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1、微电子工艺基础微电子工艺基础 第第4章章 外延工艺外延工艺1微电子工艺基础微电子工艺基础 2第第4章章 外延工艺外延工艺本章（本章（3学时）目标：学时）目标：1、了解相图和固溶度的概念、了解相图和固溶度的概念2、了解外延技术的特点和应用、了解外延技术的特点和应用3、掌握外延的分类、掌握外延的分类4、掌握气相外延的原理、步骤、掌握气相外延的原理、步骤5、了解分子束外延的实现方式和优点、了解分子束外延的实现方式和优点2微电子工艺基础微电子工艺基础 3第第4章章 外延工艺外延工艺一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念二、外延工艺二、外延工艺 1 1、概述、概述、概述、概述 2 2、硅的气相外延
2、、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延 3 3、掺杂、掺杂、掺杂、掺杂 4 4、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测 5 5、外延的应用、外延的应用、外延的应用、外延的应用三、其它外延三、其它外延3微电子工艺基础微电子工艺基础 4第第4章章 外延工艺外延工艺 一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念1、定义、定义n相图相图 半半导体材料，即使是硅也多以掺杂混合物状态出现的。导体材料，即使是硅也多以掺杂混合物状态出现的。n相图是表达混合材料性质的一种简便方法。相图是表达混合材料性质的一种简便方法。n相图与大气压也有关，微电子工艺中一般只用常压状态相图相图与大气压也有关，微电子工
3、艺中一般只用常压状态相图 金属及其他工程材料的性能决定于其内部的组织、结构，金属等材料金属及其他工程材料的性能决定于其内部的组织、结构，金属等材料的组织又由基本的相所组成。由一个相所组成的组织叫单相组织，两个的组织又由基本的相所组成。由一个相所组成的组织叫单相组织，两个或两个以上的相组成的叫两相或多相组织。或两个以上的相组成的叫两相或多相组织。 相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所相图就是用来表示材料相的状态和温度及成分关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态。表示的相的状态是平衡状态。 表达混合材料性质的一种很简便的方式就是相图。二元相图可以看作表达混合材料性质的
4、一种很简便的方式就是相图。二元相图可以看作是标示出两种材料混合物稳定相区域的一种图，这些相区域是组成百分是标示出两种材料混合物稳定相区域的一种图，这些相区域是组成百分比和温度的函数。相图也可能依赖于气压。比和温度的函数。相图也可能依赖于气压。4微电子工艺基础微电子工艺基础 52、二元相图、二元相图二二元元相相图图可可以以看看做做是是表表示示出出两两种种材材料料混混合合物物稳稳定定相相区区域域的的一一种种图图，这这些些相相区区域域是是组组分分百百分分比比和和温温度度的的函数函数第第4章章 外延工艺外延工艺 一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念5微电子工艺基础微电子工艺基础 6141493
5、8.3硅原子百分比硅重量百分比固相液相Ge-Si相图第第4章章 外延工艺外延工艺 一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念6微电子工艺基础微电子工艺基础 73、固溶度、固溶度杂质浓度通常用单位体积内的原子数来表示。杂质浓度通常用单位体积内的原子数来表示。例如硅中砷原子浓度例如硅中砷原子浓度3.5%相当于相当于1.75X1021cm-3第第4章章 外延工艺外延工艺 一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念n固溶度固溶度n在平衡态下，一种杂质可以溶在另一种材料的在平衡态下，一种杂质可以溶在另一种材料的最高浓度最高浓度,或者说溶质固溶于溶剂内所形成的饱或者说溶质固溶于溶剂内所形成的饱和固溶体
