第六章外延生长

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1、第六章 外延生长（Epitaxial Growth）,外延生长（Epitaxial Growth）工艺, 概述 气相外延生长的热动力学 外延层的掺杂与缺陷 硅气相外延工艺 小结,参考资料：微电子制造科学原理与工程技术第14章（电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）,一、概述,按衬底晶相延伸生长的新生单晶薄层 外延层。 长了外延层的衬底 外延片。,同质外延：,异质外延：, 掺入杂质可改变外延 层的电学特性。 交替生长不同的外延 层可制作超晶格结构。,1、外延工艺的定义：,在单晶衬底上生长单晶薄膜的技术。,2、 外延工艺的分类：,三种外延工艺的示意图,(2) 按晶格畸变程度,a. 气相外延工艺（Vp

2、or-Phase Epitaxy）b. 液相外延工艺（Liquid-Phase Epitaxy）,超高真空蒸发,3、 外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构（组分）、厚度、 杂质种类及掺杂分布,(1) 双极工艺：器件隔离、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾(2) CMOS工艺：减小闩锁（Latch-up）效应(3) GaAs工艺：形成特定的器件结构层(4) 其他：制作发光二极管、量子效应器件等,d. 其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、离子束外延等等,c. 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）,(3) 按工艺原理,二、气相外延生长的热动力学,与氧化模型类似，假设粒子穿过

3、气体边界层的流量与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。,其中，hg是质量传输系数，Ks是表面反应速率系数，Cg和Cs分别是 气流中和圆片表面的反应剂浓度。,外延薄膜生长速率可写为：,其中，N是硅原子密度（51023cm-3）除以反应剂分子中的硅原子数。,Ks hg时， R由气相质量传输决定Ks 0因此，系统处于外延生长状态。,a. Cl的含量增加后，超饱和度下降，当SiCl4含量为2030时， 由外延生长转为刻蚀。b. 当SiCl4含量为10左右时，外延生长速率有一个最大值？,超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气相质量输运限制的。,c. 超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的

4、质量（与薄膜生长模式 有关）。,结 论,4、薄膜生长的三种模式：,(1) 逐层生长（Layer Growth）,理想的外延生长模式,(2) 岛式生长（Island Growth）,超饱和度值越大，吸附分子主要在台面中心结团生长。,(3) 逐层+岛式生长（Layers and Islands Growth）,5、硅片表面的化学反应,(1) 在化学反应限制区，不同硅源的化学反应激活能是相似的。(2) 一般认为，硅外延速率受限于H从硅片表面的解吸附过程。(3) 硅片表面的主要反应剂是SiCl2，反应剂是以物理方式吸附 在硅片表面。,图14.8 不同硅源外延淀积速率与温度的关系,三、外延层的掺杂与缺陷

5、,(1) 无意识掺杂源：衬底固态源、气态自掺杂。a. 衬底固态源在外延过程中的扩散决定了外延层-衬底分界面 附近的杂质分布。,外延层杂质分布服从余误差分布。,b. 气相自掺杂：衬底中杂质从圆片表面解吸出来，在气相中 传输，并再次吸附到圆片表面。,其杂质分布的表达式为：,其中，f 是陷阱密度，Nos 是表面陷阱数，xm 是迁移宽度。,1、外延层的掺杂：,无意掺杂与有意识掺杂。,(2) 有意掺杂：最常用的掺杂源B2H6 AsH3 PH3,外延层掺杂的杂质分布示意图,(1) 外延层中的缺陷种类：体内缺陷与表面缺陷 a. 体内缺陷：堆跺层错与位错，由衬底缺陷延伸或外延工艺引入 b. 表面缺陷：表面凸起

6、尖峰、麻坑、雾状缺陷等 通过改进衬底制备工艺、清洗工艺和外延工艺条件，可极大 改善上述缺陷密度。,2、外延生长缺陷,(2) 外延层的图形漂移： 外延生长速率与晶向有关，111面的图形漂移最严重。,四、硅的气相外延工艺,1、 反应原理：,外延工艺一般在常压下进行,氢还原反应：,硅烷分解反应：,反应温度、反应剂浓度、气体流速、反应腔形状结构、衬底晶向等。,低缺陷密度、厚度及其均匀性、掺杂杂质的再分布最小,2、 影响外延生长速率的主要因素：,3、 外延层的质量：,(1) 化学清洗工艺：高纯度化学溶液清洗高纯度去离子水冲洗 高纯度N2甩干,SC-1的主要作用是去除微颗粒，利用NH4OH的弱碱性来活化硅

7、 的表面层，将附着其上的微颗粒去除,SC-2的主要作用是去除金属离子，利用HCl与金属离子的化合作 用来有效去除金属离子沾污,SC-3的主要作用是去除有机物（主要是残留光刻胶），利用 H2SO4的强氧化性来破坏有机物中的碳氢键结,4、硅外延前的清洗工艺：,去除表面氧化层、杂质（有机物、无机物金属离子等）和颗粒,DHF的主要作用是去除自然氧化层,b. 外延生长：SiH2Cl2H2c. 冷却：惰性气体冲洗腔室，降温到维持温度。,图14.25 在VPE反应腔内生长1m厚度硅外延层的典型温度/时间过程,(2) 硅外延加工工艺的过程,a. 预清洗：H2、H2/HCl混合气氛或真空中去除自然氧化层,a.

8、快速热处理工艺：SiH2Cl2在高温下进行短时外延b. 超高真空CVD外延： 低温低气压下，硅烷分解形成硅外延层,图14.26A RTCVD外延系统示意图,(3) 先进的硅外延工艺：,a. 卤化物GaAs气相外延：HCl+AsH3气体流过加热的固体Ga源， 生成GaCl气体，输运至圆片表面生成GaAs。b. 金属有机物化学气相淀积（MOCVD）：用于生长高质量 （具有原子层级的突变界面）IIIV族化合物c. 分子束外延（MBE）技术：生长厚度精度为原子层级，膜质 量为器件级的外延层,(4) 其他外延工艺,图14.14 各种外延生长技术的温度和气压范围, 硅的气相外延技术： VPE的热动力学：Deal模型与连续步骤模型。 SiClH系统中的气相反应，超饱和度概念。 外延层的掺杂与缺陷。 硅气相外延工艺：反应原理、工艺过程与先进技术。 其他的外延技术：MOCVD、MBE等等,小结,教材第393页，第2、5题,课后作业,