《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件

《薄膜技術(shù)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！《薄膜技術(shù)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使第8章：晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)

第8章：晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)

《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件8.1外延層的生長(zhǎng) 8.1.1生長(zhǎng)的一般原理和過程 SiCl4的氫化復(fù)原——成核——長(zhǎng)大 8.1外延層的生長(zhǎng) 8.1.1生長(zhǎng)的一般原理和過程一般認(rèn)為反響過程是多形式的兩步過程如:(1)氣相中SiCl4+H2=SiCl2+2HCl生長(zhǎng)層外表2SiCl2=Si+SiCl4(2)氣相中SiCl4+H2=SiHCl3+HCl生長(zhǎng)層外表SHiCl3+H2=Si+3HCl一般認(rèn)為反響過程是多形式的兩步過程《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件在(111)面上生長(zhǎng),穩(wěn)定的是雙層面,位置7、8、9比位置1、2、3、4穩(wěn)定在(111)面上生長(zhǎng),穩(wěn)定的是雙層面,位置7、8、9比位置1在一定的襯底溫度下，1、2、3、4位的原子很容易擴(kuò)散（游離）到7、8、9相應(yīng)的位置，使生長(zhǎng)迅速在橫向擴(kuò)展。即，可看成是多成核中心的二維生長(zhǎng)。如：1200°C時(shí)V（111）~幾百埃/分V（112）~幾百微米/分在一定的襯底溫度下，1、2、3、4位的原子很容易擴(kuò)散（游離）8.1.2生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 與熱氧化過程不同的是，外延時(shí)只有氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程和外表吸附〔反響〕過程。8.1.2生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 與熱氧化過程不同的是，外延時(shí)因而，氣相外延是由下述步驟組成的多相過程 1〕反響劑分子以擴(kuò)散方式從氣相轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)層 外表 2〕反響劑分子在生長(zhǎng)層外表吸附； 3〕被吸附的反響劑分子在生長(zhǎng)層的外表完成化 學(xué)反響，產(chǎn)生硅原子及其它副產(chǎn)物； 4〕副產(chǎn)物分子叢外表解吸； 5〕解吸的副產(chǎn)物以擴(kuò)散的形式轉(zhuǎn)移到氣相，隨 主氣流排出反響腔； 6〕反響所生成的硅原子定位于晶格點(diǎn)陣，形成 單晶外延層；因而，氣相外延是由下述步驟組成的多相過程SubstrateContinuousfilm8) By-productremoval1) MasstransportofreactantsBy-products2) Filmprecursorreactions3) Diffusionofgasmolecules4) Adsorptionofprecursors5) Precursordiffusionintosubstrate6) Surfacereactions7) DesorptionofbyproductsExhaustGasdeliverySubstrateContinuousfilm8) By因而在反響劑濃度較小時(shí)有：KS為表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，hG氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移（傳輸）系數(shù)NT為分子總濃度，Y為反應(yīng)劑摩爾數(shù)v為外延層的生長(zhǎng)速率(14.2)因而在反響劑濃度較小時(shí)有：KS為表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，hG氣相質(zhì)1〕生長(zhǎng)速率和反響劑濃度的關(guān)系——正比 〔a〕！〔b〕、〔c〕？