第五章 硅外延生長

1、第五章第五章 硅外延生長硅外延生長5.15.1外延生長的概述外延生長的概述定義定義:o外延外延 (epitaxy)：是在單晶襯底上，按襯：是在單晶襯底上，按襯底晶向生長一層單晶層的技術(shù)。底晶向生長一層單晶層的技術(shù)。o新生單晶層按襯底晶相延伸生長，并稱此為新生單晶層按襯底晶相延伸生長，并稱此為外延層外延層。o長了外延層的襯底稱為長了外延層的襯底稱為外延片外延片。分類分類o根據(jù)結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)n 同質(zhì)外延同質(zhì)外延:外延層材料與襯底材料是同種材料，外延層材料與襯底材料是同種材料， Si Si,GaAs-GaAsn 異質(zhì)外延異質(zhì)外延:外延層材料與襯底材料不是是同種材料外延層材料與襯底材料不是是同種材料 藍(lán)

2、寶石上生長藍(lán)寶石上生長Si，GaAsGaAlAso器件的應(yīng)用器件的應(yīng)用n正向外延正向外延：器件制作在外延層上：器件制作在外延層上n反向外延反向外延：器件制作在襯底上，外延層起支撐作用：器件制作在襯底上，外延層起支撐作用分類o根據(jù)生長的方法根據(jù)生長的方法n直接外延直接外延：用加熱、電子轟擊或外加電場等方法使生長的材：用加熱、電子轟擊或外加電場等方法使生長的材料原子獲得足夠的能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外料原子獲得足夠的能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外延生長的方法。真空淀積、濺射、升華延生長的方法。真空淀積、濺射、升華n間接外延間接外延：利用化學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積生長外延層，廣：利用化

3、學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積生長外延層，廣義稱義稱CVD，生長的薄膜是單晶的，生長的薄膜是單晶的CVD稱外延。稱外延。o根據(jù)向襯底輸運(yùn)外延材料原子的方法根據(jù)向襯底輸運(yùn)外延材料原子的方法n氣相外延氣相外延：常用，高溫（：常用，高溫（800-1150）n液相外延液相外延：應(yīng)用于：應(yīng)用于-化合物的外延層的制備化合物的外延層的制備n固相外延固相外延：應(yīng)用于離子注入后的熱處理，注入后產(chǎn)生的非晶：應(yīng)用于離子注入后的熱處理，注入后產(chǎn)生的非晶區(qū)通過固相外延轉(zhuǎn)變?yōu)榫w區(qū)通過固相外延轉(zhuǎn)變?yōu)榫w外延生長的特點(diǎn)外延生長的特點(diǎn)o可以在低可以在低(高高)阻襯底上外延生長高阻襯底上外延生長高(低低)阻外延層阻外延層o可以在可以在

4、P(N)型襯底上外延生長型襯底上外延生長N(P)型外延層型外延層o可進(jìn)行選擇性外延可進(jìn)行選擇性外延o在外延過程中，可根據(jù)需要改變摻雜的種類及濃度在外延過程中，可根據(jù)需要改變摻雜的種類及濃度o可生長異質(zhì)、多層、多組分化合物且組分可變的超可生長異質(zhì)、多層、多組分化合物且組分可變的超薄層薄層o可進(jìn)行低溫外延可進(jìn)行低溫外延o可生長不能拉制單晶材料可生長不能拉制單晶材料外延層應(yīng)滿足的要求：外延層應(yīng)滿足的要求：o表面無缺陷表面無缺陷o晶體完整性好晶體完整性好o外延層的本底雜質(zhì)濃度要低外延層的本底雜質(zhì)濃度要低o對于異質(zhì)結(jié)，外延層與襯底的組分間要突變，降低對于異質(zhì)結(jié)，外延層與襯底的組分間要突變，降低互擴(kuò)散互擴(kuò)

