微電子工藝(3)外延

1、第第3章章 外延外延(Epitaxy)微電子工藝田 麗第3章 外延l3.1 概述概述l3.2 氣相外延氣相外延l3.3 分子束外延分子束外延l3.4 其它外延其它外延l3.5 外延層缺陷及檢測外延層缺陷及檢測3.1 概述3.1.1外延概念 l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(xué)的方法，按襯底晶向排列（生長）單晶膜的工藝過程。l新排列的晶體稱為外延層，有外延層的硅片稱為（硅）外延片。l與先前描述的單晶生長不同在于外延生長溫度低于熔點許多l(xiāng)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、電阻率可不同。n/n+，n/p，GaAs/Si。3.1.2

2、 外延工藝種類 l按材料劃分：按材料劃分：同質(zhì)外延同質(zhì)外延和和異質(zhì)外延異質(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)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)l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

3、外延-高阻襯底上外延低阻層高阻襯底上外延低阻層l按外延層結(jié)構(gòu)分類按外延層結(jié)構(gòu)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 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)地位中一直占主導(dǎo)地位l同質(zhì)外延同質(zhì)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。l異質(zhì)外延異質(zhì)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

4、層與襯底材料不相同，甚至物理結(jié)構(gòu)也與襯底完全不同。同，甚至物理結(jié)構(gòu)也與襯底完全不同。GaAs/SiGaAs/Si 、SOISOI（SOSSOS）等材料就可通過異質(zhì)外延工藝獲得。）等材料就可通過異質(zhì)外延工藝獲得。 異質(zhì)外延的相容性異質(zhì)外延的相容性 1. 1. 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； 2.2.襯底與外延層熱力學(xué)參數(shù)相匹配，即熱膨脹系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溫度冷卻至室溫時，產(chǎn)數(shù)接近。以避免外延層由生長溫度冷卻至室溫時，產(chǎn)生殘余熱應(yīng)力，界面位錯，甚至外延層破裂。生殘余熱應(yīng)力，界面位

5、錯，甚至外延層破裂。 3.3.襯底與外延層襯底與外延層晶格參數(shù)晶格參數(shù)相匹配，即晶體結(jié)構(gòu)，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)力大的現(xiàn)象。與襯底接觸的界面晶格缺陷多和應(yīng)力大的現(xiàn)象。 異質(zhì)外延生長工藝的兩種類型異質(zhì)外延襯底和外延層的材料不同，晶體結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)不可能完全匹配。外延生長工藝不同，在外延界面會出現(xiàn)兩種情況應(yīng)力釋放帶來界面缺陷，或者在外延層很薄時出現(xiàn)贗晶贗晶（pseudomorphic） 晶格失配 lattice mismatch失配率l其中：其中：a外延層晶格參數(shù)；外延層晶格參數(shù)

6、； a襯底晶格參數(shù)。襯底晶格參數(shù)。有有熱膨脹失配系數(shù)熱膨脹失配系數(shù)和和晶格常數(shù)失配率晶格常數(shù)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(xué)性理和電學(xué)性質(zhì)質(zhì)晶格失配導(dǎo)致晶格失配導(dǎo)致外延膜中缺陷外延膜中缺陷密度非常高密度非常高 特點l外延生長時摻入雜質(zhì)的類型、濃度都可以外延生長時摻入雜質(zhì)的類型、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型、不多次外延工藝得到多層不同摻雜類型、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。 3.1.3

7、3.1.3 外延工藝用途外延工藝用途雙極型晶體管 優(yōu)勢：1.高的集電結(jié)擊穿電壓2.低的集電極串聯(lián)電阻l利用外延技術(shù)的pn結(jié)隔離是早期雙極型集成電路常采用的電隔離方法。 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SiO2pnpn結(jié)隔離示意圖結(jié)隔離示意圖l將CMOS電路制作在外延層上比制作在體硅拋光片上有以下優(yōu)點： 避免了閂鎖效應(yīng)； 避免了硅層中SiOx的沉積； 硅表面更光滑，損傷最小。 P阱阱n阱阱 制作在外延層上的雙阱制作在外延層上的雙阱CMOS剖面圖剖面圖l微波器件的芯片制造，需要具有突變雜質(zhì)分布的復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)襯底材料?？梢圆捎枚鄬油庋庸に噥韺崿F(xiàn)這類襯底材料的制備。 l

