哈工大微电子工艺(3)----第七章外延
综合效果
7.3.3减小自掺杂效应措施
降低外延温度， 采用SiH2Cl2, SiHCl3；或SiH4， 降低外延温度，p-Si采用 采用 但这对As的自掺杂是无效 的自掺杂是无效。 但这对 的自掺杂是无效。 对于n-Si衬底，用蒸气压低、扩散速率也低的锑作为 衬底， 对于 衬底 用蒸气压低、 埋层杂质，但锑难以达到很高的掺杂浓度。 埋层杂质，但锑难以达到很高的掺杂浓度。 重掺杂的衬底，用轻掺杂的硅来密封其底面和侧面， 重掺杂的衬底，用轻掺杂的硅来密封其底面和侧面， 减少杂质外逸。 减少杂质外逸。 低压外延可减小自掺杂，这对砷，磷的效果显著， 低压外延可减小自掺杂，这对砷，磷的效果显著，对 硼的作用不明显。 硼的作用不明显。 用离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度。 用离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度。 可在埋层或衬底上先生长未掺杂的薄膜来避免衬底中 的杂质外逸，再原位掺杂。 的杂质外逸，再原位掺杂。 避免高温下用HCl对衬底进行腐蚀、或腐蚀后用低温 对衬底进行腐蚀、 避免高温下用 对衬底进行腐蚀 气流除去因腐蚀外逸的杂质。 气流除去因腐蚀外逸的杂质。
SiCl4摩尔浓度 大于0.27出现 大于 出现 腐蚀现象
7.3 外延层中的杂质分布
掺杂采用原位气相掺杂。 掺杂采用原位气相掺杂。 杂质掺入效率依赖于： 杂质掺入效率依赖于：生 长温度、生长速率、 长温度、生长速率、气流 中掺杂剂相对于硅源的摩 尔数、反应室几何形状， 尔数、反应室几何形状， 掺杂剂自身特性。 掺杂剂自身特性。 有杂质再分布现象
扩散效应 自掺杂效应
7.3.1 扩散效应
扩散效应也叫互(或外 扩散， 扩散效应也叫互 或外) 扩散，指在 或外 衬底中的杂质与外延层中的杂质在 外延生长时互相扩散， 外延生长时互相扩散，引起衬底与 外延层界面附近的杂质浓度缓慢变 化的现象。 化的现象。 若杂质扩散速率远小于外延生长速 衬底中的杂质向外延层中扩散， 率，衬底中的杂质向外延层中扩散， + +对应 对应n/n （p/p+） 对应 或外延层中杂质向衬底中的扩散， 或外延层中杂质向衬底中的扩散， 都如同在半无限大的固体中的扩散。 都如同在半无限大的固体中的扩散。 +（n/p+） -对应 对应p/n 对应 当衬底和外延层都掺杂时， 当衬底和外延层都掺杂时，外延层 中最终杂质分布
双极器件和电路主要是为了减小集电
7.1.3 用途
b e n+ p SiO2 n-Si外延层 外延层 n+Si衬底 衬底
极串联电阻，以降低饱和压降与功耗。特 极串联电阻，以降低饱和压降与功耗。 别，在集成电路芯片中，还与实现隔离有 在集成电路芯片中， 这时往往还要加设埋层。 关，这时往往还要加设埋层。
F2∝e-EA/kT
速率、温度对结晶类型的影响
-1
7.2.3 设备
卧式气相外延设备示意图
设备
立式和桶式外延装置示意图
气相外延设备
7.2.3 工艺
工艺分两个步骤进行，先是准备阶段， 工艺分两个步骤进行，先是准备阶段，进行 基座去硅处理，去除前次外延在基座、 基座去硅处理，去除前次外延在基座、反应 器上附着的硅及其它杂质； 器上附着的硅及其它杂质；然后再进行硅的 外延生长。 外延生长。 基座去硅的工艺流程： 基座去硅的工艺流程： N2预冲洗→H2预冲洗→升温至 ℃→升温至 预冲洗 预冲洗 升温至850℃ 升温至 升温至 1170℃→HCl排空 排空→HCl腐蚀 腐蚀→H2冲洗 降温 冲洗→降温 ℃ 排空 腐蚀 →N2冲洗
7.1.2 特点
外延生长时掺入杂质的类型、 外延生长时掺入杂质的类型、浓度都可以 与衬底不同， 与衬底不同，增加了微电子器件和电路工 艺的灵活性。 艺的灵活性。 多次外延工艺得到多层不同掺杂类型、 多次外延工艺得到多层不同掺杂类型、不 同杂质含量、不同厚度， 同杂质含量、不同厚度，甚至不同材料的 外延层。 外延层。 异质外延， 异质外延，如GaAs/Si、SOI（SOS）等技 、 （ ） 术
