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外延技术

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外延技术课程教案、知识点、字幕

诸位同学大家好

今天我们来学习

第四章薄膜制备技术中的

第四节外延技术

那么前几节呢

我们看了ALD技术和氧化技术

那么它们做的这个薄膜

都是非晶态的薄膜

今天我们来看的这个外延技术

实际上是要目标是要生长

晶态的就是单晶的这个薄膜

那么大家知道

这个单晶的这个生长有两类

一类所谓这个共度生长

也就是说我在这个单晶衬底上

那么生长的单晶薄膜呢

它的晶格常数

和整个晶体结构

是跟衬底完全一样的

那么这样的话

我的整个的这个生长呢

从晶格的角度看的话

完全是衬底的延续

那么还有一类呢

是所谓的这个非共度的生长

也就是说我要生长的

单晶的薄膜呢

它的晶格常数是与衬底的

晶格常数是不一样的

那么在这不一样的情况下

唯有两种可能性

一种可能性呢

我的这个生长的

这个薄膜的晶格常数

完全是它的自由状态的

一个晶格常数

也就是说晶格常数呢

跟衬底完全不一样

那么衬底与这个

生长的这个薄膜之间

晶格常数的这个失配

完全是靠界面处的缺陷

把它吸收掉

那么就像这个图

显示的这个情况

还有一种情况呢

就是所谓的赝晶生长

也就是说

我要生长的这个

单晶的薄膜

它的晶格常数跟衬底不一样

但是呢在界面上

我的这个生长的这个薄膜的

这个晶格排列

完全按衬底这样排列

那么使得呢

我整个的这个生长的

这个薄膜

它的这个晶格

被拉伸或者压缩

强制的改变成跟衬底一样

这样的一种生长出来的

这个单晶的薄膜

它的晶格常数

与它自由状态的

情况下的晶格常数不一样的

这样的一个情况呢

我们叫赝晶生长

那么可以看到

那么赝晶生长的话

实际上被生长的

薄膜的话

它内部是有大量的应力的

但是呢如果这个薄膜厚度

不是很厚

也就是说在它的这个

弹性变形的范围之内的话

那么赝晶生长

出来的薄膜

也仍然是稳定的

那么可以看到

整个的外延

它的整个的过程

就是在这个单晶的衬底上

生长单晶的这个薄膜的

这样的一个过程

那么整个外延呢

实际上我们可以理解成

一种特殊的CVD

它也是靠化学气相沉积

来实现薄膜的

生长的

只不过它与我们前面讲的

CVD的区别在于什么

前面讲的CVD的

它生长的薄膜呢

是非晶状态的

而我们现在说的这个外延

它CVD生长

出来的薄膜是单晶状态的

那么从整个

过程我们就可以看到

那么为了实现单晶的

生长的话

它与普通

外延与普通的CVD

有两点主要的不同

它的这个第一点呢

就是它对衬底界面的处理

更加的苛刻了

那么也就是

因为它要利用衬底的这个晶格

来引导我们薄膜的单晶生长

所以的话它必须有一个

很好的这个界面

第二呢那么它生长的薄膜的话

要通过热振动

达到这个与单晶与这个衬底的

这个晶格相一致的

这样的一个程度

所以呢它需要的热激励

也比CVD高很多

所以呢它的整个的

这个生长温度

工艺温度会比CVD高很多

那么从这个整个的这个

化学反应和这个气体的

动力学的角度来讲的话

那么它实际上跟CVD是一样的

你譬如说我们外延生长硅

通常的话可以用四氯化硅

加这个氢气还原成硅

或者呢直接用这个硅烷

热分解也可以形成硅

那么它整个的反应腔体呢

那么因为要有这个

外延出来的那个膜

往往比较厚

那么它往往是用这个

常压的这个办法来生长

这样的话可以通过气流

带来大量的这样的一个

这个反应生成物

当然如果要是外延的膜

不是很厚的情况下

我们也可以用低压的

这个办法生长

那么它的好处

以及它的问题

那么都跟这个CVD技术是一样的

那么我这个图给出的

外延的设备

是考虑到常压的情况下

常压的这个CVD呢

这个外延呢

为了使得它

硅片表面气体的

流速一样

那么它是一个锥形的

这样的一个每个

硅片表面暴露出来的

这样的一个情况

那么贴合在一个

这个石墨的衬底上

那么把这个石墨衬底

加热到这个很高的温度

譬如一千度左右的

这样的一个温度

那么它通过

三氯氢硅加上这个

如果我们要外延的同时

掺杂的话

那可以把掺杂源

你譬如说这个砷烷等等通进去

那么就可以合理的控制

工艺条件

那么就可以生长出单晶的

这样的一个材料

那么这个硅的外延

那么有一些典型的应用

我这里头举两个例子

一个是硅外延工艺

在功率器件中的应用

那么大家知道

除了这个大规模集成电路以外

那么半导体器件一大类的

就是这个功率器件

功率器件这里头往往

它的需要耐压比较高的器件

是要在低阻的这样的一个

半导体下制备

而同时呢

它为了使得它整个的

串联电阻很小的话

它要在一个

耐压器件在高阻的这个

这个材料中制备

而为了减小串联电阻呢

它的整个衬底

要必须是一个低阻的衬底

那么也就是说