6、内溶质的浓度。和固溶体内溶质的浓度。 7微电子工艺基础微电子工艺基础 83、固溶度、固溶度相当于3%第第4章章 外延工艺外延工艺 一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念8微电子工艺基础微电子工艺基础 93、固溶度、固溶度掺掺杂杂浓浓度度可可以以超超过过固固溶溶度度。给给含含杂杂质质原原子子的的圆圆片片加加热热，再快速冷却，杂质浓度可超出其固溶度的再快速冷却，杂质浓度可超出其固溶度的1010倍以上。倍以上。淬火：淬火：硅硅片片冷冷却却导导致致杂杂质质成成分分在在硅硅晶晶体体内内形形成成固固体体淀淀积积（当当然然也也可可能能有有较较少少部部分分跑跑出出晶晶格格表表面面），如如果果冷冷却却足足
7、够够快快，那那么么淀淀积积是是无无法法形形成成的的，而而比比热热力力学学平平衡衡条条件件所所允允许许的的更更高高浓浓度度的的杂杂质质就就被被冻冻结结在在硅硅晶晶格格之中了，冶金学家称此过程为淬火之中了，冶金学家称此过程为淬火。第第4章章 外延工艺外延工艺 一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念9微电子工艺基础微电子工艺基础 10第第4章章 外延工艺外延工艺一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念二、外延工艺二、外延工艺 1 1、概述、概述、概述、概述 2 2、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延 3 3、掺杂、掺杂、掺杂、掺杂 4 4、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与
8、检测、缺陷与检测 5 5、外延的应用、外延的应用、外延的应用、外延的应用三、其它外延三、其它外延10微电子工艺基础微电子工艺基础 11第第4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺1、概述、概述（1）外延定义：）外延定义：在单晶衬底上新生一层单晶膜的技术。在单晶衬底上新生一层单晶膜的技术。以以气气相相外外延延为为例例，则则是是含含外外延延层层材材料料的的物物质质以以气气相相形形式式流流向向衬衬底底，在在高高温温下下发发生生化化学学反反应应，在在单单晶晶衬衬底底上上生生长长出出与与衬衬底取向一致的单晶。底取向一致的单晶。记作：记作：P/QP/Q（P P为外延层）为外延层）11微电子工艺基
9、础微电子工艺基础 121、概述、概述生成的晶体结构良好生成的晶体结构良好掺入的杂质浓度易控制掺入的杂质浓度易控制可形成接近突变可形成接近突变pnpn结的特点结的特点 （2）外延特点：）外延特点：第第4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺12微电子工艺基础微电子工艺基础 131、概述、概述（3）外延分类：）外延分类： 按工艺分类按工艺分类A A 气相外延（气相外延（VPEVPE） 利利用用硅硅的的气气态态化化合合物物或或者者液液态态化化合合物物的的蒸蒸汽汽，在在加加热热的的硅硅衬衬底底表表面面和和氢氢发发生生反反应应或或自身发生分解还原出硅。自身发生分解还原出硅。第第4章章 外延工艺
10、外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺13微电子工艺基础微电子工艺基础 14B B 液相外延（液相外延（LPELPE）衬衬底底在在液液相相中中，液液相相中中析析出出的的物物质质并并以以单单晶晶形形式式淀淀积积在在衬底表面的过程。衬底表面的过程。此法广泛应用于此法广泛应用于III-VIII-V族化合半导体的生长。族化合半导体的生长。原原因因是是化化合合物物在在高高温温下下易易分分解解，液液相相外外延延可可以以在在较较低低的的温度下完成。温度下完成。1、概述、概述（3）外延分类：）外延分类： 按工艺分类按工艺分类第第4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺14微电子工艺基础微电子工艺基础 1
11、5C固相外延（固相外延（SPE）D分子束外延（分子束外延（MBE）在超高真空条件下，利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原在超高真空条件下，利用薄膜组分元素受热蒸发所形成的原子或分子束，以很高的速度直接射到衬底表面，并在其上形子或分子束，以很高的速度直接射到衬底表面，并在其上形成外延层的技术。成外延层的技术。特点：生长时衬底温度低，外延膜的组分、掺杂浓度以及分特点：生长时衬底温度低，外延膜的组分、掺杂浓度以及分布可以实现原子级的精确控制布可以实现原子级的精确控制。 第第4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺1、概述、概述（3）外延分类：）外延分类： 按工艺分类按工艺分类15微电子工艺基