5、散o摻雜濃度要均勻摻雜濃度要均勻o外延層厚度要均勻外延層厚度要均勻o埋層圖形畸變要小埋層圖形畸變要小o外延片的直徑盡可能要大外延片的直徑盡可能要大o對于化合物半導(dǎo)體外延層和異質(zhì)外延穩(wěn)定性要好對于化合物半導(dǎo)體外延層和異質(zhì)外延穩(wěn)定性要好5.2 5.2 硅的氣相外延硅的氣相外延o氣相外延：是在高溫下使揮發(fā)性強(qiáng)的硅源與氣相外延：是在高溫下使揮發(fā)性強(qiáng)的硅源與氫氣發(fā)生反應(yīng)或熱解，生成硅原子淀積在硅氫氣發(fā)生反應(yīng)或熱解，生成硅原子淀積在硅襯底上生長外延層襯底上生長外延層o原料原料 SiCl4、SiH2Cl2、 SiHCl3 、SiH4設(shè)備設(shè)備o主要由四部分組成：氫氣凈化系統(tǒng)、氣體輸主要由四部分組成：氫氣凈化系

6、統(tǒng)、氣體輸運(yùn)和控制系統(tǒng)、加熱設(shè)備、反應(yīng)室運(yùn)和控制系統(tǒng)、加熱設(shè)備、反應(yīng)室o 分類分類n水平式水平式n立式（平板式、桶式）立式（平板式、桶式）工藝過程及動力學(xué)模型工藝過程及動力學(xué)模型工藝工藝o襯底制備襯底制備o加熱溫度加熱溫度o通硅源和氫氣通硅源和氫氣o控制時(shí)間控制時(shí)間以SiCl4例 SiCl42H2Si 4HCl工藝工藝生長過程：生長過程：o反應(yīng)物氣體混合向反應(yīng)區(qū)輸運(yùn)反應(yīng)物氣體混合向反應(yīng)區(qū)輸運(yùn)o反應(yīng)物穿過邊界層向襯底表面遷移反應(yīng)物穿過邊界層向襯底表面遷移o反應(yīng)物分子被吸附在高溫襯底表面上反應(yīng)物分子被吸附在高溫襯底表面上o在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成生長晶體原子和氣體在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成生

7、長晶體原子和氣體副產(chǎn)物，原子在晶面移動進(jìn)入晶格格點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)晶體生副產(chǎn)物，原子在晶面移動進(jìn)入晶格格點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)晶體生長長o副產(chǎn)物氣體從表面脫附并竄越邊界層向主氣流中擴(kuò)散副產(chǎn)物氣體從表面脫附并竄越邊界層向主氣流中擴(kuò)散o副產(chǎn)物和未反應(yīng)物離開反應(yīng)系統(tǒng)副產(chǎn)物和未反應(yīng)物離開反應(yīng)系統(tǒng)o 上述反應(yīng)是依次進(jìn)行的，而總的生長速率將由最上述反應(yīng)是依次進(jìn)行的，而總的生長速率將由最慢的一步?jīng)Q定慢的一步?jīng)Q定 o低溫時(shí)，在固低溫時(shí)，在固氣表面上的反應(yīng)慢，決定整氣表面上的反應(yīng)慢，決定整個(gè)生長過程的速率個(gè)生長過程的速率表面反應(yīng)控制過程表面反應(yīng)控制過程o在正常條件下，表面反應(yīng)很快，這時(shí)主氣流在正常條件下，表面反應(yīng)很快，這時(shí)主氣流中的反

8、應(yīng)物以擴(kuò)散的方式輸運(yùn)到表面的過程中的反應(yīng)物以擴(kuò)散的方式輸運(yùn)到表面的過程最慢最慢質(zhì)量輸運(yùn)控制過程質(zhì)量輸運(yùn)控制過程動力學(xué)模型動力學(xué)模型( (格羅夫簡單動力學(xué)模型、格羅夫簡單動力學(xué)模型、埃威斯登停滯層模型埃威斯登停滯層模型 ) )格羅夫簡單動力學(xué)模型格羅夫簡單動力學(xué)模型oCS生長表面上反應(yīng)物的濃度生長表面上反應(yīng)物的濃度oCG主氣流中反應(yīng)物的濃度主氣流中反應(yīng)物的濃度oF1從主氣流流向襯底表面的粒子流密度（單位時(shí)從主氣流流向襯底表面的粒子流密度（單位時(shí)間通過單位面積的分子數(shù)）間通過單位面積的分子數(shù)）oF2外延反應(yīng)消耗的反應(yīng)物粒子密度外延反應(yīng)消耗的反應(yīng)物粒子密度 F1=hG (CG- CS) (5-4)