这个整个wafer的话

上表面是一个低掺杂的情况

下面呢是一个高掺杂的情况

而且呢这个低掺杂的厚度

往往很厚

譬如说几十个微米这样的厚度

像这种这个掺杂分布的话

用其他的掺杂办法

你譬如说离子注入

你譬如说扩散

是没办法制备这样的

一个结构的

那么这时候呢

我们就要需要用外延的办法

来制备这样一个结构

你譬如说我们用一个高掺杂的

也就是低电阻的一个硅衬底

上面外延一层

几十微米厚的这样的一个

低掺杂的也就是高阻的

一个单晶的硅材料

这样的话我们可以把

耐高压的一些器件

做到这样一个高阻的外延层上

这就是这个外延工艺

在功率器件中的一个典型的应用

那么除了功率器件以外的话

实际上在这个先进的

这个cmos技术上

也用外延技术

那么它的应用呢

我举个例子有这样

譬如说如何制备高迁移沟道

那么也是一个这个

这个外延在cmos技术

里头的一个重要的应用

那么大家知道

这个载流子的迁移率

是与这个载流子的有效质量

直接相关的

而有效质量又跟布里渊区的

能带形成的布里渊区的

形状有关

那么早在这个上世纪50年代

其实这个半导体物理学的研究

就揭示了这样的一个道理

就是说我如果调制

这个晶格某个方向的晶格常数

使得布里渊区改变

是可以改变载流子的这个

有效质量

从而改变载流子的迁移率的

但是呢这个规律的认识

之后那么50多年以后

也就到2004年的时候

人们才在第一次在实验中

实现了这样一种

通过调制晶格常数

来改变载流子的

迁移率的这样的一个东西

就是因为什么呢

因为实际上

要改变一个这个

这个材料的晶格常数

实际上是从技术上讲

是很困难的

那么有效的一个

巧妙的使用这个外延

实际上是可以改变

这个晶格的这个外延

这个单晶材料的晶格常数的

那么它具体的做法呢

是这么做的

你譬如说我们这个衬底

是一个硅材料

那么硅材料的话

硅的这个晶格常数

是比锗要小的

而锗和硅是可以共融的

那么我就可以

通过一个外延

并且呢是外延一个

锗硅合金的办法

就把这个衬底呢

它的晶格常数拉大

那么你譬如说

我在这个锗硅合金里头的

锗含量越大

那么它的晶格常数越大

那么这样的话

我就可以把衬底的这个硅

过渡成一个锗硅

锗硅它的这个晶格常数比硅大

这时候在这之后

我再外延硅

这时候呢就是我们前面

刚开始讲的赝晶的生长

就可以使得它

我强制的使得我这个

生长的单晶硅

它的晶格常数呢

与下面的锗硅的

这个晶格常数找齐

这样的话

在这个一个薄层当中

我这个生长

外延出来的单晶硅

它的晶格常数

就被强制的拉伸到

与这个下面的锗硅的

晶格常数相同的

这样的一个程度

这样的话

那么它的这个硅的这个

迁移率就会有效地提高

这样的话大家知道

硅的沟道的迁移率提高

对提高整个的

器件的特性

是有很大的帮助的

那么这就是

就是利用锗硅的缓变层

来形成一个应变硅沟道

而这个应变硅沟道的

它的迁移率

比自由的硅的迁移率高

这样的一个东西

大家知道这个

现代的这个集成电路

为了追求更高的这个

频率特性

那么沟道迁移率提高

是非常重要的一件事情

那么这个图呢

给出了那么硅衬底

那么外延锗硅

那么整个晶格拉伸之后

在上面再外延一个

薄层硅的这样的一个

整个的这样一个过渡的过程

那么这就是那个外延

在两个方面的应用

一个是功率器件

一个是在cmos工艺里头

那么在这个功率器件里头

外延主要用来制备

不同掺杂的厚的单晶结构

那么这个单晶结构呢

有可能到几微米到几十微米

那么这个呢是用

其他的掺杂办法

你比如说扩散

或者离子注入无法达到的

那么外延在这个先进的

cmos工艺中应用呢

主要是用来制备

高迁移率的应变沟道

也就是说沟道材料

被下面的衬底材料的晶格

把它调制了

使得它的晶格常数发生变化

进而使得有效质量和

迁移率产生变化的

这样的一个过程

那么这一节呢就是这样

谢谢大家

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第二章节 微纳工艺综述和超净环境

-微纳工艺综述和超净环境

--微电子工艺综述和超净环境

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第三章节 集成电路中的材料和单晶硅的制备

-第一小节 集成电路中的材料

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-第一小节 集成电路中的材料--作业

-第二小节 单晶硅的特性及生长方法

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第七章节 掺杂

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-第二小节 影响扩散的因素

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