12、础微电子工艺基础 16 按导电类型分类按导电类型分类n型外延：型外延：n/n,n/p外延外延p型外延：型外延：p/n,p/p外延外延1、概述、概述（3）外延分类：）外延分类：第第4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺16微电子工艺基础微电子工艺基础 17 按按反应室形式反应室形式卧卧 式式 ： 产产 量量 大大 ， 设设 备备 结结 构构 简简 单单 ； 但但 是是 生生 成成 的的 外外 延延 层层 的的 厚厚 度度 和和 电电 阻阻 率率 的均匀性较差，外延生长时易出现滑移位错及片子弯曲。的均匀性较差，外延生长时易出现滑移位错及片子弯曲。立立式式：维维护护容容易易，外外延延层层
13、的的厚厚度度和和电电阻阻率率的的均均匀匀性性及及自自掺掺杂杂效效应应能能得得到到较好的控制；但设备大型话，制造难度大。较好的控制；但设备大型话，制造难度大。桶桶式式：较较好好的的防防止止外外延延滑滑移移位位错错，外外延延层层的的厚厚度度和和电电阻阻率率的的均均匀匀性性好好； 但设备结构复杂，不易维护。但设备结构复杂，不易维护。 1、概述、概述（3）外延分类：）外延分类：第第4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺17微电子工艺基础微电子工艺基础 18 按按反应室形式反应室形式1、概述、概述（3）外延分类：）外延分类：第第4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺18微电子工艺
14、基础微电子工艺基础 19 按材料异同分类按材料异同分类同质外延（同质外延（autoepitaxy）：）：异质外延（异质外延（heteroepitaxy）：）： 外延层和衬底为同种材料外延层和衬底为同种材料 例如硅上外延硅。例如硅上外延硅。 外外延延层层和和衬衬底底为为不不同同种种 材料材料例例如如SOI(绝绝缘缘体体上上硅硅)是是一一种种特特殊殊的的硅硅片片，其其结结构构的的主主要要特特点点是是在在有有源源层层和和衬衬底底层层之之间间插插入入绝绝缘缘层层埋埋氧氧层层来来隔隔断断有有源源层和衬底之间的电气连接层和衬底之间的电气连接) 1、概述、概述（3）外延分类：）外延分类：第第4章章 外延工艺
15、外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺19微电子工艺基础微电子工艺基础 20 按电阻率高低分类按电阻率高低分类正外延：正外延：低阻衬底上外延高阻层低阻衬底上外延高阻层n/n+n/n+ 反外延：反外延：高阻衬底上外延低阻层高阻衬底上外延低阻层1、概述、概述（3）外延分类：）外延分类：第第4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺20微电子工艺基础微电子工艺基础 21 按温度（按温度（1000度界）度界） 按压力（常压、低压按压力（常压、低压）1、概述、概述（3）外延分类：）外延分类：第第4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺21微电子工艺基础微电子工艺基础 22第第4章章 外延工
16、艺外延工艺一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念二、外延工艺二、外延工艺 1 1、概述、概述、概述、概述 2 2、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延 3 3、掺杂、掺杂、掺杂、掺杂 4 4、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测 5 5、外延的应用、外延的应用、外延的应用、外延的应用三、其它外延三、其它外延22微电子工艺基础微电子工艺基础 232、硅的气相外延、硅的气相外延（1） 原理原理在气相外延生长过程中，有两步在气相外延生长过程中，有两步：质量输运过程反应剂输运到衬底表面质量输运过程反应剂输运到衬底表面表面反应过程在衬底表面发生化学反应释放出硅原子表面反
