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1、第五章 硅外延生长,外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜外延生长：在一定条件下，在单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层的方法。生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）,5.1外延生长概述,根据外延层性质,外延生长分类,只有体单晶材料不能满足日益发展的各种半导体器件制作的需要，1959年末开发了薄层单晶材料生长技术外延生长。 外延生长就是在一定条件下，在经过切、磨、抛等仔细加工的单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层的方法。,根据外延生长方法：,直接外延,间接外延,是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长.如真空淀积，溅射，升华等,是利用化学
2、反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上称为化学气相淀积（chemical vapor deposition,CVD）,正外延：器件制作在外延层上,反外延：器件制作在衬底上,CVD生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。CVD设备简单，生长参数容易控制，重复性好，是目前硅外延生长的主要方法,根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同,真空外延、气相外延、液相外延,根据相变过程,气相外延、液相外延、固相外延、,对于硅外延，应用最广泛的是气相外延,以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在加热的衬底上，衬底
3、材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等,液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。,外延生长的特点,(1)可以在低(高)阻衬底上外延生长高(低)阻外延层。(2)可以在P(N)型衬底上外延生长N(P)型外延层，直接形成PN结，不存在用扩散法在单晶基片上制作PN结时的补偿的问题。(3)与掩膜技术结合，在指定的区域进行选择外延生长，为集成电路和结构特殊的器件的制作创造了条件。 (4)可以在外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及浓度，浓度的变化可以是陡变的，也可以是缓变的。(5)可以生长异质，多层，多组分化合物且组分可变的超薄层。(6)可在低于材料熔点温度下进行外延生长，生
4、长速率可控，可以实现原子级尺寸厚度的外延生长。(7)可以生长不能拉制单晶材料，如GaN，三、四元系化合物的单晶层等。,利用外延片制作半导体器件，特别是化合物半导体器件绝大多数是制作在外延层上，因此外延层的质量直接影响器件的成品率和性能。一般来说外延层应满足下列要求： (1)表面应平整，光亮，没有亮点，麻坑，雾渍和滑移线等表面缺陷。 (2)晶体完整性好，位错和层错密度低。对于硅外延来说，位错密度应低于1000个cm2，层错密度应低于10个cm2，同时经铬酸腐蚀液腐蚀后表面仍然光亮。 (3)外延层的本底杂质浓度要低，补偿少。要求原料纯度高，系统密封性好，环境清洁，操作严格，避免外来杂质掺入外延层。
5、 (4)对于异质外延，外延层与衬底的组分间应突变(要求组分缓变的例外)并尽量降低外延层和衬底间组分互扩散。 (5)掺杂浓度控制严格，分布均匀，使得外延层有符合要求而均匀的电阻率。不仅要求一片外延片内，而且要求同一炉内，不同炉次生长的外延片的电阻率的一致性好。 (6) 外延层的厚度应符合要求，均匀性和重复性好。 (7)有埋层的衬底上外延生长后，埋层图形畸变很小。 (8)外延片直径尽可能大，利于器件批量生产，降低成本。 (9)对于化合物半导体外延层和异质结外延热稳定性要好。,52 硅的气相外延,气相硅外延生长是在高温下使挥发性强的硅源与氢气发生反应或热解，生成的硅原子淀积在硅衬底上长成外延层。对外
