外延及CVD工艺.
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三. 外延中的掺杂
掺杂剂 氢化物 : PH3， AsH3，BBr3，B2H6 氯化物: POCl3，AsCl3
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在外延层的电阻率还会受到下 列三种因素的干扰
重掺杂衬底重的大量杂质通过热扩散方
式进入外延层，称为杂质外扩散。 衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然 后重新返回外延层，称为气相自掺杂。 气源或外延系统中的污染杂质进入外延， 称为系统污染。
少子寿命
杂质分布
缺陷密度
2017/10/13
22
五.外延的用途
双极电路：
利用n/n+硅外延，将双极型高频功率晶体
管制作在n型外延层内，n+硅用作机械支 撑层和导电层，降低了集电极的串联电 阻。 采用n/p外延片，通过简单的p型杂质隔离 扩散，便能实现双极集成电路元器件间 的隔离。
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软误差
从封装材料中辐射出的α 粒子进入衬 底产生大量(约106量级)电子-空穴对， 在低掺杂MOS衬底中，电子-空穴对 可以扩散50μ m，易受电场作用进入 有源区，引起器件误动作，这就是 软误差。 采用低阻衬底上外延高阻层的外延片， 则电子 -空穴对先进入衬底低阻层，其扩 散长度仅 1 μ m，易被复合，它使软误差 率减少到原来的1/10。
第二章 外延及CVD工艺
§1 外延工艺
一.外延工艺概述
定义:外延(epitaxy)是在单晶衬底上生长
一层单晶膜的技术。新生单晶层按衬底 晶相延伸生长，并称此为外延层。长了 外延层的衬底称为外延片。
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CVD:Chemical Vapor Deposition
晶体结构良好
掺入的杂质浓度易控制 可形成接近突变p—n结
影响外延生长速率的主要因素：
反应剂浓度
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温度：B区高温区（常选用），A区低温区
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气体流速 :气体流速大生长加快
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生长速率还与反应腔横截面形状和衬底
取向有关
矩形腔的均匀性较圆形腔好。晶面间的共 价键数目越多，生长速率越慢。
等气压线
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同型杂质
异型杂质
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四. 外延层中的缺陷与检测
1. 缺陷种类:
a.存在与衬底中并连续延伸到外延层中的位错 b .衬底表面的析出杂质或残留的氧化物，吸附 的碳氧化物导致的层错； c . 外延工艺引起的外延层中析出杂质； d .与工艺或与表面加工(抛光面划痕、损伤), 碳沾污等有关，形成的表面锥体缺陷(如角锥 体、圆锥体、三棱锥体、小丘)； e . 衬底堆垛层错的延伸;
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3.系统与工艺流程
系统示意图
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工艺流程
. 基座的 HCl 腐蚀去硅程序 ( 去除前次外
延后基座上的硅)
N2预冲洗
260L/min 4min H2预冲洗 260L/min 5min 升温1 850ºC 5min 升温2 1170ºC 5min HCl排空 1.3L/min 1min
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2.埋层图形的漂移与畸变2.
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漂移规律
{111}面上严重,偏离2~4度,漂移显著减小,
常用偏离3度. 外延层越厚,偏移越大 温度越高,偏移越小 生长速率越小,偏移越小 SiCl4 SiH2Cl2 SiH4 硅生长---腐蚀速率的各向异型是发生漂移 的根本原因.