17、应过程在衬底表面发生化学反应释放出硅原子 外延的过程外延的过程第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺23微电子工艺基础微电子工艺基础 24（1） 原理原理通常用的外延反应剂：通常用的外延反应剂：SiCl4 (*)、SiH2Cl2、 SiH4 、SiHCl3 外延反应剂外延反应剂2、硅的气相外延、硅的气相外延第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺24微电子工艺基础微电子工艺基础 25 SiCl4外延反应剂外延反应剂SiCl4 2H2 Si + 4HCl（1200度左右）度左右） （生长，腐蚀）（生长，腐蚀）SiCl4 Si 2SiCl2 （腐蚀硅）（腐蚀硅
18、）H2的作用：运载和稀释气体；的作用：运载和稀释气体； 还原剂还原剂上上述述两两个个反反应应的的综综合合结结果果外外延延生生长长的的同同时时伴伴随随有有衬衬底底的腐蚀。的腐蚀。（1） 原理原理2、硅的气相外延、硅的气相外延第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺25微电子工艺基础微电子工艺基础 26原理图：原理图：（1） 原理原理2、硅的气相外延、硅的气相外延第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺26微电子工艺基础微电子工艺基础 27（2） 外延生长速率外延生长速率 控制外延速率很关键控制外延速率很关键过快可能造成：过快可能造成：多晶生长多晶生长 外延层中
19、有过多的堆跺层错外延层中有过多的堆跺层错 夹渣夹渣2、硅的气相外延、硅的气相外延第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺27微电子工艺基础微电子工艺基础 28 影响外延生长速率的因素影响外延生长速率的因素A 反应剂的浓度反应剂的浓度工业典型条件Y=0.005-0.01（2） 外延生长速率外延生长速率2、硅的气相外延、硅的气相外延第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺28微电子工艺基础微电子工艺基础 29 影响外延生长速率的因素影响外延生长速率的因素B 外延的温度外延的温度在在实实际际生生产产中中：外外延延温温度度选选择择在在B区原因有二。区原因有二。a）
20、B区的温度依赖型强；区的温度依赖型强；b） 淀淀积积的的硅硅原原子子也也需需要要足足够够的能量和迁移能力，高温的能量和迁移能力，高温（2） 外延生长速率外延生长速率2、硅的气相外延、硅的气相外延第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺29微电子工艺基础微电子工艺基础 30 影响外延生长速率的因素影响外延生长速率的因素C 气体流速气体流速由由于于1200高高温温下下到到达达衬衬底底表表面面的的不不会会堆堆积积：因因此此流流速速越越大大，外延层的生长速率越快。外延层的生长速率越快。（2） 外延生长速率外延生长速率2、硅的气相外延、硅的气相外延第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、
21、外延工艺二、外延工艺30微电子工艺基础微电子工艺基础 31 影响外延生长速率的因素影响外延生长速率的因素D 其它其它反应腔界面形状等。反应腔界面形状等。（2） 外延生长速率外延生长速率2、硅的气相外延、硅的气相外延第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺31微电子工艺基础微电子工艺基础 32 系统要求系统要求 气密性好；气密性好；温度均匀；温度均匀；气流均匀；气流均匀；反应剂和掺杂剂的浓度和流量精确可控；反应剂和掺杂剂的浓度和流量精确可控；外延前能对衬底做气相抛光；外延前能对衬底做气相抛光；（2） 外延生长速率外延生长速率2、硅的气相外延、硅的气相外延第第4 4章章 外延工艺
22、外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺32微电子工艺基础微电子工艺基础 33（3） 系统及工序系统及工序 工序（参见教材图工序（参见教材图12.35）2、硅的气相外延、硅的气相外延第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺33微电子工艺基础微电子工艺基础 34第第4章章 外延工艺外延工艺一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念二、外延工艺二、外延工艺 1 1、概述、概述、概述、概述 2 2、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延 3 3、掺杂、掺杂、掺杂、掺杂 4 4、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测 5 5、外延的应用、外延的应用、外延的应用、外
