第三章外延课件.pptx

半导体工艺原理;硅气相外延的基本原理 外延层中的杂质分布 低压外延 选择外延 SOS技术 MBE（分子束外延） 外延层厚度和电阻率的测量;外延：是指在单晶衬底(如硅片)上，按衬底晶向生长单晶薄膜的工艺过程。 同质外延：生长的外延层和衬底是同一种材料。 异质外延：外延生长的薄膜与衬底材料不同，或者生长化学组分、物理结构与衬底完全不同的外延层。（如在蓝宝石或尖晶石上生长硅）;如图所示，CMOS器件是做在很薄的轻掺杂p型的外延层上。;3.1 硅气相外延的基本原理;3.1.2 外延薄膜的生长模型;在外延生长过程中，反应剂被生长的表面吸附，反应后生成硅和副产物，副产物立即被排出，硅原子始终保持被表面吸附的状态，被吸附的硅原子称为吸附原子。; 如果吸附原子具有比较高的能量，那么这个原子更倾向于沿着表面迁移，如果迁移到一个台阶边缘的位置，如图B位置，由于Si-Si键的相互作用，位置B比位置A更稳定，吸附原子就有很大的可能性保持在此位置。 吸附原子最稳定的位置是所谓的扭转位置（kink position），如图中的位置C。当吸附原子到达一个扭转位置时，形成了一半的Si-Si键，进一步的迁移就不易发生。 在继续生长过程中，更多的吸附原子必定会迁移到扭转位置，从而加入到生长的薄膜中。; 薄膜生长是依靠晶体表面台阶的横向运动进行的，即为二维层状生长模型。 高质量的外延生长需要非常清洁的硅表面。因为外延是横向生长的，晶体表面的杂质会阻碍生长，进而在薄膜上产生层错或位错缺陷。;在高生长速率的情况下，吸附原子没有足够的时间迁移到扭转点，会形成多晶； 随温度升高，硅原子表面迁移率增强，在与其他吸附原子形成硅串之前就已经到达了扭转点，易形成单晶。 在固定淀积温度下，存在一个最大淀积率。超过最大淀积率，会生成多晶薄膜；低于最大淀积率，生成单晶外延层。 高温低生长速率时，易生长单晶；而低温高生长率易生成多晶。 ;3.1.3 化学反应过程;如图所示， SiCl4浓度随离入气口的水平距离的增加而减小，其他三种成份浓度随离入气口的水平距离增加而上升 。; 所有的反应都是可逆的???在适当的热力学条件下，反应可以逆向进行。硅也会在氯硅烷环境中被腐蚀掉。 ;3.1.4 生长速率与温度之间的关系;低温区(A区)：生长速率对温度变化非常敏感。生长速率是由表面化学反应控制，化学反应激活能约为1.5eV，与所使用的硅源无关，说明控制反应速率的机制相同。;3.1.5 生长速率与反应剂浓度的关系; 当SiCl4浓度大到一定程度时，化学反应释放硅原子速度大于硅原子在衬底表面的排列生长速度，此时生长速率受硅原子在衬底表面排列生长的速度控制。 进一步增大 SiCl4浓度，也就是当氢气中SiCl4的摩尔百分比达到0.1时，生长速率就开始减小。当氢气中SiCl4的摩尔百分比增长到0.27时，逆向反应发生，硅被腐蚀。当氢气中SiCl4的摩尔分数大于0.28时，只存在腐蚀反应。;3.1.6 生长速率与气体流速的关系;3.1.7 衬底晶向对生长速率的影响;3.2 外延层中的杂质分布; 杂质原子是在外延生长过程中掺入到外延层的晶格中。杂质淀积过程和外延层生长过程相似，也存在质量输运和表面化学反应控制两个区域。因杂质源和硅源的化学动力学性质不同，杂质源使外延生长过程变得更为复杂。;3.2.2 扩散效应;3.2.3 自掺杂效应; 在重掺杂衬底上生长含有相同导电类型的轻掺杂外延层时，杂质浓度分布右图中(a)所示。 在轻掺杂衬底上，生长不同导电类型的重掺杂外延层，杂质分布情况如图中(b)所示。由图可见，在外延过程中由于自掺杂效应的影响，引起pn结位置的移动。;紧靠近衬底的外延层(A区)，掺杂浓度高，这是因为在外延生长过程中掺杂剂从衬底扩散到外延层中。 与扩散速度相比，外延生长速度要大得多，因此很快就抑制了这种影响。B区是自掺杂效应对过渡区的影响。 当外延层生长一定厚度时，自掺杂效应影响也降低，外延层中杂质浓度达到期望值。;(1) 为了减小B的自掺杂，保证外延质量和速度前提下，尽量降低外延生长温度。但对于As杂质无效，As的自掺杂程度随着温度的降低而增强。 (2) 对于n型衬底，应该使用蒸气压低并且扩散速率也低的杂质作为埋层杂质。如用Sb替代高蒸气压的As和高扩散速率的P。 (3) 外延系统应当工作在低压条件下，此时气态杂质原子的扩散速率高，由衬底逸出的大部分杂质被主气流带出反应室。对As和P的效果显著，而对B的作用不明显。 (4) 可以在埋层或者衬底上生长未掺杂的薄膜（本征层）来避免衬底中的杂质外逸，之后再进行原位掺杂。 (5) 应当避免在高温下采用HCl对衬底进行腐蚀，或者在腐蚀之后使用低温气流除去因腐