8、采用異質(zhì)外延的SOSCMOS電路，外延襯底為絕緣的藍寶石，能夠有效地防止元件之間的漏電流，抗輻照閂鎖；而且結(jié)構(gòu)尺寸比體硅CMOS電路小，因SOS結(jié)構(gòu)不用隔離環(huán)，元件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，就能達到電隔離要求，所以元件之間的間距很小，CMOS電路的集成度也就提高了。3.2 氣相外延l硅氣相外延硅氣相外延(vapor phase epitaxy(vapor phase epitaxy，VPE )VPE )，指，指含含SiSi外延層材料的物質(zhì)以外延層材料的物質(zhì)以氣相氣相形式輸運至襯底，形式輸運至襯底，在在高溫下分解高溫下分解或或發(fā)生化學(xué)反應(yīng)發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在單晶

9、襯底上生，在單晶襯底上生長出與襯底取向一致的單晶。長出與襯底取向一致的單晶。l與與CVDCVD（ChenmicalChenmical Vapor Deposition Vapor Deposition，化學(xué)汽相，化學(xué)汽相淀積）類似，是廣義上的淀積）類似，是廣義上的CVDCVD工藝工藝。外延工藝常用的硅源l四氯化硅四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是應(yīng)用最廣泛，也，是應(yīng)用最廣泛，也是研究最多的硅源是研究最多的硅源-主要應(yīng)用于傳統(tǒng)外主要應(yīng)用于傳統(tǒng)外延工藝延工藝l三氯硅烷三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和，和 SiCl4類似但溫度類似但溫度有所降低有所降低-常規(guī)外延生長常規(guī)外延生長l二氯硅烷

10、二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) -更低溫度，選擇更低溫度，選擇外延外延l硅烷硅烷SiH4，更適應(yīng)薄外延層和低溫生長要求，更適應(yīng)薄外延層和低溫生長要求，得到廣泛應(yīng)用。得到廣泛應(yīng)用。l新硅源：新硅源：二硅烷二硅烷Si2H6-低溫外延低溫外延3.2.1硅的氣相外延工藝硅的氣相外延工藝臥式氣相外延設(shè)備示意圖臥式氣相外延設(shè)備示意圖工藝步驟及流程l兩個步驟：兩個步驟： 準備階段：準備階段：準備硅基片和準備硅基片和進行基座去硅處理；進行基座去硅處理； 硅的外延生長硅的外延生長 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H

11、Cl腐蝕腐蝕H2沖洗沖洗降溫降溫N2沖洗沖洗工藝l外延生長工藝流程外延生長工藝流程： N2預(yù)沖洗預(yù)沖洗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拋光拋光H2沖洗附面層沖洗附面層外延生長（通入反應(yīng)外延生長（通入反應(yīng)劑及摻雜劑）劑及摻雜劑）H2沖洗沖洗1170降溫降溫N2沖洗沖洗作用是將硅基片表面殘存的氧化物（SiOx）以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，而且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。 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

12、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，用稀釋氣體攜帶進入反應(yīng)器。用稀釋氣體攜帶進入反應(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：為摻雜劑：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；PH3也用氫氣稀釋至也用氫氣稀釋至十十五十倍。五十倍。3.2.1 Si-Cl-H系統(tǒng)反應(yīng)過程SiCl2+H2 Sis+2HCl 2SiCl2 Sis+SiCl43.2.2氣相外延

13、原理 xSiH4熱分解外延 SiH4 Si（s）+2H2（g）l優(yōu)勢：優(yōu)勢： 1.反應(yīng)是不可逆的反應(yīng)是不可逆的，沒鹵化物產(chǎn)生，不存在反向腐蝕效，沒鹵化物產(chǎn)生，不存在反向腐蝕效應(yīng)，對反應(yīng)室也無腐蝕；應(yīng)，對反應(yīng)室也無腐蝕； 2.外延溫度低外延溫度低，一般是，一般是650-900 ，最低可在，最低可在600完完成，減弱了自摻雜和擴散效應(yīng)。成，減弱了自摻雜和擴散效應(yīng)。l問題：問題： SiH4在氣相中可自行分解，造成過早核化，對在氣相中可自行分解，造成過早核化，對外延層的晶體結(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；SiH4易氧化形成硅粉，要盡量避免氧化物質(zhì)和水汽的易氧