23、延的应用三、其它外延三、其它外延34微电子工艺基础微电子工艺基础 353、掺杂、掺杂按按器器件件对对外外延延导导电电性性和和电电阻阻率率的的要要求求，在在外外延的同时掺入适量的杂质，这称为有意掺杂延的同时掺入适量的杂质，这称为有意掺杂。（1）有意掺杂）有意掺杂有意掺杂的掺杂剂：通常为氢化物或者氯化物有意掺杂的掺杂剂：通常为氢化物或者氯化物例如：例如：N型为型为PH3 、 AsH3、PCl3、 AsCl3例如：例如：P型为型为B2H6剧毒剧毒第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺35微电子工艺基础微电子工艺基础 36掺杂剂的掺杂也包括质量传输和表面化学反应过程。掺杂剂的掺杂也
24、包括质量传输和表面化学反应过程。（1）有意掺杂）有意掺杂外延层的掺杂量影响因素：外延层的掺杂量影响因素： A 掺杂剂的浓度掺杂剂的浓度 B 衬底温度衬底温度 C 淀积速率等其他因素淀积速率等其他因素3、掺杂、掺杂第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺36微电子工艺基础微电子工艺基础 37（1）有意掺杂）有意掺杂外外延延层层的的掺掺杂杂浓浓度度与与掺掺杂杂剂剂初初始始分分压压的的关关系：系：3、掺杂、掺杂第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺37微电子工艺基础微电子工艺基础 38（2）自掺杂（可参考教材）自掺杂（可参考教材P258中间部分）中间部分）大大多
25、多数数VLSI电电路路要要求求在在重重掺掺杂杂（1019-1020cm-3）衬底上外延轻掺杂（）衬底上外延轻掺杂（ 1014-1017cm-3 ）层。）层。外延层通常会有三个无意掺杂过程发生。外延层通常会有三个无意掺杂过程发生。衬衬底底中中的的杂杂质质因因挥挥发发等等而而进进入入气气流流，然然后后重重新新返返回回外外延层。延层。3、掺杂、掺杂第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺38微电子工艺基础微电子工艺基础 393、掺杂、掺杂（3）杂质外扩散（可参考教材）杂质外扩散（可参考教材P258中间部分）中间部分）重掺杂衬底中的杂质通过热扩散进入外延层。重掺杂衬底中的杂质通过热扩
26、散进入外延层。第第4 4章章 外延工艺外延工艺 二、外延工艺二、外延工艺39微电子工艺基础微电子工艺基础 403、掺杂、掺杂（3）杂质外扩散（可参考教材）杂质外扩散（可参考教材P258中间部分）中间部分）杂质分布曲线：（其中杂质分布曲线：（其中N（x） = N1 （x） + N2 （x） ）第第4章章外延工艺外延工艺二、外延工艺二、外延工艺40微电子工艺基础微电子工艺基础 413、掺杂、掺杂（3）杂质外扩散）杂质外扩散综合自掺杂效应和互扩散效应。杂质浓度分布曲线综合自掺杂效应和互扩散效应。杂质浓度分布曲线：第第4章章外延工艺外延工艺二、外延工艺二、外延工艺41微电子工艺基础微电子工艺基础 42
27、第第4章章 外延工艺外延工艺一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念二、外延工艺二、外延工艺 1 1、概述、概述、概述、概述 2 2、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延 3 3、掺杂、掺杂、掺杂、掺杂 4 4、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测 5 5、外延的应用、外延的应用、外延的应用、外延的应用三、其它外延三、其它外延42微电子工艺基础微电子工艺基础 434、缺陷与检测、缺陷与检测（1）缺陷种类（参见教材P256）a 存在于衬底中并连续延伸到外延层中的位错存在于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衬底表面的析出杂质或残留的
28、氧化物 堆跺层错（参见教材堆跺层错（参见教材p257最下部分）最下部分）c 外延层中的析出杂质外延层中的析出杂质d 与工艺或表面加工有关形成的表面锥体缺陷与工艺或表面加工有关形成的表面锥体缺陷e 衬底堆跺层错的延伸衬底堆跺层错的延伸第第4章章外延工艺外延工艺二、外延工艺二、外延工艺43微电子工艺基础微电子工艺基础 444、缺陷与检测、缺陷与检测（2）参数测量第第4章章外延工艺外延工艺二、外延工艺二、外延工艺44微电子工艺基础微电子工艺基础 45第第4章章 外延工艺外延工艺一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念二、外延工艺二、外延工艺 1 1、概述、概述、概述、概述 2 2、硅的气相外延、