6、延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、位错和层错密度等。按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解法。氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行外延生长。直接热分解法，利用热分解得到Si。,521硅外延生长用的原料,气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反应式、生长温度及所属反应类型,各种硅源优缺点：,SiHCL3,SiCL4 常温液体，外延生长温度高，但是生长速度快，易纯制，使用安全。是较通用的硅源。SiH2CL2,SiH4 常温气体， SiH2CL2使用方便，反应温度低,应用越来越广。SiH4反应温度低，无腐蚀性气体，但是会因漏气产生外延缺陷。,衬底要求,在硅外延中使用的硅衬底
7、是经过切、磨、抛等工艺仔细加工而成的，外延生长前又经过严格的清洗、烘干，但表面上仍残存有损伤、污染物及氧化物等。 为了提高外延层的完整性，在外延生长前应在反应室中进行原位化学腐蚀抛光，以获得洁净的硅表面。常用的化学腐蚀剂为干燥的HCl或HBr，在使SiH4外延生长时，由于SF6具有无毒和非选择、低温腐蚀特点，所以可用它做腐蚀抛光剂。 为了控制外延层的电特性，通常使用液相或气相掺杂法。N型掺杂剂的有PCl3,PH3和AsCl3，P型掺杂剂的有BCl3、BBr3和B2H6等。,组成： 氢气净化系统、气体输运及净化系统、加热设备和反应室. 根据反应室的结构，由水平式和立式，后者又分为平板式和桶式立式
8、外延炉，外延生长时基座不断转动，故均匀性好、生产量大。 由于SiCl4等硅源的氢还原及SiH4的热分解反应的H为正值，即提高温度有利于硅的淀积，因此反应器需要加热，加热方式主要有高频感应加热和红外辐射加热。通常在石英或不锈钢反应室内放有高纯石墨制的安放硅衬底的基座，为了保证硅外延层质量，石墨基座表面包覆着SiC或沉积多晶硅膜。,522 硅外延生长设备,我国目前最先进的硅外延设备,中国最大的半导体相关应用研究院之一，有色金属研究总院(GRINM) 向International N.V. 订购的300 mm 外延设备-Epsilon 3200 。Epsilon 3200 主要用途是硅和锗化硅的外延
9、生长。这是销售到中国大陆的首台300 mm 外延设备 ASM International N.V.(荷兰)和它的分支机构设计和制造用于生产半导体装置的设备和材料。公司通过他们在美国，欧洲，日本和亚洲的工厂既为硅晶片处理（前工序），也为集成和封装（后工序）提供生产解决方案。,Epsilon Series Single-Wafer Epitaxial Reactors,硅外延生长基本工艺,硅单晶,定向,切割400-500m,磨平,Si02胶体溶液抛光,清洗,烘干,置于基座,抽高真空通高纯H2,加热去除氧化层,通氢气和硅源,恒温反应,断硅源停止反应,室温取出,参数测试,通刻蚀剂原位刻蚀,通氢气排出刻
10、蚀剂,5-2-3 外延工艺顺序,把干净的硅片装入反应室吹入惰性气体并充入氢气（LPVCD：抽真空）加热到氢气烘烤温度（1200 ）以除去氧化层（该步骤能去除50-100A的SiO2层）a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6)以刻蚀表面的硅层；c)吹气以除去系统中的杂质和HCla)冷却到沉积温度；b)引入硅原料和掺杂剂以沉积所要的薄膜；c)吹入氢气以去除硅原料和掺杂剂冷却到室温吹走氢气并重新充入氮气取出硅片,原理：SiCl4+2H2 Si+4HCl,5-2-4硅外延生长的基本原理和影响因素,以SiCl4为例,生长过程：,1. SiCl4浓度对生长速率的影响,随着浓度增加,生长速率
11、先增大后减小.,2.温度对生长速率的影响,3.气流速度对生长速率的影响,4.衬底晶向的影响,气-固表面复相化学反应模型,边界层,在接近基座表面的流体中出现一个流体速度受到干扰而变化的薄层，而在薄层外的流速不受影响，称此薄层为边界层，也叫附面层，停滞层，滞流层。,边界层厚度与流速平方根成反比,5-2-5硅外延生长动力学过程,两个模型:气-固表面复相化学反应模型,气相均质反应模型,此模型认为硅外延生长包括下列步骤:1.反应物气体混合向反应区输运2.反应物穿过边界层向衬底表面迁移3.反应物分子被吸附在高温衬底表面上4.在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体的原子和气体副产物，原子进入晶格格点位置形成晶
