雜質(zhì)通過熱擴散進入外延層。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 4141（3）雜質(zhì)外擴散（可參考教材）雜質(zhì)外擴散（可參考教材P258中間部分）中間部分）雜質(zhì)分布曲線：（其中雜質(zhì)分布曲線：（其中

20、N（x） = N1 （x） + N2 （x） ）微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 4242（3）雜質(zhì)外擴散）雜質(zhì)外擴散綜合自摻雜效應(yīng)和互擴散效應(yīng)。雜質(zhì)濃度分布曲線綜合自摻雜效應(yīng)和互擴散效應(yīng)。雜質(zhì)濃度分布曲線：微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 4343微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 4444（1）缺陷種類（參見教材P256）a 存在于襯底中并連續(xù)延伸到外延層中的位錯存在于襯底中并連續(xù)延伸到外延層中的位錯b 襯底表面的析出雜質(zhì)或殘留的氧化物襯底表面的析出雜質(zhì)或殘留的氧化物 堆跺層錯（參見教材堆跺層錯（參見教材p257最下部分）最下部分）c 外延層中的析出雜質(zhì)外延層中的析出雜質(zhì)d 與工藝或表面加工有關(guān)形成的表

21、面錐體缺陷與工藝或表面加工有關(guān)形成的表面錐體缺陷e 襯底堆跺層錯的延伸襯底堆跺層錯的延伸微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 4545（2）參數(shù)測量微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 4646微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 471.外延的圖形漂移外延的圖形漂移pattern shift - 對于對于(111)晶體在與晶體在與110定位面垂直的方向發(fā)生定位面垂直的方向發(fā)生圖形漂移。圖形漂移。 - 產(chǎn)生原因是外延的反應(yīng)產(chǎn)物產(chǎn)生原因是外延的反應(yīng)產(chǎn)物HCL，擇優(yōu)腐蝕埋，擇優(yōu)腐蝕埋層邊緣，使埋層圖形產(chǎn)生位移。層邊緣，使埋層圖形產(chǎn)生位移。 - 危害性：使光刻無法對準，從而影響電學(xué)特性。危害性：使光刻無法對準，從而影響電學(xué)

22、特性。 - 關(guān)鍵：要知道漂移量，同時要控制各爐子相同。關(guān)鍵：要知道漂移量，同時要控制各爐子相同。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 48微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 49上片漂移小糾偏過頭下片糾偏較正確微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 50外延后圖形增大或縮小外延后圖形增大或縮小,變模糊變模糊,甚之消失。甚之消失。圖形邊緣不再銳利。圖形邊緣不再銳利。畸變原因：畸變原因： 主要是主要是HCL腐蝕硅片表面，在臺階處，由于取向不同腐蝕硅片表面，在臺階處，由于取向不同使各方向腐蝕速率不同結(jié)果產(chǎn)生畸變。使各方向腐蝕速率不同結(jié)果產(chǎn)生畸變。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 51SHIFT對稱變大對稱變大非對稱畸變非對稱畸

23、變對稱變小對稱變小圖形消失圖形消失微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 52畸變小畸變小畸變嚴重畸變嚴重微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 53輕微畸變水平方向變寬，光刻機不能識別微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 54微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 55微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 56微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 57選用低氯的源。選用低氯的源。溫度升高畸變減少溫度升高畸變減少降低外延壓力降低外延壓力(采用減壓外延采用減壓外延)降低生長速率降低生長速率(減少氯含量減少氯含量)對于對于(111)取向偏離取向偏離3-4(向最近的向最近的110方向方向)增加增加H2流量流量微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 58在外延過程

24、中襯底表面由于原子間的引力， 有一個停滯層，襯底中重摻的雜質(zhì)被吸附在停滯層,沉積時以自摻雜進入外延層中。停滯層襯底微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 5959微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 6060n分子束外延（外延物質(zhì)是原子的也叫原子束外延）是分子束外延（外延物質(zhì)是原子的也叫原子束外延）是近年來才被普遍采用的一種物理氣相外延工藝。近年來才被普遍采用的一種物理氣相外延工藝。n在超高真空下，熱分子束由噴射爐噴出，射到襯底表在超高真空下，熱分子束由噴射爐噴出，射到襯底表面，外延生長出外延層。面，外延生長出外延層。（1）概述微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 6161n分子束外延設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴，真空室真空度達

25、分子束外延設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴，真空室真空度達10-910-11Torr，噴射爐可以根據(jù)需要噴射出多種分子，噴射爐可以根據(jù)需要噴射出多種分子（原子），另外監(jiān)測裝置可以對外延層生長速率、氣體（原子），另外監(jiān)測裝置可以對外延層生長速率、氣體成分、結(jié)構(gòu)和厚度進行實時監(jiān)控。因此，分子束外延具成分、結(jié)構(gòu)和厚度進行實時監(jiān)控。因此，分子束外延具有許多優(yōu)點。有許多優(yōu)點。n常規(guī)的硅摻雜源不適用：常規(guī)的硅摻雜源不適用： 使用使用 GaP型；型；SbN型型（1）概述微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 6262（2）設(shè)備63 大大降低了反應(yīng)室內(nèi)殘余氣體，保證了外延層的高純度。 蒸發(fā)分子的自由程很大，分(原) 子束流可以不經(jīng)散