SiCl4（氣）+Si（固）2SiCl2（氣）1〕生長(zhǎng)速率和反響劑濃度的關(guān)系——正比 2〕生長(zhǎng)速率與外延溫度的關(guān)系 對(duì)于SiCl4，Ea~1.9eV SiH4，Ea~1.6eV DG0：0.1~1cm2s-1 a：1.75~2 2〕生長(zhǎng)速率與外延溫度的關(guān)系 在較高溫度下：kS>>hG 質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制 在較低溫度下：kS<<hG外表反響控制在較高溫度下：kS>>hG 質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制 在高溫段（質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制）生長(zhǎng)速率受溫度影響小，便于控制（可為±10°C）在高溫段（質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制）生長(zhǎng)速率受溫度影響小，便于控制（可為3〕生長(zhǎng)速率與襯底取向的關(guān)系 v(110)>v(100)>v(111)? 4)氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移 進(jìn)一步分析可得： 由這一公式可得出什么？3〕生長(zhǎng)速率與襯底取向的關(guān)系 v(110)>v(1008.1.3外延堆垛層錯(cuò)CCAAAAAAAAAAAAACCBBBCCCCCCCCCCCCCBBBAAABBBBBBBBBBBAAAAACCCAAAAAAAAACCCCCBBBBCCCCCCCCCBBBBBAAAAABBBBBBBAAAAAACCCCCCAAAAACCCCCCCBBBBBBBBCCCBBBBBBBBAAAAAAAABAAAAAAAAA 8.1.3外延堆垛層錯(cuò)《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件層錯(cuò)(失配晶核)產(chǎn)生的原因：晶面的缺陷(機(jī)械損傷、位錯(cuò)、微缺陷、氧化斑點(diǎn)、雜質(zhì)沉陷區(qū))和外表污染〔灰塵、雜質(zhì)等〕，氣體和反響劑的純度不夠，溫度過低或起伏過大，生長(zhǎng)速率過快等。HCl汽相拋光層錯(cuò)(失配晶核)產(chǎn)生的原因：晶面的缺陷(機(jī)械損傷、位8.2〔汽相〕外延生長(zhǎng)工藝8.2.1外延層中的摻雜 在外延反響劑中參加摻雜劑 〔如：PH3、PCl3、PCl5、AsCl3、AsH3、SbCl3、SbH3和BBr3、BCl3、B2H6等〕8.2〔汽相〕外延生長(zhǎng)工藝1〕摻雜濃度受汽相中的摻雜劑分氣壓控制 1〕摻雜濃度受汽相中的摻雜劑分氣壓控制 2〕生長(zhǎng)速率和溫度的影響 為什么溫度升高會(huì)使?jié)舛冉档停?〕生長(zhǎng)速率和溫度的影響 SiliconVaporPhaseEpitaxyReactorsExhaustExhaustExhaustRFheatingRFheatingGasinletGasinletHorizontalreactorBarrelreactorVerticalreactorSiliconVaporPhaseEpitaxyRe《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件8.2.2外延過程中的雜質(zhì)再分布和自摻雜 8.2.2外延過程中的雜質(zhì)再分布和自摻雜 1〕襯底雜質(zhì)的再分布N1 〔見page228〕 在外延區(qū)：時(shí)〔一般都成立〕 2〕摻入雜質(zhì)的再分布 總分布為：N=N1+N21〕襯底雜質(zhì)的再分布N1 〔見page228〕3〕自摻雜〔autodoping〕效應(yīng) 襯底中的雜質(zhì)不斷地蒸發(fā)出來，進(jìn)入總氣流并摻入外延層。4〕減小自摻雜效應(yīng)措施 襯底雜質(zhì)的選擇：〔擴(kuò)散系數(shù)小、蒸發(fā)速率低，如Sb〕 兩步外延、低溫〔變溫〕技術(shù)〔如選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)體系、光照、等離子體等〕、 低壓技術(shù)、掩蔽技術(shù)等8.2.3清潔技術(shù)8.2.4外延層性能檢測(cè) 電阻率、雜質(zhì)分布、厚度、缺陷3〕自摻雜〔autodoping〕效應(yīng) 襯底中的雜質(zhì)不斷《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件紅外干涉法IR（Infrared）Reflection，（coherence）Page369紅外干涉法IR（Infrared）Reflection，8.2.4外延過程中的圖形漂移 對(duì)策：晶向偏2~5°,含Cl,(100)8.2.4外延過程中的圖形漂移 對(duì)策：晶向偏2~58.3GaAs外延生長(zhǎng)工藝1〕汽相外延 難點(diǎn)：As壓與生長(zhǎng)速率的控制〔缺陷〕8.3GaAs外延生長(zhǎng)工藝2〕液相外延 〔LPE〕 特點(diǎn)：雜質(zhì)均勻、缺陷少，外表質(zhì)量差、厚度不易控制2〕液相外延 〔LPE〕 特點(diǎn)：雜質(zhì)均勻、缺陷少，《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件8.4異質(zhì)結(jié)問題晶格失配 對(duì)策：襯底材料的晶向、過度層8.4異質(zhì)結(jié)問題缺陷控制和摻雜問題 對(duì)策：催化、過度層；新技術(shù)；主流技術(shù)：氣相外延

