微电子工艺基础外延工艺课件.ppt

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1、第4章外延工艺12第4章外延工艺本章（3学时）目标：1、了解相图和固溶度的概念2、了解外延技术的特点和应用3、掌握外延的分类4、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23第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念二、外延工艺1、概述2、硅的气相外延3、掺杂4、缺陷与检测5、外延的应用三、其它外延34第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念1、定义相图半导体材料，即使是硅也多以掺杂混合物状态出现的。相图是表达混合材料性质的一种简便方法。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金属及其他工程材料

2、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。451、定义固溶度在平衡态下，一种杂质可以溶在另一种材料的最高浓度,或者说溶质固溶于溶剂内所形成的饱和固溶体内溶质的浓度。第4章外

3、延工艺一、相图和固溶度的概念562、二元相图二元相图可以看做是表示出两种材料混合物稳定相区域的一种图，这些相区域是组分百分比和温度的函数第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念671414938.3硅原子百分比硅重量百分比固相液相Ge-Si相图第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念783、固溶度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3.5%相当于1.75X1021cm-3第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念893、固溶度相当于3%第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念9103、固溶度掺杂浓度可以超过固

4、溶度。给含杂质原子的圆片加热，再快速冷却，杂质浓度可超出其固溶度的10倍以上。淬火：硅片冷却导致杂质成分在硅晶体内形成固体淀积（当然也可能有较少部分跑出晶格表面），如果冷却足够快，那么淀积是无法形成的，而比热力学平衡条件所允许的更高浓度的杂质就被冻结在硅晶格之中了，冶金学家称此过程为淬火。第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念1011第4章外延工艺一、相图和固溶度的概念二、外延工艺1、概述2、硅的气相外延3、掺杂4、缺陷与检测5、外延的应用三、其它外延1112第4章外延工艺二、外延工艺1、概述（1）外延定义：在单晶

5、衬底上新生一层单晶膜的技术。以气相外延为例，则是含外延层材料的物质以气相形式流向衬底，在高温下发生化学反应，在单晶衬底上生长出与衬底取向一致的单晶。记作：P/Q（P为外延层）12131、概述生成的晶体结构良好掺入的杂质浓度易控制可形成接近突变pn结的特点（2）外延特点：第4章外延工艺二、外延工艺13141、概述（3）外延分类：①按工艺分类A气相外延（VPE）利用硅的气态化合物或者液态化合物的蒸汽，在加热的硅衬底表面和氢发生反应或自身发生分解还原出硅。第4章外延工艺二、外延工艺1415B液相外延（LPE）衬底在液相

6、中，液相中析出的物质并以单晶形式淀积在衬底表面的过程。此法广泛应用于III-V族化合半导体的生长。原因是化合物在高温下易分解，液相外延可以在较低的温度下完成。1、概述（3）外延分类：①按工艺分类第4章外延工艺二、外延工艺1516C固相外延（SPE）固体物质通过物理淀积形成的外延层的技术D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。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。第4章外延

7、工艺二、外延工艺1、概述（3）外延分类：①按工艺分类1617②按导电类型分类n型外延：n/n,n/p外延p型外延：p/n,p/p外延1、概述（3）外延分类：第4章外延工艺二、外延工艺1718③按反应室形式卧式：产量大，设备结构简单；但是生成的外延层的厚度和电阻率的均匀性较差，外延生长时易出现滑移位错及片子弯曲。立式：维护容易，外延层的厚度和电阻率的均匀性及自掺杂效应能得到较好的控制；但设备大型化，制造难度大。桶式：较好的防止外延滑移位错，外延层的厚度和电阻率的均匀性好；但设备结构复杂，不易维护。1、概述（3）外延

8、分类：第4章外延工艺二、外延工艺1819③按反应室形式1、概述（3）外延分类：第4章外延工艺二、外延工艺1920④按材料异同分类同质外延（autoepitaxy）：异质外延（heteroepitaxy）：外延层和衬底为同种材料例如硅上外延硅。外延层和衬底为不同种材料例如SOI((绝缘体上硅)是一种特殊的硅片，其结构的主要特点是在有源层和衬底层之间插入绝缘层———埋氧层来隔