26、射直接從源到達襯底表面，對這樣的束流可以瞬間完成關(guān)斷，提高了對層厚控制的準確度，使生長的界面接近原子級尺度。 超高真空度的環(huán)境可以采用原位分析手段，實現(xiàn)對生長過程的監(jiān)控。一、超高真空系統(tǒng)一、超高真空系統(tǒng) 真空度1.3310-8Pa以上，可選用的真空泵主要有機械泵，吸附泵，離子泵，低溫泵，鈦升華泵，渦輪分子泵等。64生長系統(tǒng)包括源和襯底兩部分。源源：在MBE系統(tǒng)的生長室內(nèi)裝有數(shù)目不等的努森箱，即噴射爐，由坩堝、加熱系統(tǒng)和控溫系統(tǒng)組成。 坩堝由熱解氮化硼或高純石墨制成，用來放置高純源或摻雜源； 外繞鎢絲或鉭絲進行電阻加熱，或采用電子束加熱； 控溫系統(tǒng)控制加熱溫度，從而控制蒸發(fā)速率。 每個噴射爐均有

27、一個快門，控制束流的通斷和大小。 襯底襯底：生長室內(nèi)的襯底基座，是用來放置樣品的，可以旋轉(zhuǎn)和傾斜一定的角度，通過操作機構(gòu)控制接送樣品。襯底基座可對樣品加溫，保證襯底表面處于活性狀態(tài)，溫度范圍一般為400-900。二、生長系統(tǒng)二、生長系統(tǒng)65 MBE裝置中配有比較齊全的測量、分析、監(jiān)控等設(shè)備，主要包括質(zhì)譜儀，俄歇電子能譜儀，高能電子衍射儀，薄膜厚度測試儀，電子顯微鏡等。這是MBE的一個突出特點，正因如此MBE系統(tǒng)才能生長出高質(zhì)量的外延層。質(zhì)譜儀MS：裝在束流經(jīng)過的路徑上，可以監(jiān)視分(原)子束的種類和強度，還可以測出真空中的殘留氣體。俄歇電子能譜儀AES：可以提供表面化學(xué)成份的數(shù)據(jù)，測定外延層組分

28、和雜質(zhì)的剖面分布。高能電子衍射儀HEED：由電子槍和接受電子的熒光屏組成，由電子槍出來的電子束入射到結(jié)晶表面，在熒光屏上顯示出的表面衍射圖像是與表面原子排列情況相對應(yīng)的圖像，解析這個圖像可以知道外延層的結(jié)晶性能。三、測量、分析、監(jiān)控系統(tǒng)三、測量、分析、監(jiān)控系統(tǒng)66微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 6767n分子束外延是在超高真空下進行，外延過程污染少，外延層潔凈。分子束外延是在超高真空下進行，外延過程污染少，外延層潔凈。n外延溫度較低（外延溫度較低（400800度），硅分子束外延溫度是度），硅分子束外延溫度是630，所以通，所以通常采用分子束外延少有雜質(zhì)的再分布現(xiàn)象。常采用分子束外延少有雜質(zhì)的再分

29、布現(xiàn)象。n外延分子是由噴射爐噴出，噴射速率可調(diào)，易于控制，外延可以迅速外延分子是由噴射爐噴出，噴射速率可調(diào)，易于控制，外延可以迅速進行或停止，這樣就能生長極薄的外延層，外延層厚度可以薄至進行或停止，這樣就能生長極薄的外延層，外延層厚度可以薄至量級；量級；微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 6868n外延設(shè)備上有多個噴射口，可以生長多層、雜質(zhì)分布外延設(shè)備上有多個噴射口，可以生長多層、雜質(zhì)分布復(fù)雜的外延層，外延層最多層數(shù)可達復(fù)雜的外延層，外延層最多層數(shù)可達10104 4層。層。n在整個外延過程中全程監(jiān)控，因此外延層質(zhì)量高。在整個外延過程中全程監(jiān)控，因此外延層質(zhì)量高。n分子束外延多用于外延結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外延層

30、薄的外延層，分子束外延多用于外延結(jié)構(gòu)復(fù)雜、外延層薄的外延層，異質(zhì)外延一般也采用分子束外延。異質(zhì)外延一般也采用分子束外延。n生長慢（既是優(yōu)點也是缺點），通常用于過高精度或生長慢（既是優(yōu)點也是缺點），通常用于過高精度或過薄的外延層。過薄的外延層。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 6969異質(zhì)外延也叫非均勻外延，外延層與襯底材異質(zhì)外延也叫非均勻外延，外延層與襯底材料不相同，如料不相同，如SOSSOS材料就是材料就是Si/AlSi/Al2 2O O3 3異質(zhì)外延異質(zhì)外延材料，一些薄膜集成電路就是采用的材料，一些薄膜集成電路就是采用的SOSSOS材料。材料。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 7070n襯底與外延