29、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延 3 3、掺杂、掺杂、掺杂、掺杂 4 4、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测 5 5、外延的应用、外延的应用、外延的应用、外延的应用三、其它外延三、其它外延45微电子工艺基础微电子工艺基础 465 5、外延的应用、外延的应用、外延的应用、外延的应用*（1）双极型电路 n/n+外延在在n型外延层上制作高频功率晶体管型外延层上制作高频功率晶体管n+用作机械支撑和导电层，同时降低了集电极的串联电阻用作机械支撑和导电层，同时降低了集电极的串联电阻n提高了集电极基极之间的击穿电压。提高了集电极基极之间的击穿电压。第第4章章外延工艺外延工艺二、外延工艺二
30、、外延工艺46微电子工艺基础微电子工艺基础 475、外延的应用、外延的应用（1）双极型电路 n/p外延双双极极型型传传统统工工艺艺在在p衬衬底底上上进进行行n型型外外延延（P257中中间最后一句话）间最后一句话）通通过过简简单单的的p型型杂杂质质隔隔离离扩扩散散，实实现现双双极极型型集集成成电电路路元器件的隔离。元器件的隔离。第第4章章外延工艺外延工艺二、外延工艺二、外延工艺47微电子工艺基础微电子工艺基础 485、外延的应用、外延的应用（2）MOS电路外延膜的主要应用是作为双极型晶体管的集电极。外延膜的主要应用是作为双极型晶体管的集电极。外外延延膜膜在在MOS集集成成电电路路中中的的较较新新
31、应应用用是是利利用用重重掺掺杂杂外延减小闩锁效应（寄生闸流管效应）。外延减小闩锁效应（寄生闸流管效应）。第第4章章外延工艺外延工艺二、外延工艺二、外延工艺48微电子工艺基础微电子工艺基础 49第第4章章 外延工艺外延工艺一、相图和固溶度的概念一、相图和固溶度的概念二、外延工艺二、外延工艺 1 1、概述、概述、概述、概述 2 2、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延、硅的气相外延 3 3、掺杂、掺杂、掺杂、掺杂 4 4、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测、缺陷与检测 5 5、外延的应用、外延的应用、外延的应用、外延的应用三、其它外延三、其它外延49微电子工艺基础微电子工艺基础 50第第4章章
32、 外延工艺外延工艺 三、其它外延三、其它外延1、分子束外延（、分子束外延（MBE）n分分子子束束外外延延（外外延延物物质质是是原原子子的的也也叫叫原原子子束束外外延延）是是近年来才被普遍采用的一种物理气相外延工艺。近年来才被普遍采用的一种物理气相外延工艺。n在在超超高高真真空空下下，热热分分子子束束由由喷喷射射炉炉喷喷出出，射射到到衬衬底底表表面，外延生长出外延层。面，外延生长出外延层。（1）概述50微电子工艺基础微电子工艺基础 51第第4章章 外延工艺外延工艺 三、其它外延三、其它外延1、分子束外延（、分子束外延（MBE）n分分子子束束外外延延设设备备复复杂杂、价价格格昂昂贵贵，真真空空室室
33、真真空空度度达达10-910-11Torr，喷喷射射炉炉可可以以根根据据需需要要喷喷射射出出多多种种分分子子（原原子子），另另外外监监测测装装置置可可以以对对外外延延层层生生长长速速率率、气气体体成成分分、结结构构和和厚厚度度进进行行实实时时监监控控。因因此此，分分子子束束外外延延具具有许多优点。有许多优点。n常规的硅掺杂源不适用：常规的硅掺杂源不适用： 使用使用 GaP型；型；SbN型型（1）概述51微电子工艺基础微电子工艺基础 521、分子束外延、分子束外延（2）设备第第4章章外延工艺外延工艺三、其它外延三、其它外延52微电子工艺基础微电子工艺基础 531、分分子子束束外外延延 （3）特特
34、点点n分子束外延是在超高真空下进行，外延过程污染少，外延层洁净。分子束外延是在超高真空下进行，外延过程污染少，外延层洁净。n外外延延温温度度较较低低（400800度度），硅硅分分子子束束外外延延温温度度是是630，所所以以通通常采用分子束外延少有杂质的再分布现象。常采用分子束外延少有杂质的再分布现象。n外外延延分分子子是是由由喷喷射射炉炉喷喷出出，喷喷射射速速率率可可调调，易易于于控控制制，外外延延可可以以迅迅速速进行或停止，这样就能生长极薄的外延层，外延层厚度可以薄至进行或停止，这样就能生长极薄的外延层，外延层厚度可以薄至量级；量级；第第4章章外延工艺外延工艺三、其它外延三、其它外延53微电