9、F2=KsCS (5-5)hG 氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù) KS 表面反應(yīng)速率系數(shù)表面反應(yīng)速率系數(shù)氣相外延層CGCSF1F2在穩(wěn)定條件下，在穩(wěn)定條件下，F(xiàn)= F1 = F2 （5-8）o當(dāng)當(dāng)hG Ks ， CS 0 化學(xué)反應(yīng)所需的反應(yīng)物數(shù)量大于主氣流輸化學(xué)反應(yīng)所需的反應(yīng)物數(shù)量大于主氣流輸運(yùn)到襯底表面的數(shù)量，生長速率受質(zhì)量輸運(yùn)的運(yùn)到襯底表面的數(shù)量，生長速率受質(zhì)量輸運(yùn)的速率的控制速率的控制o當(dāng)當(dāng)hG Ks ， CS CG 主氣流輸運(yùn)到襯底表面的反應(yīng)物數(shù)量多于在主氣流輸運(yùn)到襯底表面的反應(yīng)物數(shù)量多于在該溫度下表面，化學(xué)反應(yīng)所需的反應(yīng)物數(shù)量，該溫度下表面，化學(xué)反應(yīng)所需的反應(yīng)物數(shù)量，生長速率受表面化

10、學(xué)反應(yīng)的速率的控制生長速率受表面化學(xué)反應(yīng)的速率的控制GSGShKCC/1生長速率生長速率 CT 氣體每立方厘米的分子總數(shù)氣體每立方厘米的分子總數(shù) Y反應(yīng)物的摩爾分?jǐn)?shù)反應(yīng)物的摩爾分?jǐn)?shù) CG= CT Y （5-9）(5-10)討論：討論：o反應(yīng)物的濃度對生長速率的影響反應(yīng)物的濃度對生長速率的影響 GY ， 與反應(yīng)濃度較小的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與反應(yīng)濃度較小的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖圖5-3)符合符合 。隨著。隨著Y，G達(dá)最大值，隨著達(dá)最大值，隨著Y，GYNCKhhKNKhChKGTSGGSSGGGS)(反應(yīng)的溫度對生長速率的影響反應(yīng)的溫度對生長速率的影響( (圖圖5-4)5-4)o 在低溫范圍內(nèi)在低溫范圍內(nèi)：當(dāng)當(dāng)hG K

11、s 生長速率受表面化學(xué)反應(yīng)的速率生長速率受表面化學(xué)反應(yīng)的速率KS的控制的控制表面反應(yīng)速率系數(shù)表面反應(yīng)速率系數(shù) T G o在高溫在高溫范圍內(nèi)：范圍內(nèi)：當(dāng)當(dāng)hG Ks 生長速率受質(zhì)量輸運(yùn)的速率的控制生長速率受質(zhì)量輸運(yùn)的速率的控制氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù) = 1.752 hG 隨溫度變化不大，隨溫度變化不大， G隨溫度變化小隨溫度變化小YKNCGST)exp(kTEKaSYhNCGGT)(,00TTDDDhACG氣流速度對生長速率的影響氣流速度對生長速率的影響o在反應(yīng)物濃度和生長溫度一定時(shí)，水平反應(yīng)器中，在反應(yīng)物濃度和生長溫度一定時(shí)，水平反應(yīng)器中，生長速率基本上與總氣體流速的平方成正比。生長

12、速率基本上與總氣體流速的平方成正比。o對于立式反應(yīng)器，在流速較低時(shí)，生長速率基本上對于立式反應(yīng)器，在流速較低時(shí)，生長速率基本上與總氣體流速的平方成正比，但流速超過一定值后，與總氣體流速的平方成正比，但流速超過一定值后，生長速率達(dá)到穩(wěn)定的極限值而不再增加。生長速率達(dá)到穩(wěn)定的極限值而不再增加。邊界層及特性邊界層及特性o流體力學(xué)研究表明，當(dāng)流體以速度流體力學(xué)研究表明，當(dāng)流體以速度0流過一平板上流過一平板上時(shí)，由于流體與平板間的摩擦力，在外延的情況下時(shí)，由于流體與平板間的摩擦力，在外延的情況下就是氣流與基座之間的摩擦力，使緊貼基座表面的就是氣流與基座之間的摩擦力，使緊貼基座表面的流體的流速為零，而離開