《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件8.5先進(jìn)外延生技術(shù)1〕MBE〔molecularbeamepitaxy)8.5先進(jìn)外延生技術(shù)《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件可以控制到單原子層可以控制到單原子層《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件2)MOVPE(Metal-organicvaporphaseepitaxy) 金屬氧化物分解 (375~380) 如：三甲基銦、鎵〔ＴＭＩ、ＴＭＧａ〕 三乙基銦〔ＴＥＩ〕MR3〔金屬烷基〕+XH3〔氫化物〕=MX+3RH如：Ga〔CH3〕3+AsH3=GaAs+3CH4又如：xAlCH3〕3+〔1-x〕Ga〔CH3〕3+AsH3=GaAs+3CH4特點(diǎn)：低溫分解〔<500°C〕、生長(zhǎng)速率易于控制、雜質(zhì)易于控制、生產(chǎn)效率遠(yuǎn)高于MBE2)MOVPE(Metal-organicvaporph《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件3)SOI(SilicononInsulators) *SOS〔SilicononSapphire) 是一種異質(zhì)外延，通常Sapphire的晶向選為〔0112〕、〔1012〕、〔1102〕等*SIMOX(SeparationbyImplantedOxygen) 目前已經(jīng)較廣泛應(yīng)用

3)SOI(SilicononInsulators)《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件 *WaferBonding〔SmartCut〕Toformgasvoidlayer對(duì)于Si低溫<600°C；高質(zhì)量薄外延層<0.2m表面粗糙度<2?均勻性~5%（~200mm）金屬污染<5x1010/cm3 *WaferBonding〔SmartCut〕Tof選擇性外延(SEG)14.6選擇性外延(SEG)14.6Epi-layerFormationduringPlasma-BasedPECVDreactorContinuousfilm8) By-productremoval1) ReactantsenterchamberSubstrate2) Dissociation ofreactantsbyelectricfields3) Filmprecursorsareformed4) Adsorptionofprecursors5) Precursordiffusionintosubstrate6) Surfacereactions7) Desorptionofby-productsExhaustGasdeliveryRFgeneratorBy-productsElectrodeElectrodeRFfieldEpi-layerFormationduringPla《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使用學(xué)習(xí)完請(qǐng)自行刪除，謝謝！《薄膜技術(shù)》(2)幻燈片本課件PPT僅供大家學(xué)習(xí)使第8章：晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)

第8章：晶體外延生長(zhǎng)技術(shù)