35、子工艺基础微电子工艺基础 541、分分子子束束外外延延 （3）特特点点n外外延延设设备备上上有有多多个个喷喷射射口口，可可以以生生长长多多层层、杂杂质质分分布布复杂的外延层，外延层最多层数可达复杂的外延层，外延层最多层数可达10104 4层。层。n在整个外延过程中全程监控，因此外延层质量高。在整个外延过程中全程监控，因此外延层质量高。n分分子子束束外外延延多多用用于于外外延延结结构构复复杂杂、外外延延层层薄薄的的外外延延层层，异质外延一般也采用分子束外延。异质外延一般也采用分子束外延。n生生长长慢慢（既既是是优优点点也也是是缺缺点点），通通常常用用于于过过高高精精度度或或过薄的外延层。过薄的外
36、延层。第第4章章外延工艺外延工艺三、其它外延三、其它外延54微电子工艺基础微电子工艺基础 552、异质外延、异质外延 （1）概述）概述异异质质外外延延也也叫叫非非均均匀匀外外延延，外外延延层层与与衬衬底底材材料料不不相相同同，如如SOSSOS材材料料就就是是Si/AlSi/Al2 2O O3 3异异质质外外延延材材料，一些薄膜集成电路就是采用的料，一些薄膜集成电路就是采用的SOSSOS材料。材料。第第4章章外延工艺外延工艺三、其它外延三、其它外延55微电子工艺基础微电子工艺基础 562、异质外延、异质外延 （2）异质外延的相容性）异质外延的相容性n衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量的溶解现
37、象衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量的溶解现象n衬衬底底与与外外延延层层热热力力学学参参数数相相匹匹配配，即即热热膨膨胀胀系系数数接接近近。以以避避免免生生长长的的外外延延层层由由生生长长温温度度冷冷却却至至室室温温时时，热热膨膨胀胀产生残余应力，截面位错，甚至外延层破裂现象发生产生残余应力，截面位错，甚至外延层破裂现象发生n衬衬底底与与外外延延层层晶晶格格参参数数相相匹匹配配，即即晶晶体体结结构构，晶晶格格常常数数接接近近，以以避避免免晶晶格格参参数数不不匹匹配配引引起起的的外外延延层层与与衬衬底底接接触触的界面晶格缺陷多和应力大的现象的界面晶格缺陷多和应力大的现象第第4章章外延工艺外延
38、工艺三、其它外延三、其它外延56微电子工艺基础微电子工艺基础 572、异异质质外外延延 （3）失失配配率率其中：其中：a a外延层参数；外延层参数； a a衬底参数。衬底参数。有热膨胀系数失配率和晶格常数失配率有热膨胀系数失配率和晶格常数失配率第第4章章外延工艺外延工艺三、其它外延三、其它外延57微电子工艺基础微电子工艺基础 582、异异质质外外延延 （4）反反相相畴畴又又叫叫反反相相混混乱乱，例例如如非非极极性性的的SiSi上上生生长长极极性性GaAsGaAs在在生生长长的的初初期期SiSi衬衬底底上上有有的的区区域域附附着着GaGa，有有的的区区域域附附着着AsAs，不不能能形形成成单单相
39、相的的GaAsGaAs层层，这这就叫反相畴。就叫反相畴。因此常用因此常用MBEMBE法外延法外延GaAsGaAs。第第4章章外延工艺外延工艺三、其它外延三、其它外延58微电子工艺基础微电子工艺基础 593、液相外延、液相外延液液相相外外延延是是利利用用溶溶液液的的饱饱和和溶溶解解度度随随温温度度的的变变化化而而变变化化，使使溶溶液液结结晶晶析析出出在在衬衬底底上上进进行行外外延延的方法。的方法。硅硅的的液液相相外外延延是是将将硅硅溶溶入入锡锡中中，在在949949时时溶溶液液饱饱和和，当当降降低低温温度度10-3010-30时时溶溶液液过过饱饱和和，硅硅析析出，在单晶硅衬底上生长出外延层。出，
40、在单晶硅衬底上生长出外延层。第第4章章外延工艺外延工艺三、其它外延三、其它外延59微电子工艺基础微电子工艺基础 603、固相外延、固相外延固相外延是将晶体衬底上的非晶或者多晶层高固相外延是将晶体衬底上的非晶或者多晶层高温转化为单晶层。温转化为单晶层。第第4章章外延工艺外延工艺三、其它外延三、其它外延60微电子工艺基础微电子工艺基础 61第第4章章 外延工艺外延工艺 四、作业题四、作业题（1）什么叫做外延？外延有哪些特点？）什么叫做外延？外延有哪些特点？（2）外延的分类？）外延的分类？（3）硅气相外延的原理？）硅气相外延的原理？（4）硅气相外延的过程？）硅气相外延的过程？（5）外延有何应用？）外延有何应用？61微电子工艺基础微电子工艺基础 62