Байду номын сангаас
7.2.1 硅源
四氯化硅， 四氯化硅，SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也是研究 ，是应用最广泛， 最多的硅源。但需要很高的温度， 最多的硅源。但需要很高的温度，已不适应现今集 成电路工艺的要求--------主要应用于传统外延工艺 成电路工艺的要求 主要应用于传统外延工艺 三氯硅烷， 三氯硅烷，SiHCl3(TCS)，和 SiCl4类似但温度有所 ， 降低----常规外延生长 降低 常规外延生长 二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) ----更低温度，选择外延 更低温度， 二氯硅烷 更低温度 硅烷SiH4，更适应薄外延层和低温生长要求，得到 更适应薄外延层和低温生长要求， 硅烷 广泛应用。 广泛应用。 新硅源：二硅烷Si 新硅源：二硅烷 2H6-----低温外延 低温外延
工艺
外延生长工艺流程： 外延生长工艺流程 N2预冲洗 预冲洗→H2预冲洗升温至 预冲洗升温至850℃→升 ℃ 升 温至1170℃→HCl排空 排空→HCl抛光 抛光→H2 温至 ℃ 排空 抛光 冲洗附面层→外延生长 外延生长（ 冲洗附面层 外延生长（通入反应剂及 掺杂剂） 冲洗1170℃→降温 降温→N2冲 掺杂剂）→H2冲洗 ℃ 降温 洗
7.3.4 Si-Cl-H系统反应过程
SiCl2+H2 2SiCl2
Sis+2HCl Sis+SiCl4
7.2.5 外延速率的影响因素
质量传递 控制 实际外延 选此区
表面反应 控制
-1
外延速率的影响因素
外延生长两个过程控制： 外延生长两个过程控制： 1.H还原 还原SiCl4析出硅原子 还原 2.Si原子在衬底上生成单晶层 原子在衬底上生成单晶层 影响速率的因素 反应剂浓度 气体流速v↑G ↑ 气体流速 衬底晶向(110)> (111) 衬底晶向 反应室形状
生长指（常）数Φ
Φ(cm-1)由实验确定。 由实验确定。 由实验确定 与掺杂剂、化学反应、 与掺杂剂、化学反应、 反应系统， 反应系统，及生长过 程等因素有关:As比 程等因素有关 比B 更易蒸发;氯硅烷 和P更易蒸发 氯硅烷 更易蒸发 反应过程中的Φ要比 反应过程中的 要比 硅烷的小;边界层越厚 边界层越厚， 硅烷的小 边界层越厚， Φ就越大。 就越大。 就越大
7.2.2 模型
δ x
1 气相过程 质量传递 气相过程--质量传递 SiH2Cl2的质量传递是一个扩 散过程，由扩散方程有： 散过程，由扩散方程有： F1=-Dg(dC/dx)=Dg(C0-Cg)/δ α
H2+SiH2Cl2= Si+2HCl+2H2
模型
2 表面过程 表面反应过程 表面过程—表面 表面反 •先被吸附，分解，Si从衬底获得能量，迁移， 先被吸附， 从衬底获得能量， 先被吸附 分解， 从衬底获得能量 迁移， 扭转位置， 到达低能量的扭转位置 暂时固定下来， 到达低能量的扭转位置，暂时固定下来，等它 被其它原子盖住，成为外延层中原子。一个H 被其它原子盖住，成为外延层中原子。一个 原子和一个Cl结合 结合HCl，离开。 原子和一个 结合 ，离开。 •本质上是化学分解和规则排列两个过程。 本质上是化学分解和规则排列两个过程。 本质上是化学分解和规则排列两个过程
制作在外延层上的双阱CMOS剖面图 剖面图 制作在外延层上的双阱
7.2 硅气相外延原理及工艺
硅气相外延(vapor phase epitaxy，VPE )， 硅气相外延 ， ， 指含Si外延层材料的物质以气相形式输运 外延层材料的物质以气相形式输运 至衬底，在高温下分解或发生化学反应， 至衬底，在高温下分解或发生化学反应， 在单晶衬底上生长出与衬底取向一致的单 晶。 类似， 工艺。 与CVD类似，是广义上的 类似 是广义上的CVD工艺。 工艺