13、表面時(shí)，基座表面的影響流體的流速為零，而離開表面時(shí)，基座表面的影響逐漸減弱，達(dá)到某一距離后，流體仍以速度逐漸減弱，達(dá)到某一距離后，流體仍以速度0繼續(xù)繼續(xù)向前流動。向前流動。o在接近基座表面的流體中就出現(xiàn)一個(gè)流體速度受到在接近基座表面的流體中就出現(xiàn)一個(gè)流體速度受到干擾而變化的薄層，而在此薄層外的流速則不受影干擾而變化的薄層，而在此薄層外的流速則不受影響，稱此薄層為邊界層（停止層、滯留層）響，稱此薄層為邊界層（停止層、滯留層）o邊界層的厚度邊界層的厚度o （5-1） 0)(xAx停滯層模型（圖停滯層模型（圖5-9）生長速率生長速率 （5-21）P0反應(yīng)物分壓，反應(yīng)物分壓， 0氣流的平均速率，氣流的

14、平均速率， x沿基座的距離沿基座的距離 邊界層厚度邊界層厚度 （5-1） 0-1/2 G -1 01/2; )exp(1023. 700020006TbxTDRTDTpGSS0)(xAx討論討論o反應(yīng)物的分壓對生長速率的影響反應(yīng)物的分壓對生長速率的影響 G與分壓與分壓p0成正比成正比, p0 G o反應(yīng)物的流速對生長速率的影響反應(yīng)物的流速對生長速率的影響 0-1/2 0 G ,與圖與圖5-5 相符相符o生長速率與沿基座的距離生長速率與沿基座的距離x有關(guān)有關(guān) x G 引起襯底淀積不均勻引起襯底淀積不均勻)exp(1023. 700020006TbxTDRTDTpGSS（5-21）o為了使基座上所

15、有的襯底都能均勻淀積，埃威為了使基座上所有的襯底都能均勻淀積，埃威斯登提出將基座傾斜一個(gè)小的角度。（圖斯登提出將基座傾斜一個(gè)小的角度。（圖5-10）o 0 G o =2.9時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明： 氣流速度較低時(shí)，生長速率仍然沿其基座長氣流速度較低時(shí)，生長速率仍然沿其基座長度方向降低，如氣流適當(dāng)，在基座度方向降低，如氣流適當(dāng)，在基座80%的位置的位置上生長速率波動小于上生長速率波動小于2%0)(xAx外延生長速率的影響因素外延生長速率的影響因素o反應(yīng)物的濃度對生長速率的影響反應(yīng)物的濃度對生長速率的影響 GY ， 與反應(yīng)濃度較小的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與反應(yīng)濃度較小的實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖圖5-3)符符合合

16、 。隨著。隨著Y，G達(dá)最大值，隨著達(dá)最大值，隨著YGo反應(yīng)的溫度對生長速率的影響反應(yīng)的溫度對生長速率的影響 低溫時(shí)，低溫時(shí)， T G ；高溫時(shí)；高溫時(shí)T G變化不大變化不大(圖圖5-4 )o反應(yīng)物的流速對生長速率的影響反應(yīng)物的流速對生長速率的影響 0 G , G 0平方根，平方根，與圖與圖5-5 相符相符o襯底晶向?qū)ιL速率的影響襯底晶向?qū)ιL速率的影響 5.35.3硅外延層電阻率的控制硅外延層電阻率的控制o外延層中的雜質(zhì)與摻雜外延層中的雜質(zhì)與摻雜o外延層中雜質(zhì)的再分布外延層中雜質(zhì)的再分布o(jì)外延層中的自摻雜外延層中的自摻雜5.3.1外延層中的雜質(zhì)與摻雜外延層中的雜質(zhì)與摻雜1.外延層中的雜質(zhì)外延