31、層不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大量的溶解現(xiàn)象襯底與外延層不發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，不發(fā)生大量的溶解現(xiàn)象n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。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。以避免生長的外延層由生長溫度冷卻至室溫時，熱膨脹以避免生長的外延層由生長溫度冷卻至室溫時，熱膨脹產(chǎn)生殘余應(yīng)力，截面位錯，甚至外延層破裂現(xiàn)象發(fā)生產(chǎn)生殘余應(yīng)力，截面位錯，甚至外延層破裂現(xiàn)象發(fā)生n襯底與外延層晶格參數(shù)相匹配，即晶體結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)襯底與外延層晶格參數(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)不匹配引起的外延層與襯底接觸接近，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)力大的現(xiàn)象的界

32、面晶格缺陷多和應(yīng)力大的現(xiàn)象微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 7171%100aaaf其中：其中：a a外延層參數(shù)；外延層參數(shù)； a a襯底參數(shù)。襯底參數(shù)。有熱膨脹系數(shù)失配率和晶格常數(shù)失配率有熱膨脹系數(shù)失配率和晶格常數(shù)失配率微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 7272又叫反相混亂，例如非極性的又叫反相混亂，例如非極性的SiSi上生長極性上生長極性GaAsGaAs在生長的初期在生長的初期SiSi襯底上有的區(qū)域附著襯底上有的區(qū)域附著GaGa，有的區(qū)域附著有的區(qū)域附著AsAs，不能形成單相的，不能形成單相的GaAsGaAs層，這層，這就叫反相疇。就叫反相疇。因此常用因此常用MBEMBE法外延法外延GaAsGaA

33、s。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 7373液相外延是利用溶液的飽和溶解度隨溫度的變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)晶析出在襯底上進行外延化而變化，使溶液結(jié)晶析出在襯底上進行外延的方法。的方法。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時溶液時溶液飽和，當降低溫度飽和，當降低溫度10-3010-30時溶液過飽和，硅析時溶液過飽和，硅析出，在單晶硅襯底上生長出外延層。出，在單晶硅襯底上生長出外延層。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 7474固相外延是將晶體襯底上的非晶或者多晶層高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。溫轉(zhuǎn)化為單晶

34、層。75SOSSOS技術(shù)技術(shù) SOS是“Silicon on Sapphire”和“Silicon on Spinel”的縮寫，是指在藍寶石(-Al2O3)或尖晶石(MgOAl2O3)的襯底上進行硅外延的技術(shù)，并把電路作在硅外延層上。 SOS是SOI (Silicon on Insulator or Semiconductor on Insulator，在絕緣襯底上進行硅的異質(zhì)外延) 技術(shù)中比較成熟的一種。SOI技術(shù)的主要優(yōu)點是：寄生電容小，對高速和高集成度的電路特別有利。在亞微米器件中，襯底濃度比常規(guī)MOS器件的襯底濃度高，寄生電容更大，因此隨集成電路特征尺寸的縮小，SOI技術(shù)應(yīng)用前景更好。

35、提高了器件的抗輻射能力。抑制了CMOS電路的閂鎖效應(yīng)。工藝比體硅CMOS工藝簡單。76 在絕緣體上異質(zhì)外延單晶硅的設(shè)備和工藝與硅同質(zhì)外延基本相同。為了得到好的外延層，要求襯底和Si的熱膨脹系數(shù)與晶格常數(shù)相近。 由于所有絕緣體的熱膨脹系數(shù)均比硅高，在單晶硅膜內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力，使外延層缺陷增多，從而影響外延層和器件的性能。熱失配是影響異質(zhì)外延生長的單晶硅膜的物理和電學(xué)性質(zhì)的主要因素。 晶格失配將導(dǎo)致外延膜中的缺陷密度非常高，特別是當硅膜非常薄時，缺陷密度更高。 當硅膜厚度增加時，隨著遠離硅-藍寶石界面，硅中的缺陷密度單調(diào)下降，也就是說缺陷不會貫穿整個外延層。這些缺陷可使界面附近的電阻率、載流子遷移率和壽命降低。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 77雙極電路：利用利用n/n+硅外延，將雙極型高頻功率晶體管制作在硅外延，將雙極型高頻功率晶體管制作在n型外延層內(nèi)，型外延層內(nèi)，n+硅用作機械支撐層和導(dǎo)電層，降低硅用作機械支撐層和導(dǎo)電層，降低了集電極的串聯(lián)電阻。了集電極的串聯(lián)電阻。采用采用n/p外延片，通過簡單的外延片，通過簡單的p型雜質(zhì)隔離擴散，便型雜質(zhì)隔離擴散，便能實現(xiàn)雙極集成電路元器件間的隔離。能實現(xiàn)雙極集成電路元器件間的隔離。微電子工藝基礎(chǔ)微電子工藝基礎(chǔ) 78外延層和