工艺
反应剂有： 反应剂有：SiCl4、SiHCl3、 SiH2Cl2、 SiH4，气态反 应剂可稀释后直接通入，而液态反应剂是装在源瓶中， 应剂可稀释后直接通入，而液态反应剂是装在源瓶中 源瓶 用稀释气体携带进入反应器。 用稀释气体携带进入反应器。 掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物， 掺杂剂一般选用含掺杂元素的气态化合物，如PH3、 B2H6、AsH3 、 SiH4为反应剂， PH3为掺杂剂磷烷： 为反应剂， 为掺杂剂磷烷： SiH4（H2） → Si+2H2↑ 2PH3（H2） → P+6H2↑ SiH4在主流气体中只百分之几 二十几；PH3也用氢气 在主流气体中只百分之几-二十几 二十几； 稀释至十-五十倍 五十倍。 稀释至十 五十倍。
微电子工艺—薄膜技术(3)
第7章 外延 章
(Epitaxy)
田
丽
第7章 外延
7.1 概述 7.2 硅气相外延原理及工艺 7.3 外延层中的杂质分布 7.4 外延方法 7.5 分子束外延 7.6 其它外延 7.7 外延层缺陷及检测
7.1 外延概述
在微电子工艺中，外延 在微电子工艺中，外延(epitaxy)是指在单晶 是指在单晶 衬底上，用物理的或化学的方法， 衬底上，用物理的或化学的方法，按衬底晶 向排列（生长）单晶膜的工艺过程。 向排列（生长）单晶膜的工艺过程。 新排列的晶体称为外延层， 新排列的晶体称为外延层，有外延层的硅片 称为（ 外延片。 称为（硅）外延片。 与先前描述的单晶生长不同在于外延生长温 度低于熔点许多 外延是在晶体上生长晶体， 外延是在晶体上生长晶体，生长出的晶体的 晶向与衬底晶向相同，掺杂类型、 晶向与衬底晶向相同，掺杂类型、电阻率可 不同。 不同。n/n+，n/p，GaAs/Si。 ， 。
n-Si外延层 外延层 SiO2 n+埋层 p+隔离墙
c n+pn-外延晶体管芯片
单极器件和电路 如CMOS 、 JFET、VMOS 、 pn界隔离示意图 界隔离示意图
P-Si衬底 衬底
：主要是为了降低导通压降与功
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微电子加工基础工艺总结
1、分立器件和集成电路区别分立元件：每个芯片只具有一种器件；集成电路：每个芯片具有各种元件。
2、平面工艺特点平面工艺是由Hoerni于1960年提出。
在这项技术中，整个半导体表面先形成一层氧化层，再借助平板印刷技术，通过刻蚀去除某些氧化层，从而形成一种窗口。
P-N结形成办法：①合金结办法A、接触加热：将一种p型小球放在一种n型半导体上，加热到小球熔融。
B、冷却：p型小球以合金形式掺入半导体底片，冷却后，小球下面形成一种再分布结晶区，这样就得到了一种pn结。
合金结缺陷：不能精确控制pn结位置。
②生长结办法半导体单晶是由掺有某种杂质（例如P型）半导体熔液中生长出来。
生长结缺陷：不适当大批量生产。
扩散结形成方式与合金结相似点：表面表露在高浓度相反类型杂质源之中与合金结区别点：不发生相变，杂质靠固态扩散进入半导体晶体内部扩散结长处扩散结结深可以精准控制。
平面工艺制作二极管基本流程：衬底制备——氧化——一次光刻（刻扩散窗口）——硼预沉积——硼再沉积——二次光刻（刻引线孔）——蒸铝——三次光刻（反刻铝电极）——P-N结特性测试3、微电子工艺特点高技术含量设备先进、技术先进。
高精度光刻图形最小线条尺寸在亚微米量级，制备介质薄膜厚度也在纳米量级，而精度更在上述尺度之上。
超纯指工艺材料方面，如衬底材料Si、Ge单晶纯度达11个9。
超净环境、操作者、工艺三个方面超净，如 VLSI在100级超净室10级超净台中制作。
大批量、低成本图形转移技术使之得以实现。