外延层和衬底中不同类型的掺杂形成的
p--n结，它不是通过杂质补偿作用形成的， 其杂质分布可接近理想的突变结。
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外延改善NMOS存储器电路特性
(1)提高器件的抗软误差能力
(2) 采用低阻上外延高阻层，可降低源、
漏 n+ 区耗尽层寄生电容，并提高器件对 衬底中杂散电荷噪声的抗扰度 (3) 硅外延片可提供比体硅高的载流子寿 命，使半导体存储器的电荷保持性能提 高。
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3.参数测量
参数内容
外延层厚度
常用测量方法
磨角染色法 层错法 红外椭圆偏振仪法 红外反射干涉法 四探针法 三探针法 C-V 法 扩展电阻法 脉冲 MOS 电容法 C-V 法 扩展电阻法 微分电导和霍尔效应 放射性元素示踪分析 卢瑟福背散射 光学显微镜观测 自动激光扫描仪
电阻率
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HCl腐蚀
H2冲洗 降温 N2冲洗
Βιβλιοθήκη Baidu
10L/min 10min 260L/min 1min 6min
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外延生长程序 (1)N2 预冲洗 260L/min 4min (2)H2 预冲洗 260L/min 5min (3)升温 1 850ºC 5min (4)升温 2 1170ºC 6min (5)HCl 排空 1.3L/min 1min (6)HCl 抛光 1.3L/min 3min (7)H2 冲洗(附面层) 260L/min 1min (8)外延生长: H2: 260L/min SiCl4: 6.4~7g/min PH3: 100PPM; 0.15~0.18L/min T: 1160~1190ºC; 时间随品种而定 (9)H2 冲洗 1170ºC 1min (10)降温 6min (11)N2 冲洗 4min
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二.硅气相外延工艺
1. 外延原理
氢还原反应
SiCl4 2H2 Si 4HCl
1000 C
SiCl4 Si(固) 2SiCl2
硅烷热分解
SiH4 Si 2H 2
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600 C
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2. 生长速率
外延分类:气相外延(VPE)－－常用
液相外延(LPE)－－ⅢⅤ 固相外延(SPE)－－熔融在结晶 分子束外延(MBE)－－超薄 化学气相淀积(CVD)----低温,非晶 2
. .
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材料异同
同质结
Si-Si 异质结GaAs--AlxGa(1-x) As 温度：高温1000℃以上 低温1000℃以下 CVD（低温）
三. 外延中的掺杂
掺杂剂 氢化物 : PH3， AsH3，BBr3，B2H6 氯化物: POCl3，AsCl3
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在外延层的电阻率还会受到下 列三种因素的干扰
重掺杂衬底重的大量杂质通过热扩散方
式进入外延层，称为杂质外扩散。 衬底中的杂质因挥发等而进入气流，然 后重新返回外延层，称为气相自掺杂。 气源或外延系统中的污染杂质进入外延， 称为系统污染。
少子寿命
杂质分布
缺陷密度
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五.外延的用途
双极电路：
利用n/n+硅外延，将双极型高频功率晶体
管制作在n型外延层内，n+硅用作机械支 撑层和导电层，降低了集电极的串联电 阻。 采用n/p外延片，通过简单的p型杂质隔离 扩散，便能实现双极集成电路元器件间 的隔离。
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软误差
从封装材料中辐射出的α 粒子进入衬 底产生大量(约106量级)电子-空穴对， 在低掺杂MOS衬底中，电子-空穴对 可以扩散50μ m，易受电场作用进入 有源区，引起器件误动作，这就是 软误差。 采用低阻衬底上外延高阻层的外延片， 则电子 -空穴对先进入衬底低阻层，其扩 散长度仅 1 μ m，易被复合，它使软误差 率减少到原来的1/10。
第二章 外延及CVD工艺
§1 外延工艺
一.外延工艺概述
定义:外延(epitaxy)是在单晶衬底上生长
一层单晶膜的技术。新生单晶层按衬底 晶相延伸生长，并称此为外延层。长了 外延层的衬底称为外延片。
2017/10/13 1
CVD:Chemical Vapor Deposition
晶体结构良好
掺入的杂质浓度易控制 可形成接近突变p—n结
影响外延生长速率的主要因素：
反应剂浓度
2017/10/13
5
温度：B区高温区（常选用），A区低温区
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气体流速 :气体流速大生长加快
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生长速率还与反应腔横截面形状和衬底
取向有关
矩形腔的均匀性较圆形腔好。晶面间的共 价键数目越多，生长速率越慢。
等气压线
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同型杂质
异型杂质
2017/10/13
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四. 外延层中的缺陷与检测
1. 缺陷种类:
a.存在与衬底中并连续延伸到外延层中的位错 b .衬底表面的析出杂质或残留的氧化物，吸附 的碳氧化物导致的层错； c . 外延工艺引起的外延层中析出杂质； d .与工艺或与表面加工(抛光面划痕、损伤), 碳沾污等有关，形成的表面锥体缺陷(如角锥 体、圆锥体、三棱锥体、小丘)； e . 衬底堆垛层错的延伸;
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3.系统与工艺流程
系统示意图
2017/10/13
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工艺流程
. 基座的 HCl 腐蚀去硅程序 ( 去除前次外
延后基座上的硅)
N2预冲洗
260L/min 4min H2预冲洗 260L/min 5min 升温1 850ºC 5min 升温2 1170ºC 5min HCl排空 1.3L/min 1min
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2.埋层图形的漂移与畸变2.