14、化形成硅粉，要盡量避免氧化物質(zhì)和水汽的存在，否則會影響外延層的質(zhì)量；缺陷密度高于存在，否則會影響外延層的質(zhì)量；缺陷密度高于SiCl4 氫還原法制作外延層；對反應(yīng)系統(tǒng)要求高氫還原法制作外延層；對反應(yīng)系統(tǒng)要求高 氣相質(zhì)量傳遞過程氣相質(zhì)量傳遞過程l邊界層邊界層指基座表面垂直于氣流方向上，氣流速度、反應(yīng)劑濃度、溫度受到擾動的薄氣體層。l基座表面做成斜坡狀，和氣流方向呈一定角度，角一般在310。 基座表面邊界層示意圖2 2 表面過程表面過程 本質(zhì)上是本質(zhì)上是化學(xué)分化學(xué)分解解和和規(guī)則排列規(guī)則排列兩兩個過程。個過程。SiHSiH4 4表面外延過表面外延過程實質(zhì)上包含了程實質(zhì)上包含了吸附吸附、分解分解、遷遷移

15、移、解吸解吸這幾個這幾個環(huán)節(jié)。環(huán)節(jié)。表面外延過程表表面外延過程表明外延生長是明外延生長是橫橫向向進行。進行。 表面外延過程示意圖SiH4= Si+2H23.2.3 外延速率的影響因素 溫度溫度 硅源硅源 反應(yīng)劑濃度反應(yīng)劑濃度 其它因素：襯底晶向其它因素：襯底晶向(110) (111)； 反應(yīng)室形狀；反應(yīng)室形狀； 氣體流速氣體流速 外延速率的影響因素（一）質(zhì)量傳遞質(zhì)量傳遞控制控制實際外延實際外延選此區(qū)選此區(qū)表面反應(yīng)表面反應(yīng)控制控制-1溫度對生長速率的影響溫度對生長速率的影響外延速率的影響因素(二)l硅源對生長速率的影響 含氯的Si-Cl-H體系 無氯的Si-H體系 l硅源不同，外延溫度不同,由高

16、到低排序的硅源為：SiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH4； 而外延生長速率正相反外延生長速率正相反。外延速率的影響因素（三）l反應(yīng)劑濃度對生長反應(yīng)劑濃度對生長速率的影響速率的影響SiCl4濃度與生長速率的關(guān)系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)象速率、溫度對結(jié)晶類型的影響-13.2.4 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：生長雜質(zhì)摻入效率依賴于：生長溫度、生長速率、氣流中摻溫度、生長速率、氣流中摻雜劑相對于硅源的摩爾數(shù)、雜劑相對于硅源的摩爾數(shù)、反應(yīng)室?guī)缀涡螤?，摻雜劑自反應(yīng)室?guī)缀涡螤?，摻雜劑自身特性。身特性。l有

17、雜質(zhì)再分布現(xiàn)象有雜質(zhì)再分布現(xiàn)象l自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng)l擴散效應(yīng)擴散效應(yīng)l影響：影響：改變外延層和襯底雜質(zhì)濃度及分布改變外延層和襯底雜質(zhì)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(jié)位置結(jié)位置自摻雜效應(yīng)(Autodoping)l自摻雜效應(yīng)是指高溫外延時，高摻自摻雜效應(yīng)是指高溫外延時，高摻雜襯底的雜質(zhì)反擴散進入氣相邊界雜襯底的雜質(zhì)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(xiàn)象現(xiàn)象 。l自摻雜效應(yīng)是氣相外延的本征效應(yīng)，自摻雜效應(yīng)是氣相外延的本征效應(yīng)，不可能完全避免。不可能完全避免。xSEeNxN)(假設(shè)1：外延層生長時外延劑中無雜質(zhì)，