高温多数核心工艺是在高温下实现，如：热氧化、扩散、退火。
4、芯片制造四个阶段固态器件制造分为4个大阶段（粗线条）：①材料制备②晶体生长/晶圆准备③晶圆制造、芯片生成④封装晶圆制备：（1）获取多晶（2）晶体生长----制备出单晶，包括可以掺杂（元素掺杂和母金掺杂）（3）硅片制备----制备出空白硅片硅片制备工艺流程（从晶棒到空白硅片）：晶体准备（直径滚磨、晶体定向、导电类型检查和电阻率检查）→切片→研磨→化学机械抛光（CMP）→背解决→双面抛光→边沿倒角→抛光→检查→氧化或外延工艺→打包封装芯片制造基本工艺增层——光刻——掺杂——热解决5、high-k技术High—K技术是在集成电路上使用高介电常数材料技术，重要用于减少金属化物半导体（MOS）晶体管栅极泄漏电流问题。
第七章 外延
7.1 硅气相外延的基本原理
7.1.1 硅源
采用传统的高温工艺
① SiCl4 ② SiHCl3 ③ SiH2Cl2 ④ SiH4
新硅源Si2H6
采用现代的低温工艺
7.1.2 外延生长模型
生长步骤 ①传输：反应物从气相经边界层转移到Si表面； ②吸附：反应物吸附在Si表面； ③化学反应：在Si表面进行化学反应，得到Si及副产物； ④脱吸：副产物脱离吸附； ⑤逸出：脱吸的副产物从表面转移到气相，逸出反应室； ⑥加接：生成的Si原子加接到晶格点阵上，延续衬底晶向 生长特征：横向二维的层层生长。
SOI(Silicon-On-Insulator: 绝缘衬底上的硅)技术
SOS的不足
SOS结构存在下列主要问题： ①硅-蓝宝石界面比Si-SiO2界面质量差。 ②蓝宝石的介电常数接近10（SiO2是3.9），会产生 较大的寄生电容。 ③膨胀系数的差异引入的应力。 硅的膨胀系数是4.5×10-6℃，蓝宝石比它大一倍左 右。 ④蓝宝石导热性差。
7.2.3 自掺杂效应（非故意掺杂）
定义：衬底杂质及其他来源杂质非人为地掺入外延层。
来源:各种气相自掺杂 ①衬底扩散蒸发的杂质：在外延生长的初期； ②衬底背面及侧面释放的杂质； ③外延生长前吸附在表面的杂质； ④气相腐蚀的杂质； ⑤其他硅片释放的杂质。 ⑥外延系统：基座、输入气体中的杂质。
7.8.2 层错法测量外延层厚度
原理：化学腐蚀的各向异性，即层错界面两边的原子 结合较弱，具有较快的腐蚀速率。
计算：T=(2/3)1/2l≈0.816l
7.8.3 图形漂移和畸变
7.8.3 图形漂移和畸变
外延
生长速率与温度间的关系
由反应速率控制到质量输 运控制的过渡温度取决于：
１．源的摩尔分数； ２．淀积系统的类型； ３．气流速率； ４．源气体的选用； 含氯多的源要在高温时进入质量输运控制，所以要尽量使用 含氯少的气体源。
外延温度选在高温区：
１．生长速率处于质量输运控制范围，温度的微小波动不会影响生长 速率显著变化； ２．淀积在表面的硅原子具有足够的能量和迁移能力，易找到合适的位 置形成单晶。 3. 外延温度太高，会使自掺杂效应和扩散效应加重。
Vertical depth
外延层中的杂质分布
减小自掺杂效应措施
1.在保证外延质量和速度的前提下,尽量降低外延生 长温度； 2.对n型衬底,使用蒸汽压低,扩散速率也低的杂质作 为埋层杂质； 3.对重掺杂的衬底,需要使用轻掺杂的硅来密封重掺 杂衬底的底面和侧面,进而减少杂质的外逸； 4.外延系统应当工作在低压条件下，因为气态的杂质 原子在低压下的扩散速度比常压情况下高,由衬底外 逸的大部分杂质就可以被主气流带出反应室；
硅气相外延的基本原理
五、生长速率与反应剂浓度之间的关系 外延生长速率由以下两因素较慢 一个决定： 氢还原SiCl４析出硅原子的速率； 被释放出来的硅原子在衬底上生成 单晶层的速率。