12、格点阵，实现晶体生长5.副产物气体从表面脱附并穿过边界层向主气流中扩散6.气体副产物和未反应的反应物，离开反应区被排出系统,气相均质反应模型,5.3 硅外延层电阻率的控制,5-3-l外延层中的杂质及掺杂,外延层中杂质的来源：（1）主掺杂质：用于控制外延层的电阻率。常用磷烷、砷烷和乙硼烷作为主掺杂质源。它与硅源一道随主气流进入外延反应室，在外延生长过程中进入外延层。（2）固态外扩散杂质：（a）衬底中掺入的杂质在外延过程中，通过固态外扩散进入外延层；（b）对于同型外延，衬底中反型杂质通过固态扩散进入外延层形成外延夹层。（3）气相自掺杂：重掺衬底或重掺埋层中的杂质经蒸发后进入气流中在后又掺入外延层中
13、。（4）系统自掺杂：吸附在外延反应室内壁和外延基座表面的杂质，解吸后进入气流形成新的掺杂源。（5）金属杂质：衬底硅片、外延基座和外延系统中沾污的金属杂质在外延过程中进入外延层。,外延层中总的载流子浓度N总可表示为 N总=N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统N衬底为由衬底中挥发出来的杂质在外延生长时掺入外延层中的杂质浓度分量。N气为外延层中来自混合气体的杂质浓度分量。N邻片为外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量。N扩散为衬底中杂质经过固相扩散进入外延层中的杂质浓度分量。N基座为来自基座的杂质浓度分量。N系统为来自除上述因素以外整个生长系统引入的杂质浓度分量。式中的正负号由杂质类型决定，与衬底中杂质同
14、类型者取正号，与衬底中杂质反型者取负号。,N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因此称为外掺杂N扩散，N衬底，N邻片的杂质来源于衬底片，通称为自掺杂,2.外延生长的掺杂,5-3-2外延中杂质的再分布,外延层中含有和衬底中的杂质不同类型的杂质，或者是同一种类型的杂质，但是其浓度不同。通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂浓度梯度很陡，但是由于高温下进行外延生长，衬底中的杂质会进入外延层，使得外延层和衬底处的杂质浓度变平。,533 外延层生长中的自掺杂,自掺杂效应：衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层,一：减少杂质由衬底逸出1.使用蒸发速度较小的杂质做衬底和埋层中的杂质2.外延生长前高温加热衬底，
15、使硅衬底表面附近形成一杂质耗尽层，再外延时杂质逸出速度减少可降低自掺杂3.采用背面封闭技术，即将背面预先生长高纯SiO2或多晶硅封闭后再外延，可抑制背面杂质的蒸发而降低自掺杂。4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。5.采用二段外延生长技术即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源，只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长第二段外延层，直到达到预定厚度二：采用减压生长技术使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层一般在1.31032104Pa的压力下进行。,抑制自掺杂的途径：,534外延层的夹层,外延层的夹层指的是外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反型层。分为两种类型：一是在检测时导电类型
16、混乱，击穿图形异常，用染色法观察界面不清晰二是导电类型异常，染色观察会看到一条清晰的带外延层产生的原因：第一种夹层情况认为P型杂质沾污，造成N型外延层被高度补偿 解决办法：P型杂质主要来源于SiCL4，只要提高SiCL4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。第二种情况是由于衬底引起的 当衬底中硼的含量大于31016cm3时，外延层中就容易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快，结果使得硼扩散到外延层中补偿了N型杂质，形成了一个高阻层或反型层。 解决办法：一是提高重掺杂单晶质量；二是在工艺中防止引入P型杂质，降低单晶中B的含量；三是在外延生长时可以先长一层N型低阻层作为过渡层，控制夹层。 2,54 硅外延层的缺陷,分类： 一：表面缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移线等 二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错,