《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件8.1外延層的生長(zhǎng) 8.1.1生長(zhǎng)的一般原理和過程 SiCl4的氫化復(fù)原——成核——長(zhǎng)大 8.1外延層的生長(zhǎng) 8.1.1生長(zhǎng)的一般原理和過程一般認(rèn)為反響過程是多形式的兩步過程如:(1)氣相中SiCl4+H2=SiCl2+2HCl生長(zhǎng)層外表2SiCl2=Si+SiCl4(2)氣相中SiCl4+H2=SiHCl3+HCl生長(zhǎng)層外表SHiCl3+H2=Si+3HCl一般認(rèn)為反響過程是多形式的兩步過程《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件在(111)面上生長(zhǎng),穩(wěn)定的是雙層面,位置7、8、9比位置1、2、3、4穩(wěn)定在(111)面上生長(zhǎng),穩(wěn)定的是雙層面,位置7、8、9比位置1在一定的襯底溫度下，1、2、3、4位的原子很容易擴(kuò)散（游離）到7、8、9相應(yīng)的位置，使生長(zhǎng)迅速在橫向擴(kuò)展。即，可看成是多成核中心的二維生長(zhǎng)。如：1200°C時(shí)V（111）~幾百埃/分V（112）~幾百微米/分在一定的襯底溫度下，1、2、3、4位的原子很容易擴(kuò)散（游離）8.1.2生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 與熱氧化過程不同的是，外延時(shí)只有氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移過程和外表吸附〔反響〕過程。8.1.2生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué) 與熱氧化過程不同的是，外延時(shí)因而，氣相外延是由下述步驟組成的多相過程 1〕反響劑分子以擴(kuò)散方式從氣相轉(zhuǎn)移到生長(zhǎng)層 外表 2〕反響劑分子在生長(zhǎng)層外表吸附； 3〕被吸附的反響劑分子在生長(zhǎng)層的外表完成化 學(xué)反響，產(chǎn)生硅原子及其它副產(chǎn)物； 4〕副產(chǎn)物分子叢外表解吸； 5〕解吸的副產(chǎn)物以擴(kuò)散的形式轉(zhuǎn)移到氣相，隨 主氣流排出反響腔； 6〕反響所生成的硅原子定位于晶格點(diǎn)陣，形成 單晶外延層；因而，氣相外延是由下述步驟組成的多相過程SubstrateContinuousfilm8) By-productremoval1) MasstransportofreactantsBy-products2) Filmprecursorreactions3) Diffusionofgasmolecules4) Adsorptionofprecursors5) Precursordiffusionintosubstrate6) Surfacereactions7) DesorptionofbyproductsExhaustGasdeliverySubstrateContinuousfilm8) By因而在反響劑濃度較小時(shí)有：KS為表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，hG氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移（傳輸）系數(shù)NT為分子總濃度，Y為反應(yīng)劑摩爾數(shù)v為外延層的生長(zhǎng)速率(14.2)因而在反響劑濃度較小時(shí)有：KS為表面化學(xué)反應(yīng)系數(shù)，hG氣相質(zhì)1〕生長(zhǎng)速率和反響劑濃度的關(guān)系——正比 〔a〕！〔b〕、〔c〕？SiCl4（氣）+Si（固）2SiCl2（氣）1〕生長(zhǎng)速率和反響劑濃度的關(guān)系——正比 2〕生長(zhǎng)速率與外延溫度的關(guān)系 對(duì)于SiCl4，Ea~1.9eV SiH4，Ea~1.6eV DG0：0.1~1cm2s-1 a：1.75~2 2〕生長(zhǎng)速率與外延溫度的關(guān)系 在較高溫度下：kS>>hG 質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制 在較低溫度下：kS<<hG外表反響控制在較高溫度下：kS>>hG 質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制 在高溫段（質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制）生長(zhǎng)速率受溫度影響小，便于控制（可為±10°C）在高溫段（質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制）生長(zhǎng)速率受溫度影響小，便于控制（可為3〕生長(zhǎng)速率與襯底取向的關(guān)系 v(110)>v(100)>v(111)? 4)氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移 進(jìn)一步分析可得： 由這一公式可得出什么？