１．ＳiＣl４浓度较小，ＳiＣl４被氢还原析出硅原子的速度远小于被释放出来 的硅原子在衬底上生成单晶硅速度，化学反应速度控制外延层的生长速率； ２．增加ＳiＣl４浓度，化学反应速率加快，生长速度提高。浓度大到一定程度， 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； ３．进一步增大ＳiＣl４浓度（Ｙ＝０.１）生长速率减小；当Ｙ＝０.２７时， 逆向反应发生硅被腐蚀； ４．反向腐蚀越严重，生长速率下降，当Ｙ＞０.２８时，只存在腐蚀反应。
哈工大微电子IC思考题、作业、提问总结1
1-1 思考题1-1-1.典型PN结隔离工艺与分立器件NPN管制造工艺有什么不同（增加了哪些主要工序）？增加工序的的目的是什么？答：分立器件NPN管制造工艺：外延→一氧→一次光刻→B掺杂→二氧→二次光刻→P掺杂→三氧→三次光刻→金属化→四次光刻。
典型PN结隔离工艺：氧化→埋层光刻→埋层扩散→外延→二氧→隔离光刻→隔离扩散、推进（氧化）→基区光刻→基区扩散、再分布（氧化）→发射区光刻→发射区扩散、氧化→引线孔光刻→淀积金属→反刻金属→淀积钝化层→光刻压焊点→合金化及后工序。
增加的主要工序：埋层的光刻及扩散、隔离墙的光刻及扩散。
目的：埋层：1、减小串联电阻；2、减小寄生PNP晶体管的影响。
隔离墙：将N型外延层隔离成若干个“岛”，并且岛与岛间形成两个背靠背的反偏二极管，从而实现PN结隔离。
1-1-2.NPN管的电极是如何引出的？集电极引出有什么特殊要求？答：集成电路中的各个电极均从上表面引出。
要求：形成欧姆接触电极：金属与参杂浓度较低的外延层相接触易形成整流接触（金半接触势垒二极管）。
因此，外延层电极引出处应增加浓扩散。
1-1-3.典型PN结隔离工艺中隔离扩散为什么放在基区扩散之前而不放在基区扩散或发射区扩散之后？答：由于隔离扩散深度较深，基区扩散深度相对较浅。
放在基区扩散之前，以防后工序对隔离扩散区产生影响。
1-1 作业1-1-1.典型PN结隔离工艺中器件之间是如何实现隔离的？答：在N型外延层中进行隔离扩散，并且扩穿外延层，与P型衬底连通，从而将N 型外延层划分为若干个“岛”；同时，将隔离区接最低电位，使岛与岛之间形成两个背靠背的反偏二极管，从而岛与岛互不干涉、互不影响。
通过以上两点实现了器件间的隔离。
1-1-2. 设典型PN结隔离工艺允许的最小线宽、外延层的厚度和各相关图形间的间距都为W，画出最小面积NPN晶体管图形和剖面结构图，并分别估算W为1μm 和0.5μm时，在1cm2的芯片面积上可以制作多少各这种相互隔离的最小面积晶体管。
外延基础知识PPT课件
•
杂质：替位式杂质（有效掺杂）
•
间隙式杂质
•
缺陷：点缺陷：如空位、间隙原子
•
线缺陷：如位错
•
面缺陷：（即立方密积结构里夹杂着少量六角密积）如层错
• 外延技术
•
LPE：液相外延，生长速率快，产量大，但晶体生长难以精确控制。（普亮LED常
用此生长方法）
•
MOCVD（也称MOVPE）：Metal Organic Chemical Vapour Deposition
MQW（多量子阱）中的Al(铝)的组分，达到调节波长的作用，通过优化此层
的参数（如：阱的个数，材料组分，量子阱周期厚度），可明显提高发光效率。
•
生长一层P型(Al0.95Ga0.05)0.5In0.5P，此层因Al组分很高，对载流子起
到限制的作用，可明显提高发光效率。
•
生长一层P型GaP层，此层为电流扩展层，扩展层越厚，电流扩展得越好，亮
子原来一个能级将分裂成大量密集的能级，构成一相应的能带。（晶体中电子能
量状态可用能带描述）
•
导带：对未填满电子的能带，能带中电子在外场作用下，将参与导电，形成宏观
电流，这样的能带称为导带。
•
价带：由价电子能级分裂形成的能带，称为价带。（价带可能是满带，也可能是
电子未填满的能带）
•
直接带隙：导带底和价带顶位于K空间同一位置。
•
间接带隙：导带底和价带顶位于K空间不同位置。
•
同质结：组成PN结的P型区和N型区是同种材料。（如红黄光中的：GaAs上生
长GaAs,蓝绿光中：U(undope)－GaN上生长N(dope)－ GaN）
•
