第六章外延生长演示幻灯片.ppt

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,*,第六章 外延生长,（Epitaxial Growth）,1,外延生长（Epitaxial Growth）工艺,概述,气相外延生长的热动力学,外延层的掺杂与缺陷,硅气相外延工艺,小结,参考资料：,微电子制造科学原理与工程技术,第,14,章,（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）,2,外延层,界面,衬底,一、概述,按衬底晶相延伸生长的,新生单晶薄层,外延层,。,长了外延层的衬底,外延片,。,同质外延,：,异质外延,：,掺入杂质,可改变外延,层的,电学特性,。,交替生长不同的外延,层,可制作,超晶格结构,。,1、,外延,工艺的,定义,：,在,单晶衬底,上生长,单晶薄膜,的技术。,2、外延工艺的,分类,：,(1)按材料,3,三种,外延工艺,的示意图,(2)按晶格畸变程度,4,a.,气相外延工艺,（,V,por-,P,hase,E,pitaxy,）,b.,液相外延工艺,（,L,iquid-,P,hase,E,pitaxy,）,超高真空蒸发,3、,外延层的作用：,独立控制薄膜,晶体结构,（组分）、,厚度,、,杂质种类及掺杂分布,(1),双极工艺：,器件隔离,、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾,(2),CMOS,工艺：,减小闩锁（,Latch-up,）效应,(3)GaAs,工艺：,形成特定的器件,结构层,(4),其他：,制作,发光二极管,、,量子效应器件,等,d.,其他,：,RT,CVD,外延、,UHV,CVD,外延、离子束外延等等,c.,分子束外延,（,M,olecular,B,eam,E,pitaxy,）,(3)按工艺原理,5,二、气相外延生长的热动力学,与,氧化模型,类似，假设粒子穿过气体边界层的流量,与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。,其中，,h,g,是,质量传输系数,，,K,s,是表面,反应速率系数,，,C,g,和,C,s,分别是,气流中和圆片表面的,反应剂浓度,。,外延薄膜,生长速率,可写为：,其中，,N,是硅原子密度,（,5,10,23,cm,-3,）,除以反应剂分子中的硅原子数。,K,s,h,g,时,，,R,由,气相质量传输,决定,K,s,0,因此，系统处于,外延生长状态,。,15,a.,Cl,的含量增加,后，,超饱和度下降,，当,SiCl,4,含量为,20,30,时，,由外延生长转为刻蚀,。,b.,当,SiCl,4,含量为,10,左右时，外延生长速率有一个,最大值,？,超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气,相,质量输运限制,的。,c.,超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式,有关）。,结 论,16,4、薄膜生长的三种模式：,(1)逐层生长,（Layer Growth）,理想的外延生长模式,(2)岛式生长,（Island Growth）,超饱和度值越大，吸,附分子主要在台面中,心结团生长。,(3)逐层+岛式生长,（Layers and Islands Growth）,17,5、硅片表面的化学反应,(1),在,化学反应限制区,，不同硅源的,化学反应激活能,是相似的。,(2),一般认为，硅,外延速率,受限于,H,从硅片表面的,解吸附过程,。,(3),硅片表面的主要反应剂是,SiCl,2,，反应剂是以物理方式吸附,在硅片表面。,18,图,14.8,不同硅源外延淀积速率与温度的关系,19,三、外延层的掺杂与缺陷,(1)无意识掺杂源：,衬底固态源,、,气态自掺杂,。,a.衬底固态源,在外延过程中的扩散决定了外延层,-,衬底分界面,附近的杂质分布。,当外延生长速率,时，,外延层杂质分布服从余误差分布。,b.气相自掺杂,：,衬底中杂质从圆片表面解吸出来，在气相中,传输，并再次吸附到圆片表面。,其杂质分布的表达式为：,其中，,f,是陷阱密度，,N,os,是表面陷阱数，,x,m,是迁移宽度。,1、外延层的掺杂：,无意掺杂,与,有意识掺杂,。,20,(2)有意掺杂：,最常用的掺杂源,B,2,H,6,AsH,3,PH,3,外延层掺杂的杂质分布示意图,21,(1)外延层中的缺陷种类：,体内缺陷,与,表面缺陷,a.,体内缺陷,：,堆跺层错与位错，由衬底缺陷延伸或外延工艺引入,b.,表面缺陷,：,表面凸起尖峰、麻坑、雾状缺陷等,通过改进衬底制备工艺、清洗工艺和外延工艺条件，可极大,改善上述缺陷密度。,2、外延生长缺陷,(2)外延层的图形漂移：,外延生长速率与晶向有关，,111,面的图形漂移最严重。,22,四、硅的气相外延工艺,1、反应原理：,外延工艺一般在常压下进行,氢还原反应：,硅烷分解反应：,反应,温度,、反应剂,浓度,、气体,流速,、反应,腔形状结构,、,衬底,晶向,等。,低缺陷密度、厚度及其均匀性、掺杂杂质的再分布最小,2、影响外延生长速率的主要因素：,3、外延层的质量：,23,(1)化学清洗工艺：,高纯度,化学溶液清洗,高纯度,去离子水冲洗,高纯度,N,2,甩干,SC-1,的主要作用是去,除微颗粒,，利用,NH,4,OH,的弱碱性来活化硅,的表面层，将附着其上的,微颗粒,去除,SC-2,的主要作用是去除金属离子，利用,HCl,与金属离子的化合作,用来有效去除,金属离子,沾污,SC-3,的主要作用是,去除有机物,（主要是残留光刻胶），利用,H,2,SO,4,的强氧化性来破坏有机物中的碳氢键结,4、硅外延前的清洗工艺：,去除表面氧化层、杂质（有机物、无机物金属离子等）和颗粒,24,DHF,的主要作用是去除自然氧化层,b.,外延生长,：,SiH,2,Cl,2,H,2,c.,冷却,：,惰性气体冲洗腔室，降温到维持温度。,图,14.25,在,VPE,反应腔内生长,1,m,厚度硅外延层的典型温度,/,时间过程,(2)硅外延加工工艺的过程,a.,预清洗,：,H,2,、,H,2,/HCl,混合气氛或真空中去除自然氧化层,25,a.,快速热处理工艺,：,SiH,2,Cl,2,在高温下进行,短时外延,b.,超高真空,CVD,外延,：,低温低气压,下，硅烷分解形成硅外延层,图,14.26A RTCVD,外延系统示意图,(3)先进的硅外延工艺：,26,a.,卤化物,GaAs,气相外延,：,HCl+AsH,3,气体流过加热的固体,Ga,源，,生成,GaCl,气体，输运至圆片表面生成,GaAs,。,b.,金属有机物化学气相淀积（,MOCVD,）：,用于生长高质量,（具有原子层级的突变界面）,III,V,族化合物,c.,分子束外延（,MBE,）技术,：,生长厚度精度为原子层级，膜质,量为器件级的外延层,(4)其他外延工艺,27,图,14.14,各种外延,生长技术的温度和,气压范围,28,硅的气相外延技术：,VPE,的热动力学：,Deal,模型与连续步骤模型。,Si,Cl,H,系统中的气相反应，超饱和度概念。,外延层的掺杂与缺陷。,硅气相外延工艺：反应原理、工艺过程与先进技术。,其他的外延技术：,MOCVD,、,MBE,等等,小结,29,教材第,393,页，第,2,、,5,题,课后作业,30,