2017/10/13
20
漂移规律
{111}面上严重,偏离2~4度,漂移显著减小,
常用偏离3度. 外延层越厚,偏移越大 温度越高,偏移越小 生长速率越小,偏移越小 SiCl4 SiH2Cl2 SiH4 硅生长---腐蚀速率的各向异型是发生漂移 的根本原因.
外延层和衬底中不同类型的掺杂形成的
p--n结，它不是通过杂质补偿作用形成的， 其杂质分布可接近理想的突变结。
2017/10/13
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外延改善NMOS存储器电路特性
(1)提高器件的抗软误差能力
(2) 采用低阻上外延高阻层，可降低源、
漏 n+ 区耗尽层寄生电容，并提高器件对 衬底中杂散电荷噪声的抗扰度 (3) 硅外延片可提供比体硅高的载流子寿 命，使半导体存储器的电荷保持性能提 高。
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3.参数测量
参数内容
外延层厚度
常用测量方法
磨角染色法 层错法 红外椭圆偏振仪法 红外反射干涉法 四探针法 三探针法 C-V 法 扩展电阻法 脉冲 MOS 电容法 C-V 法 扩展电阻法 微分电导和霍尔效应 放射性元素示踪分析 卢瑟福背散射 光学显微镜观测 自动激光扫描仪
电阻率
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HCl腐蚀
H2冲洗 降温 N2冲洗
Βιβλιοθήκη Baidu
10L/min 10min 260L/min 1min 6min
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外延生长程序 (1)N2 预冲洗 260L/min 4min (2)H2 预冲洗 260L/min 5min (3)升温 1 850ºC 5min (4)升温 2 1170ºC 6min (5)HCl 排空 1.3L/min 1min (6)HCl 抛光 1.3L/min 3min (7)H2 冲洗(附面层) 260L/min 1min (8)外延生长: H2: 260L/min SiCl4: 6.4~7g/min PH3: 100PPM; 0.15~0.18L/min T: 1160~1190ºC; 时间随品种而定 (9)H2 冲洗 1170ºC 1min (10)降温 6min (11)N2 冲洗 4min
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二.硅气相外延工艺
1. 外延原理
氢还原反应
SiCl4 2H2 Si 4HCl
1000 C
SiCl4 Si(固) 2SiCl2
硅烷热分解
SiH4 Si 2H 2
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600 C
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2. 生长速率
外延分类:气相外延(VPE)－－常用
液相外延(LPE)－－ⅢⅤ 固相外延(SPE)－－熔融在结晶 分子束外延(MBE)－－超薄 化学气相淀积(CVD)----低温,非晶 2
. .
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材料异同
同质结
Si-Si 异质结GaAs--AlxGa(1-x) As 温度：高温1000℃以上 低温1000℃以下 CVD（低温）