异质结：两种晶体结构相同，晶格常数相近，但带隙宽度不同的半导体材料生长
哈工大微电子工艺(1)单晶硅
光学曝光
X射线 射线 电子束） （电子束）
摩尔定律：每隔 年 集成度提高 集成度提高4倍 摩尔定律：每隔3年IC集成度提高 倍
15
2002年1月：英特尔奔腾4处理器推出，高性能桌面台式电脑由此可实现 每秒钟22亿个周期运算。它采用英特尔0.13微米制程技术生产，含有 5500万个晶体管。 2002年8月13日：英特尔透露了90纳米制程技术的若干技术突破，包括 高性能、低功耗晶体管，应变硅，高速铜质接头和新型低-k介质材料。 这是业内首次在生产中采用应变硅。 2003年3月12日：针对笔记本的英特尔·迅驰·移动技术平台诞生，包括了 英特尔最新的移动处理器“英特尔奔腾M处理器”。该处理器基于全新 的移动优化微体系架构，采用英特尔0.13微米制程技术生产，包含7700 万个晶体管。 2005年5月26日：英特尔第一个主流双核处理器“英特尔奔腾D处理器” 诞生，含有2.3亿个晶体管，采用英特尔领先的90纳米制程技术生产。 2006年7月18日：英特尔安腾2双核处理器发布，采用世界最复杂的产品 设计，含有17.2亿个晶体管。该处理器采用英特尔90纳米制程技术生产。 2006年7月27日：英特尔·酷睿™2双核处理器诞生。该处理器含有2.9亿 多个晶体管，采用英特尔65纳米制程技术在世界最先进的几个实验室生 产。 2007年1月8日：为扩大四核PC向主流买家的销售，英特尔发布了针对桌 面电脑的65纳米制程英特尔·酷睿™2四核处理器和另外两款四核服务器 处理器。英特尔·酷睿™2四核处理器含有5.8亿多个晶体管。 2007年1月29日：英特尔公布采用突破性的晶体管材料即高-k栅介质和 金属栅极。英特尔将采用这些材料在公司下一代处理器——英特尔酷睿 ™2双核、英特尔酷睿™2四核处理器以及英特尔至强系列多核处理器的 数以亿计的45纳米晶体管或微小开关中用来构建绝缘“墙”和开关 16 “门”。采用了这些先进的晶体管，已经生产出了英特尔45纳米微处理 器。
微电子工艺(3)外延教材
3.1.3 外延工艺用途
优势： 1.高的集电结击穿电压 2.低的集电极串联电阻
双极型晶体管
n+埋层 n-Si外延层 SiO2 p+隔离墙
P-Si衬底
利用外延技术的 pn结隔离是早期 双极型集成电路 常采用的电隔离 方法。
pn结隔离示意图
P阱
n阱
将CMOS电路制作在外 延层上比制作在体硅抛 光片上有以下优点： ①避免了闩锁效应； ②避免了硅层中SiOx的 沉积； ③硅表面更光滑，损伤 最小。
外延层杂质浓度分布计算
假设1：外延层生长时外延剂中无杂质， 杂质来源于自掺杂效应
N E ( x) N S e x
假设2：衬底杂质无逸出（或认为衬底未 掺杂）
N E ( x) N E 0 (1 ex )
界面杂质叠加的数学表达式为
N E ( x) N S ex N E 0 (1 ex )
外延工艺常用的硅源
四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也 是研究最多的硅源--------主要应用于传统外 延工艺 三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和 SiCl4类似但温度 有所降低----常规外延生长 二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) ----更低温度，选择 外延 硅烷SiH4，更适应薄外延层和低温生长要求， 得到广泛应用。 新硅源：二硅烷Si2H6-----低温外延
x x 1 erf N E 0 1 erf 2 2 DS t 2 DE t
综合效果
杂质再分布综合效果示意图
减小杂质再分布效应措施
