集成电路制造技术——原理与工艺（第3版）课件 第2章 外延.pptx

;第2 章;2.1 概述;外延概述;;;外延的用途 外延双极型晶体管 高的集电结击穿电压;外延工艺用途;;第2 章;2.1 概述;气相外延;JI CHENG DIAN LU ZHI ZAO JI SHU;反应器;外延生长工艺流程 N2预冲洗 H2预冲洗 升温至850℃升温至1170℃ HCl排空 HCl抛光 H2冲洗附面层 外延生长（通入反应剂及掺杂剂） H2冲洗 降温 N2冲洗;外延气体;掺杂气体 掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如PH3、B2H6、AsH3等掺杂剂需要用氢稀释十~五十倍，以减小掺杂气体的流量误差 本例掺杂剂为PH3，用H2稀释 反应式为： 2PH3（H2） → 2P+5H2↑;;第2 章;2.1 概述;气相外延;1. 气相质量传递过程 依据流体动力学原理分析反应器内气流特点： 分子自由程： D 反应器内是粘滞性气体 控制气流为层流： 临界值 气流为泊松流，流速是抛物线型，基座表面流速为零;1. 气相质量传递过程 边界层指基座表面垂直于气流方向上，外延剂浓度、气流速度、温度受到扰动的薄气体层。;2. 表面外延过程 表面外延过程实质上包含了四个步骤：;外延生长 是横向进行的，在衬底台阶的 结点位置发生。;;1. 温度对外延速率的影响 气相质量传递过程由扩散决定： 扩散是温度的缓变函数 实际上气相扩散在较低温度就能实现。表面外延过程 由吸附、反应、迁移、解吸构成，由化学反应决定： 化学反应是一个激活过程，温度升高反应速率呈指数增快。;1. 温度对外延速率的影响;2. 硅源对外延速率的影响;SiCl4+H2?Si+HCl;4. 其它影响外延速率的因素;;第2 章;2.1 概述;气相外延;1. 自掺杂效应;1. 自掺杂效应 假设1：生长外延层时，外延气体中无杂质，杂质来源于自掺杂效应 外延层杂质浓度为： 假设2：衬底杂质没有逸出外延层杂质浓度为： 自掺杂后，外延层杂质浓度为：;2. 互扩散效应;2. 互扩散效应 外延速率远大于杂质扩散速率，衬底中的杂质向外延层扩散，或者外延层中杂质向衬底扩散，都如同杂质在半无限大固体中的扩散。;3. 杂质再分布及其降低措施;;第2 章;2.1 概述;外延设备与技术;;2. 选择外延(SEG);;3. SOI技术;;第2 章;2.1 概述;分子束外延;硅MBE工艺流程：;原理与方法 外延生长：开喷射炉，控制工作压力10-4Pa??到达衬底原子被物理吸附→迁移至结点→ 化学吸附→被覆盖，生长速率约0.1μm/min 掺杂：选黏附系数大、停留时间长的杂质，如Sb、Ga、Al 黏附系数：化学吸附原子数与入射原子数的比值 停机;;MBE特点 超高真空度 外延过程污染少，外延层洁净； 温度低 无杂质的再分布现象； 外延过程可控性强 能生长极薄外延层，厚度可薄至?量级； 多个喷射炉可以同时或顺序工作 适合生长多层、杂质分布复杂的外延层； 全程监控 外延层质量高，适合用于新材料外延机理研究。 设备复杂、生产费用高，是单片工艺生产效率低。;;第2 章;2.1 概述;其它外延方法;液相外延 方法： 水平滑动法和垂直浸入法与VPE和MBE比较：;固相外延（SPE） 是将晶体衬底上的非晶或多晶薄膜（或者区域），在高温下退火，使其转化为单晶层的外延。 离子注入掺杂工艺中，损伤造成的非晶区和非晶层，必须要经过退火晶化，其实就是固相外延。 SPE工艺的关键是温度和保温时间。;先进外延技术及发展趋势 在原有工艺基础上的改进、完善、提高： VPE工艺温度的不断降低； MBE原位监控装置的更加完备； SPE出现的快速退火工艺等。 多种技术组合形成了先进的外延工艺：超高真空化学汽相淀积； 金属有机化合物化学气相外延；化学束外延。;超高真空化学汽相淀积（UHV/CVD） 化学汽相淀积(chemical vapor Deposition,CVD)是以气相方式输运含源物质，使其发生化学反应，固相生成物淀积在衬底上形成薄膜的工艺技术。 超高真空CVD：生长室真空度约10-7Pa，以SiH4为源，在600~750℃之间，可以在硅单晶衬底上生长出硅单晶外延层。 特点： 工艺温度低，能生长杂质陡变分布的薄外延层； 真空度高，减少了残余气体带来的污染； 设备操作维护比较简单，易于实现批量生产。;金属有机化合物化学气相外延 金属有机化合物化学气相外延（Metal organic chemical vapor deposition，MOCVD）是在VPE基础上发展起来的； 以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物作为晶体生长源材料，以热分解反 应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、 Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体外延层。;金属有机化合物化学气相外延;化学束外延;;第2 章;2.1 概述;雾圈;(111)Si的三种