3〕生長(zhǎng)速率與襯底取向的關(guān)系 v(110)>v(1008.1.3外延堆垛層錯(cuò)CCAAAAAAAAAAAAACCBBBCCCCCCCCCCCCCBBBAAABBBBBBBBBBBAAAAACCCAAAAAAAAACCCCCBBBBCCCCCCCCCBBBBBAAAAABBBBBBBAAAAAACCCCCCAAAAACCCCCCCBBBBBBBBCCCBBBBBBBBAAAAAAAABAAAAAAAAA 8.1.3外延堆垛層錯(cuò)《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件層錯(cuò)(失配晶核)產(chǎn)生的原因：晶面的缺陷(機(jī)械損傷、位錯(cuò)、微缺陷、氧化斑點(diǎn)、雜質(zhì)沉陷區(qū))和外表污染〔灰塵、雜質(zhì)等〕，氣體和反響劑的純度不夠，溫度過低或起伏過大，生長(zhǎng)速率過快等。HCl汽相拋光層錯(cuò)(失配晶核)產(chǎn)生的原因：晶面的缺陷(機(jī)械損傷、位8.2〔汽相〕外延生長(zhǎng)工藝8.2.1外延層中的摻雜 在外延反響劑中參加摻雜劑 〔如：PH3、PCl3、PCl5、AsCl3、AsH3、SbCl3、SbH3和BBr3、BCl3、B2H6等〕8.2〔汽相〕外延生長(zhǎng)工藝1〕摻雜濃度受汽相中的摻雜劑分氣壓控制 1〕摻雜濃度受汽相中的摻雜劑分氣壓控制 2〕生長(zhǎng)速率和溫度的影響 為什么溫度升高會(huì)使?jié)舛冉档停?〕生長(zhǎng)速率和溫度的影響 SiliconVaporPhaseEpitaxyReactorsExhaustExhaustExhaustRFheatingRFheatingGasinletGasinletHorizontalreactorBarrelreactorVerticalreactorSiliconVaporPhaseEpitaxyRe《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件8.2.2外延過程中的雜質(zhì)再分布和自摻雜 8.2.2外延過程中的雜質(zhì)再分布和自摻雜 1〕襯底雜質(zhì)的再分布N1 〔見page228〕 在外延區(qū)：時(shí)〔一般都成立〕 2〕摻入雜質(zhì)的再分布 總分布為：N=N1+N21〕襯底雜質(zhì)的再分布N1 〔見page228〕3〕自摻雜〔autodoping〕效應(yīng) 襯底中的雜質(zhì)不斷地蒸發(fā)出來，進(jìn)入總氣流并摻入外延層。4〕減小自摻雜效應(yīng)措施 襯底雜質(zhì)的選擇：〔擴(kuò)散系數(shù)小、蒸發(fā)速率低，如Sb〕 兩步外延、低溫〔變溫〕技術(shù)〔如選擇適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)體系、光照、等離子體等〕、 低壓技術(shù)、掩蔽技術(shù)等8.2.3清潔技術(shù)8.2.4外延層性能檢測(cè) 電阻率、雜質(zhì)分布、厚度、缺陷3〕自摻雜〔autodoping〕效應(yīng) 襯底中的雜質(zhì)不斷《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件紅外干涉法IR（Infrared）Reflection，（coherence）Page369紅外干涉法IR（Infrared）Reflection，8.2.4外延過程中的圖形漂移 對(duì)策：晶向偏2~5°,含Cl,(100)8.2.4外延過程中的圖形漂移 對(duì)策：晶向偏2~58.3GaAs外延生長(zhǎng)工藝1〕汽相外延 難點(diǎn)：As壓與生長(zhǎng)速率的控制〔缺陷〕8.3GaAs外延生長(zhǎng)工藝2〕液相外延 〔LPE〕 特點(diǎn)：雜質(zhì)均勻、缺陷少，外表質(zhì)量差、厚度不易控制2〕液相外延 〔LPE〕 特點(diǎn)：雜質(zhì)均勻、缺陷少，《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件8.4異質(zhì)結(jié)問題晶格失配 對(duì)策：襯底材料的晶向、過度層8.4異質(zhì)結(jié)問題缺陷控制和摻雜問題 對(duì)策：催化、過度層；新技術(shù)；主流技術(shù)：氣相外延

《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件8.5先進(jìn)外延生技術(shù)1〕MBE〔molecularbeamepitaxy)8.5先進(jìn)外延生技術(shù)《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件可以控制到單原子層可以控制到單原子層《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件《薄膜技術(shù)》-教學(xué)課件2)MOVPE(Metal-organicvaporphaseepitaxy) 金屬氧化物分解 (375~380) 如：三甲基銦、鎵〔ＴＭＩ、ＴＭＧａ〕 三乙基銦〔ＴＥＩ〕MR3〔金屬烷基〕+XH3〔氫化物〕=MX+3RH如：Ga〔CH3〕3+AsH3=GaAs+3CH4