降低外延温度，p-Si采用SiH2Cl2, SiHCl3；或 SiH4，但这对As的自掺杂是无效。 重掺杂的衬底，用轻掺杂的硅来密封其底面和 侧面，减少杂质外逸。 低压外延可减小自掺杂，这对砷，磷的效果显 著，对硼的作用不明显。 用离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度。 可在埋层或衬底上先生长未掺杂的薄膜来避免 衬底中的杂质外逸，再原位掺杂。
集成电路制造工艺之——外延
覆盖式化学气相沉积钨与回刻
上节课内容小结
CVD 钨的化学反应
2WF 6 ( 气 ) 3 Si (固） 2W (固） 3 SiF 4 ( 气 ) （反应自停止） 2WF 6 ( 气 ) 3 SiH 4 ( 气） 2W (固） 12 HF ( 气 )
以上两个反应提供钨核层
WF 6 ( 气 ) 3 H 2 ( 气） W (固） 6 HF ( 气 )
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。
维持单晶生长的最大淀积率随温度升
MOCVD Al：沉积温度低200度
Al的有机化合物有毒、易燃、接触水会爆炸，必须密封保存，合理操作。 化学性质活泼，必须低温保存，进入反应室前，采取措施以保持稳定性
CVD铝抗电迁移能力差：CVD铝铜合金
制备复合层（CVD铝+PVD铝铜）
上节课内容小结
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。
高呈指数上升，如图，可求出激活能为
5eV。 5eV的激活能相当于硅的自扩散激活
能。由此，我们可以说单晶外延生长与
硅自扩散的机制是相同的。
上节课内容小结 CVD二氧化硅的特性和沉积方法
1. 低温CVD SiO2
硅烷与氧气反应制备二氧化硅，LPCVD
硅烷和N2O反应，PECVD TEOS为源，PECVD SiO2可以对深宽比为0.8的沟槽实现无空隙填充。
外延层需要很高的温度，不适应现今集成电路工艺的要求，目前主要应 用在传统的外延工艺中。
半导体材料外延生长
Ⅱ族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如Ga、 Al、In、Zn、Cd等的甲基或乙基化合物：Ga(CH3)3、 Ga(C2H5)3等，
金属有机化合物的名称及其英文缩写
三甲基镓 三甲基铟 三甲基铝 三乙基镓 三乙基铟 二甲基锌 二乙基锌 二甲基镉 二乙基镉 Tri-methyl-gallium Tri-methyl-indium Tri-methyl-alumium Tri-ethyl-gallium Tri-ethyl-indium Di-methyl-zinc Di-ethyl-zinc Di-methyl-cadmium Di-ethyl-cadmium TMG．TMGa TMI．TMIn TMAI TEG．TEGa TEI．TEIn DMZn DEZn DMCA DECA
半导体材料
III-V族化合物半导体的外延生长
第七章 III-V族化合物半导体的外延生长
内容提要：
气相外延生长VPE 卤化物法 氢化物法 金属有机物气相外延生长MOVPE 液相外延生长LPE 分子束外延生长MBE
气相外延生长
气相外延生长(vapor phase epitaxy, VPE) 发展较早，主要有以下三种方法： 卤化物法 (Ga/AsCl3/H2体系) 氢化物法 (Ga/HCl/AsH3/H2体系) 金属有机外延法
MOVPE设备
2．气体输运系统 气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器(mass flow controller．MFC)，截止阀、电磁阀和气动阀等组成。为 了防止存储效应，不锈钢管内壁进行电化学抛光，管道的接头 用氩弧焊或VCR接头连接，并用正压检漏和He泄漏检测仪检测， 保证反应系统无泄漏是MOVPE设备组装的关键之一，泄漏速 率应低于10-9cm3／s。 气路的数目视源的种类而定。为了精确控制流量应选择量程 合适、响应快、精度高的MFC，如进行低压外延生长，在反应 室后设有由真空系统，压力传感器及蝶形阀等组成低压控制系 统。在真空系统与反应室之间还应设有过滤器，以防油污或其 他颗粒倒吸到反应室中。 如果使用的源在常温下是固态，为防止在管路中沉积，管路 上绕有加热丝并覆盖上保温材料。
