当前课程知识点:微纳加工技术 > 第四章节 薄膜制备技术 > 第四小节 外延技术 > 外延技术
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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