18、雜質(zhì)來源于自摻雜效應(yīng) )1 ()(0 xEEeNxN假設(shè)2：襯底雜質(zhì)無逸出（或認為襯底未摻雜）)1 ()(0 xExSEeNeNxN界面雜質(zhì)疊加的數(shù)學(xué)表達式為 外延層雜質(zhì)濃度分布計算 生長指（常）數(shù)l(cm(cm-1-1) )由實驗確定。由實驗確定。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)，及生長過程反應(yīng)系統(tǒng)，及生長過程等因素有關(guān)等因素有關(guān): : As As比比B B和和P P更易蒸發(fā)更易蒸發(fā); ; SiCl SiCl4 4反應(yīng)過程中的反應(yīng)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?；U散效應(yīng)(Outdiffusion) l互（互（外）外

19、）擴散效應(yīng)，指在襯底中的擴散效應(yīng)，指在襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)在外延生長雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)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(zhì)濃度緩慢變化的現(xiàn)象。面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變化的現(xiàn)象。l不是本征效應(yīng)，是雜質(zhì)的不是本征效應(yīng)，是雜質(zhì)的固相固相擴散擴散帶來。帶來。 l若雜質(zhì)擴散速率遠小于外延生長速若雜質(zhì)擴散速率遠小于外延生長速率，襯底中的雜質(zhì)向外延層中擴散，率，襯底中的雜質(zhì)向外延層中擴散，或外延層中雜質(zhì)向襯底中的擴散，或外延層中雜質(zhì)向襯底中的擴散，都如同在半無限大的固體中的擴散。都如同在半無限大的固體中的擴散。l當襯底和外延層都摻雜時，外延層當襯底和外延

20、層都摻雜時，外延層中最終雜質(zhì)分布中最終雜質(zhì)分布+對應(yīng)對應(yīng)n/n+（p/p+）-對應(yīng)對應(yīng)p/n+（n/p+）tDxerfNtDxerfNxNEESSE212212)(0綜合效果 雜質(zhì)再分布綜合效果示意圖減小雜質(zhì)再分布效應(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，但這對，但這對As的自摻雜是無效。的自摻雜是無效。l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和其底面和側(cè)面，減少雜質(zhì)外逸。側(cè)面，減少雜質(zhì)外逸。l低壓外延低壓外延可減小自摻雜，這對砷，磷的效果顯可減小自摻雜，這對砷，磷的效果顯著，對硼的作用不明顯。著，對硼的

21、作用不明顯。l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(zhì)濃度。來降低襯底表面的雜質(zhì)濃度?？稍诼駥踊蛞r底上先生長未摻雜的薄膜來避免可在埋層或襯底上先生長未摻雜的薄膜來避免襯底中的雜質(zhì)外逸，再原位摻雜。襯底中的雜質(zhì)外逸，再原位摻雜。3.2.5 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3.2.6 外延方法l低壓外延低壓外延l選擇外延選擇外延lSOI技術(shù)技術(shù)低壓外延low-pressure epitaxy 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低壓氣體擴散速率快，襯底逸出雜質(zhì)可快速穿過邊界層低壓氣體

22、擴散速率快，襯底逸出雜質(zhì)可快速穿過邊界層（滯留層），被排除反應(yīng)室（滯留層），被排除反應(yīng)室,重新進入外延層機會減??；重新進入外延層機會減?。籰停止外延時，氣體易清除，多層外延時縮小了過渡區(qū)，停止外延時，氣體易清除，多層外延時縮小了過渡區(qū)，l溫度影響溫度影響 壓力降低，生長外延層溫度下限也降低壓力降低，生長外延層溫度下限也降低；l問題：易泄漏；基座與襯底間溫差大；基座、反應(yīng)室在減壓問題：易泄漏；基座與襯底間溫差大；基座、反應(yīng)室在減壓時放出吸附氣體；外延生長溫度低等時放出吸附氣體；外延生長溫度低等-外延層晶體完整性外延層晶體完整性受到一定影響受到一定影響選擇外延（Selective epitaxia

23、l growth，SEG）如何實現(xiàn)？如何實現(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)域生長外延層而其它區(qū)域不生長的技術(shù)。定區(qū)域生長外延層而其它區(qū)域不生長的技術(shù)。 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，選選擇性擇性，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