【集成电路 哈工大】微电子工艺(1) - PRINT
硅晶体表面受到机械外力，如表面划伤、或受到轰击 （离子，射线等），外力向晶体中传递，诱生缺陷。
结团现象 高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高 维缺陷，释放能量。
38
缺陷的去除
缺陷在器件的有源区影应响其性能，必须 设法使之减少。 单晶生长时的工艺控制； 非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来 吸杂； 本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中氧 沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。
位错主要有刃位错和螺位 错：位错线与滑移矢量垂 直称刃位错；位错线与滑 移矢量平行，称为螺位错。
硅晶体的双层密排面间原 子价键密度最小，结合最 弱，滑移常沿{111}面发生， 位错线也就常在{111}晶面 之间。该面称为滑移面。
35
刃形位错的运动
攀移
滑移
36
1.2.3 面缺陷和体缺陷
面缺陷主要是 由于原子堆积 排列次序发生 错乱，称为堆 垛层错，简称 层错。
42
硅晶体中杂质能级和电离能
43
硅的电阻率-掺杂浓度曲线
不同类型杂质对导电 能力相互抵消的现象 叫杂质补偿。
硅中同时存在磷和硼， 若磷的浓度高于硼， 那么这就是N型硅。
不过导带中的电子浓 度并不等于磷杂质浓 度，因为电离的电子 首先要填充受主，余 下的才能发送到导带。
1.3.2 固溶度和相图
1、晶向
[001] c
晶格中原子可看作是处在一系列方向相同的 平行直线系上，这种直线系称为晶列。标记 晶列方向用晶向指数, 记为[m1m2m3] 。 [111] 用< m1m2m3>表示等价的晶向.
b
a [100]
[110]
立方晶格的晶向指数
R=m1x+m2y+m3z
a
结团现象 高浓度低维缺陷倾向于集聚，形成更高 维缺陷，释放能量。
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缺陷的去除
缺陷在器件的有源区影应响其性能，必须 设法使之减少。 单晶生长时的工艺控制； 非本征吸杂，在无源区引入应变或损伤区来 吸杂； 本征吸杂，氧是硅片内固有的杂质，硅中氧 沉淀，氧有吸杂作用，是一种本征吸杂。
位错主要有刃位错和螺位 错：位错线与滑移矢量垂 直称刃位错；位错线与滑 移矢量平行，称为螺位错。
硅晶体的双层密排面间原 子价键密度最小，结合最 弱，滑移常沿{111}面发生， 位错线也就常在{111}晶面 之间。该面称为滑移面。
35
刃形位错的运动
攀移
滑移
36
1.2.3 面缺陷和体缺陷
面缺陷主要是 由于原子堆积 排列次序发生 错乱，称为堆 垛层错，简称 层错。
42
硅晶体中杂质能级和电离能
43
硅的电阻率-掺杂浓度曲线
不同类型杂质对导电 能力相互抵消的现象 叫杂质补偿。
硅中同时存在磷和硼， 若磷的浓度高于硼， 那么这就是N型硅。
不过导带中的电子浓 度并不等于磷杂质浓 度，因为电离的电子 首先要填充受主，余 下的才能发送到导带。
1.3.2 固溶度和相图
1、晶向
[001] c
晶格中原子可看作是处在一系列方向相同的 平行直线系上，这种直线系称为晶列。标记 晶列方向用晶向指数, 记为[m1m2m3] 。 [111] 用< m1m2m3>表示等价的晶向.
b
a [100]
[110]
立方晶格的晶向指数
R=m1x+m2y+m3z
a