17、層中的雜質(zhì)o N總總=N襯底襯底N擴(kuò)散擴(kuò)散 N氣氣 N基座基座 N系統(tǒng)系統(tǒng)nN襯底襯底由襯底中揮發(fā)出來的雜質(zhì)在外延生長時(shí)摻入外延層由襯底中揮發(fā)出來的雜質(zhì)在外延生長時(shí)摻入外延層中雜質(zhì)濃度中雜質(zhì)濃度nN擴(kuò)散擴(kuò)散襯底中的雜質(zhì)經(jīng)過固相擴(kuò)散進(jìn)入外延層中的雜質(zhì)濃襯底中的雜質(zhì)經(jīng)過固相擴(kuò)散進(jìn)入外延層中的雜質(zhì)濃度度nN氣氣外延層中來自混合氣體的雜質(zhì)濃度外延層中來自混合氣體的雜質(zhì)濃度nN基座基座來自基座的雜質(zhì)濃度來自基座的雜質(zhì)濃度nN系統(tǒng)系統(tǒng)來自除上述因素以外整個(gè)生長系統(tǒng)引入的雜質(zhì)濃度來自除上述因素以外整個(gè)生長系統(tǒng)引入的雜質(zhì)濃度N氣氣N基座基座N系統(tǒng)系統(tǒng)外摻雜外摻雜 N擴(kuò)散擴(kuò)散N襯底襯底自摻雜自摻雜 N氣氣起主導(dǎo)

18、作用，其他會干擾電阻率的控制起主導(dǎo)作用，其他會干擾電阻率的控制5.3.1外延層中的雜質(zhì)與摻雜外延層中的雜質(zhì)與摻雜2.外延層中的摻雜外延層中的摻雜oN型摻雜劑：型摻雜劑：PCl3 AsCl3 SbCl3 AsH3oP型摻雜劑：型摻雜劑：BCl3 BBr3 B2H65.3.2外延層中的雜質(zhì)的再分布外延層中的雜質(zhì)的再分布o(jì)在外延層中含有和襯底中的雜質(zhì)不同類型的在外延層中含有和襯底中的雜質(zhì)不同類型的雜質(zhì)，或者是同一種類型的雜質(zhì)，但其濃度雜質(zhì)，或者是同一種類型的雜質(zhì)，但其濃度不同。不同。o通常希望外延外延層和襯底之間界面處的摻通常希望外延外延層和襯底之間界面處的摻雜濃度梯度很陡雜濃度梯度很陡o外延生長的

19、溫度較高，襯底中的雜質(zhì)會擴(kuò)散外延生長的溫度較高，襯底中的雜質(zhì)會擴(kuò)散進(jìn)入外延層，使外延層和襯底之間界面處的進(jìn)入外延層，使外延層和襯底之間界面處的雜質(zhì)濃度梯度變平，如圖雜質(zhì)濃度梯度變平，如圖5-11n擴(kuò)散效應(yīng)擴(kuò)散效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)，：襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)，在外延生長時(shí)互相擴(kuò)散，引起襯底與外延層界在外延生長時(shí)互相擴(kuò)散，引起襯底與外延層界面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變化的現(xiàn)象面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變化的現(xiàn)象n自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)進(jìn)入氣相中再摻入：襯底中的雜質(zhì)進(jìn)入氣相中再摻入外延層稱為自摻雜效應(yīng)外延層稱為自摻雜效應(yīng)5.3.3外延層生長中的自摻雜外延層生長中的自摻雜o襯底中的雜

20、質(zhì)進(jìn)入氣相中再摻入外延層稱為自摻雜襯底中的雜質(zhì)進(jìn)入氣相中再摻入外延層稱為自摻雜效應(yīng)效應(yīng)o自摻雜效應(yīng)產(chǎn)生的原因：自摻雜效應(yīng)產(chǎn)生的原因：n在外延前熱處理過程中，襯底中的雜質(zhì)由正面和背面以在外延前熱處理過程中，襯底中的雜質(zhì)由正面和背面以元素形式進(jìn)入氣相中，在停滯層儲存，在外延時(shí)摻入生元素形式進(jìn)入氣相中，在停滯層儲存，在外延時(shí)摻入生長層。外延生長后襯底正面的雜質(zhì)蒸發(fā)受限制，主要由長層。外延生長后襯底正面的雜質(zhì)蒸發(fā)受限制，主要由襯底內(nèi)擴(kuò)散到背面，以元素形式蒸發(fā)而來襯底內(nèi)擴(kuò)散到背面，以元素形式蒸發(fā)而來n如果使用鹵化物硅源外延生長，產(chǎn)生大量副產(chǎn)物如果使用鹵化物硅源外延生長，產(chǎn)生大量副產(chǎn)物HCl，襯底中的雜質(zhì)