24、形成的小團的硅刻蝕掉；三種類型：三種類型： 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)為掩膜，在暴露的硅窗口內(nèi)生長外延；或在暴露的硅窗口內(nèi)生長外延，在掩膜生長生長外延；或在暴露的硅窗口內(nèi)生長外延，在掩膜生長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，在暴露的硅襯為掩膜，在暴露的硅襯底上刻圖形，再生長外延；底上刻圖形，再生長外延； 3.溝槽處外延生長溝槽處外延生長注意注意：窗口側(cè)壁的生長速率不規(guī)則性導(dǎo)致邊緣和中心生長速率差別的問題；晶面取向不同導(dǎo)致的生長特性差別；橫向超速外延（ELO, Extended Latera

25、l Overgrowth, ）注意注意：缺陷問題：缺陷問題SOI (Silicon on Insulator)技術(shù)lSOI的結(jié)構(gòu)特點的結(jié)構(gòu)特點是在有源層和襯底層之間插入是在有源層和襯底層之間插入埋氧層來隔斷二者的電連接。埋氧層來隔斷二者的電連接。 lSOI和體硅在電路結(jié)構(gòu)上的主要差別在于和體硅在電路結(jié)構(gòu)上的主要差別在于：硅：硅基器件或電路制作在外延層上，器件和襯底基器件或電路制作在外延層上，器件和襯底直接產(chǎn)生電連接，高低壓單元之間、有源層直接產(chǎn)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和襯底層之間的隔離通過反偏PN結(jié)完成，而結(jié)完成，而SOI電路的有源層、襯底、高低壓單元之間都電

26、路的有源層、襯底、高低壓單元之間都通過絕緣層完全隔開，各部分的電氣連接被通過絕緣層完全隔開，各部分的電氣連接被完全消除。完全消除。 lSDB (Silicon Direct Bonding)直接鍵合與背面腐直接鍵合與背面腐蝕蝕BE（Back Etching）技術(shù)）技術(shù)lSIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注氧注入隔離入隔離lSmart Cut智能切割智能切割lELTRAN (Epitaxy Layer Transfer)外延層轉(zhuǎn)移外延層轉(zhuǎn)移目前最常用技術(shù)目前最常用技術(shù)SOS (Silicon on Sapphire 或 Spinel)技術(shù)lSOS 是

27、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)l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，以它們作為，以它們作為襯底外延生長硅制作集成電路，可以消除集成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，不但可以減少漏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，增強抗輻射能力和降低功耗，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，是大規(guī)模、超還可以提高集成度和雙層布線，是大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路的理想材料。大規(guī)模集成電路的理想材料。lSOS工藝：工藝：SiH4或或

28、SiH2Cl2，約約1000VPE。3. 分子束外延l分子束外延（molecular beam epitaxy, MBE）是一種物理汽相外延工藝，多用于外延層薄、雜質(zhì)分布復(fù)雜的多層硅外延，也用于-族、-族化合物半導(dǎo)體及合金、多種金屬和氧化物單晶薄膜的外延生長。 3.3.1 工藝及原理 lMBE指在超高真指在超高真空下，熱分子束空下，熱分子束由噴射爐噴出，由噴射爐噴出，射到潔凈的單晶射到潔凈的單晶襯底表面，生長襯底表面，生長出外延層。出外延層。l MBE是物理氣相是物理氣相外延工藝。外延工藝。 3.3.2 3.3.2 外延設(shè)備外延設(shè)備（噴射爐）（噴射爐）（襯底基座）（襯底基座）（空氣鎖）（空氣鎖

29、）生長室，噴射爐，生長室，噴射爐，監(jiān)控監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)，真空系統(tǒng)，裝片，真空系統(tǒng)，裝片系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成系統(tǒng)及控制系統(tǒng)組成原位監(jiān)測系統(tǒng)原位監(jiān)測系統(tǒng)l四極質(zhì)譜儀四極質(zhì)譜儀，用以監(jiān)測分子束的流量和殘余氣體。，用以監(jiān)測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)(AES)，用來測定表面的化學(xué)，用來測定表面的化學(xué)成份。成份。l離子槍離子槍，用于襯底表面外延前和外延表面實時清潔。，用于襯底表面外延前和外延表面實時清潔。l由電子槍和熒光屏組成的由電子槍和熒光屏組成的高能電子衍射儀高能電子衍射儀(HEED)(HEED)，其電子束以小角度（其電子束以小角度（1-21-2）投向襯底。電子

