第7章-外延祥解.ppt

3 衬底材料的选择 为了得到优良的外延层，绝缘衬底的质量是非常重要的。目前获得蓝宝石晶体的方法主要有三种：焰熔法、切克劳斯基法和边缘限定馈给法，前两种方法得到的是球状蓝宝石晶体，切片抛光后作为衬底材料，第三种方法得到的是薄巨型带状蓝宝石晶体，切片后再进行抛光。 4 缺陷与改进 刚生成的SOS膜中的主要缺陷是蓝宝石衬底中的Al外扩散和自掺杂、堆积层错、微孪晶等。这些缺陷可使界面附近的电阻率，载流子的迁移率和寿命降低。为了减少SOS膜中的缺陷密度和应力，已经发展了多种改进技术，主要有采用激光脉冲使硅层熔融再结晶；固相外延；再生长（SPEAR）；双固相外延技术（DSPE）等。 八 分子束外延 1 概念 分子束外延（MBE:Molecular Beam Epitaxy)是一种在超高真空下的蒸发技术。它是利用蒸发源提供的定向分子束或原子束，撞击到清洁的衬底表面上生成外延层的工艺过程。分子束外延工艺目前已广泛用于元素半导体、Ⅲ–Ⅴ、Ⅱ–Ⅵ族化合物半导体及有关合金、多种金属和氧化物的单晶生长。 2 衬底处理 ①采用高温热处理去除衬底表面的SiO2。在1200℃的高温下SiO2与Si发生反应生成可挥发的SiO。 ②用Ar+溅射，再退火。在这种办法中因溅射引起衬底表面的损伤，虽然经过退火，但也难达到外延生长对衬底表面的要求。 ③利用脉冲激光反复辐射。这是一种比较好的方法，特别是准分子激光器的应用，效果更好，可能会被广泛采用的一种方法。 3 温度对MBE的影响 对Si的MBE来说，衬底晶向不同，外延生长温度是不相同的，生长温度还与衬底表面的净化处理水平有关，处理水平越高，生长温度就可以越低。对于（100）Si衬底来说，在生长速率为0.1nm/s生长温度可降至到470K。而对于（111）Si衬底来说生长温度要高得多，一般在700~800K左右。 九 层错、图形漂移及利用层错法测量厚度 外延层质量直接关系到做在它上面的各种器件的性能，因此，检测、分析外延层缺陷及产生原因是提高外延层质量的一个重要方面。外延层的好坏只要指电阻率在外延层中分布是否均匀，厚度、掺入杂质的类型和数量是否满足要求，晶体完整性和表面状况是否完好。 1 外延层中缺陷的种类 根据其所在位置可分为两大类： ①显露在外延层表面的缺陷，为表面缺陷。主要有：云雾状表面、角锥体、划痕、星状体、麻坑等； ②存在于外延层内部的晶格结构缺陷，也就是体缺陷。主要有位错和层错。 1 层错 层错也称堆积层错，是外延层上最常见而又容易检测到得缺陷，是由原子排列次序发生错乱引起的。利用化学腐蚀法，便可显示层错的图形。 产生层错的原因很多，例如，衬底表面的损伤和玷污，外延温度过低，衬底表面上残留的氧化物，外延过程中掺杂剂不纯，空位或者间隙原子的凝聚，外延生长时点阵适配，衬底上的微观表面台阶，生长速度过高都可能引起层错。 2 层错法测量外延层的厚度 堆积层错是一种面缺陷。沿（111）方向生长的外延层的层错与表面交线是沿（110）晶向。面缺陷数目不同，在外延层表面可能显示出如下图形： 3 注意事项 ①层错并不是都起源于衬底与外延层的交界面，而起源于交界面的腐蚀图形大于起源于外延层内部的，所以测量时要选择大的图形。还要注意，不能选择靠近外延层边缘的图形，因为边缘图形往往不能准确反映外延层的厚度 ②经过化学腐蚀之后，外延层要减薄一定厚度，在腐蚀时只要能清楚显示图形就可以了，时间不应过长。在计算厚度时，也应考虑腐蚀对厚度的影响。 4 图形漂移和畸变 衬底需要做掩埋扩散，对应于掩埋区存在一个台阶，外延生长之后在表面应该在表面应该重现出完全相同的图形，然而外延层上的图形相对于原掩埋图形常会发生水平漂移，畸变，甚至完全消失，如左图所示。 十 外延层电阻率的测量 外延层的电阻率及其均匀性也是外延层质量的一个重要参数。检测外延层电阻率的方法很多，例如，四探针法、三探针法、电容-电压（C-V）法、扩展电阻法定。 半导体材料电阻率一般要比金属材料的电阻率高几个数量级，这样，当金属探针与半导体材料呈欧姆接触时，电阻主要集中在接触点附近的半导体中，而且呈辐射状向半导体内扩展，扩展电阻法测量电阻率就是根据这个原理进行的。 扩展电阻法 扩展电阻法的最大特点是可以测量微区的电阻率或电阻率分布情况，尤其是随着继承电路集成度的不断提高，器件的特征尺寸越来越小，对微区均匀性及多层结构分布情况的检测精度的要求也越来越高，就需要采用空间分辨率更高的测量技术，扩展电阻法就是其中一种。 在扩展电阻法中，目前采用的探针结构