21、會生成相應(yīng)的鹵化物，進(jìn)入停滯層，然后襯底中的雜質(zhì)會生成相應(yīng)的鹵化物，進(jìn)入停滯層，然后一部分被還原摻入外延層一部分被還原摻入外延層n除了上述因素，由基座、反應(yīng)室、氣流系統(tǒng)的污染也能除了上述因素，由基座、反應(yīng)室、氣流系統(tǒng)的污染也能造成自摻雜造成自摻雜自摻雜效應(yīng)產(chǎn)生的影響自摻雜效應(yīng)產(chǎn)生的影響o使外延層電阻率控制受到干擾使外延層電阻率控制受到干擾o使襯底外延層界面處雜質(zhì)分布變換使襯底外延層界面處雜質(zhì)分布變換o造成器件特性偏離，可靠性降低造成器件特性偏離，可靠性降低抑制自摻雜的途徑：抑制自摻雜的途徑：o減少雜質(zhì)從襯底逸出減少雜質(zhì)從襯底逸出n使用蒸發(fā)速度小的雜質(zhì)做襯底和埋層中的雜質(zhì)使用蒸發(fā)速度小的雜質(zhì)做襯

22、底和埋層中的雜質(zhì)n外延生長前高溫加熱襯底，使硅襯底表面附近形成一雜外延生長前高溫加熱襯底，使硅襯底表面附近形成一雜質(zhì)耗盡層，再外延時(shí)雜質(zhì)逸出速度減少自摻雜效應(yīng)質(zhì)耗盡層，再外延時(shí)雜質(zhì)逸出速度減少自摻雜效應(yīng)n采用背面封閉技術(shù)采用背面封閉技術(shù)n采用低溫外延和不含鹵素的硅源采用低溫外延和不含鹵素的硅源n采用二段外延生長采用二段外延生長 o使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)不再進(jìn)入外延層（低壓外使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)不再進(jìn)入外延層（低壓外延）延）5.4 硅外延層的缺陷硅外延層的缺陷分類：分類：o表面缺陷表面缺陷(宏觀缺陷宏觀缺陷)n云霧：表面呈乳白色條紋云霧：表面呈乳白色條紋n角錐體：又稱三角錐角錐體：又稱三角錐n

23、亮點(diǎn)：烏黑發(fā)亮的小圓點(diǎn)，顯微鏡下呈小突起亮點(diǎn)：烏黑發(fā)亮的小圓點(diǎn)，顯微鏡下呈小突起n塌邊：取向平面外延片的邊緣比中間低形成斜平面塌邊：取向平面外延片的邊緣比中間低形成斜平面n劃痕：機(jī)械損傷劃痕：機(jī)械損傷n滑移線滑移線o內(nèi)部缺陷內(nèi)部缺陷(微觀缺陷微觀缺陷)n位錯(cuò)位錯(cuò)n層錯(cuò)層錯(cuò)內(nèi)部缺陷內(nèi)部缺陷(微觀缺陷微觀缺陷)o位錯(cuò)：主要是原襯底位錯(cuò)延伸引入位錯(cuò)：主要是原襯底位錯(cuò)延伸引入o位錯(cuò)產(chǎn)生的原因：位錯(cuò)產(chǎn)生的原因：n硅片上溫度分布不均勻，產(chǎn)生溫度梯度使片子硅片上溫度分布不均勻，產(chǎn)生溫度梯度使片子發(fā)生翹曲產(chǎn)生位錯(cuò)（采用紅外輻射加熱使基底發(fā)生翹曲產(chǎn)生位錯(cuò)（采用紅外輻射加熱使基底和片子受熱均勻）和片子受熱均勻）n

24、摻雜或異質(zhì)外延是，由于雜質(zhì)原子和硅原子的摻雜或異質(zhì)外延是，由于雜質(zhì)原子和硅原子的原子半徑和晶格參數(shù)差異，引入內(nèi)應(yīng)力使外延原子半徑和晶格參數(shù)差異，引入內(nèi)應(yīng)力使外延片彎曲變形，產(chǎn)生位錯(cuò)（應(yīng)力補(bǔ)償片彎曲變形，產(chǎn)生位錯(cuò)（應(yīng)力補(bǔ)償在擴(kuò)散在擴(kuò)散或外延時(shí)同時(shí)引入兩種雜質(zhì)使它們產(chǎn)生應(yīng)變正或外延時(shí)同時(shí)引入兩種雜質(zhì)使它們產(chǎn)生應(yīng)變正好相反，相互補(bǔ)償，減少或避免晶格發(fā)生畸變）好相反，相互補(bǔ)償，減少或避免晶格發(fā)生畸變）層錯(cuò)層錯(cuò)o層錯(cuò)層錯(cuò):由于外延層晶格與襯底晶格之間的失由于外延層晶格與襯底晶格之間的失配所造成的。配所造成的。o當(dāng)硅原子在襯底上不完整區(qū)域成核淀積時(shí)，當(dāng)硅原子在襯底上不完整區(qū)域成核淀積時(shí)，就可能破壞襯底原來