30、束被）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，所生長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。 MBE設(shè)備照片3.2 MBE特點l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。l溫度低溫度低，(100)Si 最低外延溫度最低外延溫度470K，所以，所以無雜質(zhì)的再分布現(xiàn)象。無雜質(zhì)的再分布現(xiàn)象。l外延分子外延分子由噴射爐噴出，速率可調(diào)，由噴射爐噴出，速率可調(diào)，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，厚度停，能生長

31、極薄外延層，厚度可薄至可薄至量級。量級。MBE特點（續(xù)）l設(shè)備上有多個噴射口，可生長設(shè)備上有多個噴射口，可生長多層、雜質(zhì)分布多層、雜質(zhì)分布復(fù)雜的外延層復(fù)雜的外延層，最多層數(shù)可達，最多層數(shù)可達104層。層。l在整個外延過程中在整個外延過程中全程監(jiān)控全程監(jiān)控，外延層質(zhì)量高。，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、價格昂貴設(shè)備復(fù)雜、價格昂貴MBE所需超高真空限制了其在ULSI中應(yīng)用3. 其它外延l3.1液相外延液相外延l3.2固相外延固相外延l3.4.3 先進外延技術(shù)及發(fā)展趨勢先進外延技術(shù)及發(fā)展趨勢l液相外延是利用溶液的飽和

32、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(jié)晶析出在襯底上進行變化而變化，使溶液結(jié)晶析出在襯底上進行外延的方法。外延的方法。l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，常用的溶劑有常用的溶劑有錫、鉍、鉛及其合金錫、鉍、鉛及其合金等。等。 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時時溶液飽和，當降低溫度溶液飽和，當降低溫度10-30時溶液過飽和，時溶液過飽和，硅析出，在單晶硅襯底上生長出外延層。硅析出，在單晶硅襯底上生長出外延層。 3.4.1 液相外延liquid phase epitaxy, LPE 3.4

33、.2 固相外延solid phase epitaxy, SPE l固相外延固相外延 (solid phase epitaxy, SPE)是將晶體襯底上的非晶（或多晶）薄膜是將晶體襯底上的非晶（或多晶）薄膜（或區(qū)域）在高溫下退火，使其轉(zhuǎn)化為（或區(qū)域）在高溫下退火，使其轉(zhuǎn)化為單晶單晶 。l離子注入時，損傷造成的非晶區(qū)和非晶離子注入時，損傷造成的非晶區(qū)和非晶層經(jīng)退火晶化過程就是固相外延。層經(jīng)退火晶化過程就是固相外延。lSPE工藝的關(guān)鍵是工藝的關(guān)鍵是工藝溫度和保溫時間工藝溫度和保溫時間。 3.4.3 先進外延技術(shù)及發(fā)展趨勢先進外延技術(shù)及發(fā)展趨勢 超高真空化學(xué)汽相淀積超高真空化學(xué)汽相淀積l1986年由年

34、由IBM提出，生長室氣壓可達提出，生長室氣壓可達10 - 7 Pa，源，源SiH4，襯底為晶格完好的單晶硅，在，襯底為晶格完好的單晶硅，在600750之之間，甚至更低溫度淀積薄膜為單晶硅間，甚至更低溫度淀積薄膜為單晶硅 l優(yōu)勢：優(yōu)勢： 工藝溫度低工藝溫度低，制備雜質(zhì)陡變分布的薄外延層；，制備雜質(zhì)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(shè)備操作維護比較簡單，易于實現(xiàn)設(shè)備操作維護比較簡單，易于實現(xiàn)批量生產(chǎn)批量生產(chǎn)。l廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)界廣泛應(yīng)用于產(chǎn)業(yè)界 3.4.3 先進外延技術(shù)及發(fā)展趨勢先進外延技術(shù)及發(fā)展趨勢例：例：GaAs/Si外延外延l當前較