25、的規(guī)則排列方式，而使就可能破壞襯底原來的規(guī)則排列方式，而使外延層晶格和襯底晶格發(fā)生失配現(xiàn)象。（圖外延層晶格和襯底晶格發(fā)生失配現(xiàn)象。（圖5-16）o產(chǎn)生的原因：產(chǎn)生的原因：n襯底表面的襯底表面的 損傷和玷污、摻雜劑不純、晶格失配、損傷和玷污、摻雜劑不純、晶格失配、生長速度過快等生長速度過快等o消除層錯(cuò)的方法：消除層錯(cuò)的方法：n襯底無劃痕、亮點(diǎn)、表面光潔，反應(yīng)系統(tǒng)干凈襯底無劃痕、亮點(diǎn)、表面光潔，反應(yīng)系統(tǒng)干凈n外延前進(jìn)行氣相拋光外延前進(jìn)行氣相拋光n襯底外延前熱處理襯底外延前熱處理o層錯(cuò)是外延層的特征缺陷，本身不改變外延層錯(cuò)是外延層的特征缺陷，本身不改變外延層的電學(xué)性質(zhì)，但可引起擴(kuò)散雜質(zhì)分布不均，層的

26、電學(xué)性質(zhì)，但可引起擴(kuò)散雜質(zhì)分布不均，成為重金屬雜質(zhì)的凝聚中心成為重金屬雜質(zhì)的凝聚中心o層錯(cuò)的產(chǎn)生大多在襯底和外延層的交界面產(chǎn)層錯(cuò)的產(chǎn)生大多在襯底和外延層的交界面產(chǎn)生，延伸到表面。生，延伸到表面。o外延層生長方向不同，在表面上所顯露的缺外延層生長方向不同，在表面上所顯露的缺陷圖形也就不同。陷圖形也就不同。o缺陷圖形的邊長與外延層的厚度之間存在一缺陷圖形的邊長與外延層的厚度之間存在一定的比例關(guān)系定的比例關(guān)系o根據(jù)層錯(cuò)可以估算、外延層的厚度根據(jù)層錯(cuò)可以估算、外延層的厚度 (111) 正四面體，表面等邊三角形正四面體，表面等邊三角形 d=0.816l(110)表面是兩個(gè)方向相反的等腰三角形表面是兩個(gè)方

27、向相反的等腰三角形 d=0.577l(100)表面呈正方形表面呈正方形 d=0.707l5.5 硅的異質(zhì)外延硅的異質(zhì)外延oSOS( Silicon On Sapphire 或或 Silicon On Spinel )o藍(lán)寶石和尖晶石是良好的絕緣體，以它們?yōu)橐r底藍(lán)寶石和尖晶石是良好的絕緣體，以它們?yōu)橐r底外延生長硅制作的集成電路，可以消除集成元件外延生長硅制作的集成電路，可以消除集成元件之間的相互作用，減少漏電流和寄生電容，增強(qiáng)之間的相互作用，減少漏電流和寄生電容，增強(qiáng)抗輻射能力降低功耗?？馆椛淠芰档凸摹襯底材料的選擇襯底材料的選擇n外延材料與襯底的相容性外延材料與襯底的相容性n襯底對外延的

28、玷污襯底對外延的玷污n襯底與外延層的熱膨脹系數(shù)相近襯底與外延層的熱膨脹系數(shù)相近SOS的的外延生長外延生長o與硅的同質(zhì)外延與硅的同質(zhì)外延相同相同，但自摻雜，但自摻雜效應(yīng)嚴(yán)重效應(yīng)嚴(yán)重 SiCl42H2Si 4HCl Al2O3+2HCl+2H22AlCl(腐蝕襯底腐蝕襯底,產(chǎn)生缺陷產(chǎn)生缺陷)+3H2O 同時(shí)同時(shí)H2和淀積的硅對襯底有腐蝕作用，增加外延層的缺陷和淀積的硅對襯底有腐蝕作用，增加外延層的缺陷2H2+Al2O3 Al2O+ 2H2O 5Si +2Al2O3 Al2O+5SiO+2Alo解決生長與腐蝕的矛盾，采取的方法：解決生長與腐蝕的矛盾，采取的方法：n雙速率生長雙速率生長n兩步外延兩步外

29、延SOI(Silicon On Insulator 或或Semiconductor On Insulator)o是指在絕緣層上生長一層具有一定厚度的單是指在絕緣層上生長一層具有一定厚度的單晶硅薄膜晶硅薄膜o優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：n由于是介質(zhì)隔離，寄生電容小由于是介質(zhì)隔離，寄生電容小n由于是介質(zhì)隔離，降低噪聲提高器件的抗輻射由于是介質(zhì)隔離，降低噪聲提高器件的抗輻射性能性能n抑制了抑制了CMOS的閂鎖效應(yīng)的閂鎖效應(yīng)制備方法：制備方法：n熔化橫向法熔化橫向法nCVD橫向生長橫向生長n注氧隔離：將氧離子注入注氧隔離：將氧離子注入Si中再經(jīng)過高溫退火形成掩中再經(jīng)過高溫退火形成掩埋埋SiO2 n鍵合：不使用任何粘合

30、劑，利用物理作用，將兩種材鍵合：不使用任何粘合劑，利用物理作用，將兩種材料直接粘結(jié)在一起的技術(shù)料直接粘結(jié)在一起的技術(shù)o摩托羅拉公司與摩托羅拉公司與2001年首次報(bào)道在直徑年首次報(bào)道在直徑300mmSi片上，片上，采用分子束外延（采用分子束外延（MBE）生長）生長出高質(zhì)量的出高質(zhì)量的GaAs/Si異質(zhì)外延材料，異質(zhì)外延材料，大幅度降低大幅度降低了了GaAs外延層中的位錯(cuò)密度，并已用該材料制外延層中的位錯(cuò)密度，并已用該材料制出了用于手機(jī)中的功率放大器等器件和電路。出了用于手機(jī)中的功率放大器等器件和電路。低壓外延低壓外延o為了減小自摻雜效應(yīng)發(fā)展起來的一種外延工藝為了減小自摻雜效應(yīng)發(fā)展起來的一種外延工

31、藝o在低壓（在低壓（ ）下，氣）下，氣體分子密度變稀，分子的平均自由程增大，雜體分子密度變稀，分子的平均自由程增大，雜質(zhì)的擴(kuò)散速度加快，因此有襯底逸出的雜質(zhì)能質(zhì)的擴(kuò)散速度加快，因此有襯底逸出的雜質(zhì)能快速的穿過邊界層被排除反應(yīng)室，重新進(jìn)入外快速的穿過邊界層被排除反應(yīng)室，重新進(jìn)入外延層的機(jī)會大大減小，降低了自摻雜效應(yīng)對外延層的機(jī)會大大減小，降低了自摻雜效應(yīng)對外延層中雜質(zhì)濃度和分布的影響延層中雜質(zhì)濃度和分布的影響選擇外延選擇外延（Selective Epitaxial Growth）o是指利用外延生長的基本原理，在特定的區(qū)是指利用外延生長的基本原理，在特定的區(qū)域生長外延層而其他區(qū)域不生長的技術(shù)。域生長外延層而其他區(qū)域不生長的技術(shù)。o原理：根據(jù)在原理：根據(jù)在SiO2上成核的可能性很小上成核的可能性很?。ó愘|(zhì)外延），在（異質(zhì)外延），在Si上易成核（同質(zhì)外延）上易成核（同質(zhì)外延）的特性實(shí)現(xiàn)的特性實(shí)現(xiàn)選擇外延三種類型選擇外延三種類型o1.以硅為襯底，用以硅為襯底，用SiO2或或Si3N4為掩膜，為掩膜，利用光刻方法開出窗口，只在暴露出硅的窗利用光刻方法開出窗口，只在暴露出硅的窗口內(nèi)進(jìn)行外延生長口內(nèi)進(jìn)行外