35、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：lAs氣氛中，約氣氛中，約900熱處理；熱處理；l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；l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(zhuǎn)化為在此期間一步生長的非晶也轉(zhuǎn)化為單晶單晶 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(xué)氣相淀積金屬有機物化學(xué)氣相淀積MOC

36、VD） 主要制備化合物半導(dǎo)體單晶薄膜主要制備化合物半導(dǎo)體單晶薄膜 3.4.3 先進外延技術(shù)及發(fā)展趨勢先進外延技術(shù)及發(fā)展趨勢l化學(xué)束外延（chemical beam epitaxy, CBE）l20世紀80年代中期，綜合MBE的超高真空條件下的束流外延可以原位監(jiān)測及MOCVD的氣態(tài)源等優(yōu)點。l與CBE相關(guān)的還有氣態(tài)源分子束外延 (GSMBE)和金屬有機化合物分子束外延(MOMBE)。 3.5 外延層缺陷及檢測 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、分析外延層缺陷器件的性能，所以應(yīng)檢測、分析外延層缺陷及產(chǎn)生原因，并對外延層特征量進行測試：及

37、產(chǎn)生原因，并對外延層特征量進行測試：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層錯法測外延層厚度層錯法測外延層厚度l檢測內(nèi)容檢測內(nèi)容l電阻率測量電阻率測量3.5.1 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)缺陷會顯現(xiàn)在表面。（體內(nèi)缺陷）。通常體內(nèi)缺陷會顯現(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：體內(nèi)缺陷： 層錯層錯 位錯位錯線缺陷外延層外延層（111）襯底）襯底劃痕點缺陷角錐體層錯霧狀表面

38、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：由機械損傷引起劃痕：由機械損傷引起層錯（堆積層錯），它是外延層中最常見的內(nèi)部缺陷，層錯本身是一種面缺陷，是由原子排列次序發(fā)生錯亂所引起的。 層錯法測外延層厚度l 層錯源于界面的圖形大于層錯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，在腐蝕時只薄一定厚度，在腐蝕時只要能顯示圖形就可以，時要能顯示圖形就

39、可以，時間不應(yīng)過長。計算厚度時，間不應(yīng)過長。計算厚度時，應(yīng)考慮腐蝕對厚度的影響。應(yīng)考慮腐蝕對厚度的影響。lTl外延層外延層襯底襯底llT816.032（111）方向硅的層錯形狀方向硅的層錯形狀3.5.2 圖形漂移和畸變 Si各向異性各向異性是出現(xiàn)漂移和畸是出現(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。對于小。對于(111)晶片取向晶片取向25，影響最小，影響最小3.5.3 檢測內(nèi)容l鏡檢鏡檢l晶格完好性晶格完好性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

40、求擴展電阻法測電阻率l擴展電阻法，可測量微區(qū)的電阻率或電阻擴展電阻法，可測量微區(qū)的電阻率或電阻率分布率分布l其他測電阻率方法：四探針法，其他測電阻率方法：四探針法，C-V法法擴展電阻法l金屬探針嵌入一個金屬探針嵌入一個半無限均勻的半導(dǎo)半無限均勻的半導(dǎo)體，半導(dǎo)體和金屬體，半導(dǎo)體和金屬電阻率相差幾個數(shù)電阻率相差幾個數(shù)量級，歐姆接觸，量級，歐姆接觸，接觸點電流呈輻射接觸點電流呈輻射狀擴展，沿徑向電狀擴展，沿徑向電阻是不等的，接觸阻是不等的，接觸電阻電阻R稱為擴展電阻。稱為擴展電阻。擴展電阻法（續(xù)）l擴展電阻主要集中在接觸擴展電阻主要集中在接觸點附近的半導(dǎo)體中。點附近的半導(dǎo)體中。l實際上金實際上金/半接觸兩者功函半接觸兩者功函數(shù)有差別，存在接觸勢壘，數(shù)有差別，存在接觸勢壘，勢壘高度與溫度、探針材勢壘高度與溫度、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具體測量，應(yīng)保證：具體測量，應(yīng)保證： 零偏電