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1、第四章第四章 外延片的制备外延片的制备硅外延工艺概述硅外延工艺概述 定义定义:外延外延(epitaxy)是在是在一定条件下，在一片表一定条件下，在一片表面经过细致加工的单晶衬底上，沿其原来的结晶面经过细致加工的单晶衬底上，沿其原来的结晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。 新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称此为外延新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称此为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。层。长了外延层的衬底称为外延片。 同质外延：生长的外延层与衬底材料相同同质外延：生
2、长的外延层与衬底材料相同 异质外延：外延层在结构、性质上与衬底材料不异质外延：外延层在结构、性质上与衬底材料不 同同 外延分类外延分类:气相外延气相外延(VPE)常用常用 液相外延液相外延(LPE) 固相外延固相外延(SPE)熔融在结晶熔融在结晶 分子束外延分子束外延(MBE)超薄超薄外延生长动力学原理外延生长动力学原理 外延时，通入含有一定硅源的氢气流，并流经被外延时，通入含有一定硅源的氢气流，并流经被高频感应加热的硅片表面，当条件适当时便会在其上高频感应加热的硅片表面，当条件适当时便会在其上外延成膜外延成膜.硅外延反应器硅外延反应器4.2.1 一般过程一般过程 H2还原还原SiCl4法的化
3、学反应式为：法的化学反应式为： 在生长表面得到游离态的在生长表面得到游离态的Si原子，析出的原子，析出的Si原子原子在高温下携带大量的热能，便沿着表面滑动（扩在高温下携带大量的热能，便沿着表面滑动（扩散）散） 到适当位置，按照一定的晶向加接到晶格点到适当位置，按照一定的晶向加接到晶格点阵上，并释放能量，固定成为晶格点阵的新成员。阵上，并释放能量，固定成为晶格点阵的新成员。外延生长包括下列连续步骤外延生长包括下列连续步骤：1.反应剂质量从气相转移到生长层表面反应剂质量从气相转移到生长层表面2.反应剂分子被吸附在生长层表面反应剂分子被吸附在生长层表面3.在生长层表面进行化学反应，得到在生长层表面进
4、行化学反应，得到Si原子和其他原子和其他副产物副产物4.副产物分子脱离生长层表面的吸附副产物分子脱离生长层表面的吸附5.解吸的副产物从生长表面转移到气相，随主流气解吸的副产物从生长表面转移到气相，随主流气体逸出反应室体逸出反应室6. Si原子加接到晶格点阵上原子加接到晶格点阵上 其中其中1和和5为物理扩散过程，为物理扩散过程，2和和4为吸附和解吸过为吸附和解吸过程，程，3为表面化学反应过程为表面化学反应过程u 在开管外延中，系统维持在较高的常压（在开管外延中，系统维持在较高的常压（）状）状态，俗称常压外延。吸附和解吸的速度相当快，态，俗称常压外延。吸附和解吸的速度相当快，因此，混合气氛中各组分
5、在样品表面的吸附状况因此，混合气氛中各组分在样品表面的吸附状况可看作一定。这时，外延层的生长速率将主要取可看作一定。这时，外延层的生长速率将主要取决于质量传输和表面化学反应。决于质量传输和表面化学反应。u 在低于一个大气压系统中进行的外延生长，称在低于一个大气压系统中进行的外延生长，称为低压外延。在这种情况下生长速率主要受混合为低压外延。在这种情况下生长速率主要受混合气氛中各组分在样品表面的吸附及其表面化学反气氛中各组分在样品表面的吸附及其表面化学反应控制。应控制。生长动力学生长动力学 假设：反应器空间和基座的几何尺度比较起来可假设：反应器空间和基座的几何尺度比较起来可视为无限大，且温度均匀。
6、既可以忽略反应器壁视为无限大，且温度均匀。既可以忽略反应器壁的边界效应，又可以认为反应室内气体的性质的边界效应，又可以认为反应室内气体的性质（如密度、扩散系数等）处处是一样的。（如密度、扩散系数等）处处是一样的。 速度附面层：在接近基座表面的一薄层流体中，速度附面层：在接近基座表面的一薄层流体中，速度有较大的变化，把这个速度分布受到扰动的速度有较大的变化，把这个速度分布受到扰动的区域称为速度附面层区域称为速度附面层 自由流体：速度附面层区域以外的流体自由流体：速度附面层区域以外的流体 滞流层：因附面层里流体的速度滞慢于其外面的滞流层：因附面层里流体的速度滞慢于其外面的自由流体，故常将速度附面层
7、称为滞流层自由流体，故常将速度附面层称为滞流层 从附面层到其外流动区域速度的分布是连续变化从附面层到其外流动区域速度的分布是连续变化的，的，如图如图，通常把附面层的厚度，通常把附面层的厚度 规定为：在该规定为：在该处的流速已到达自由流体流速处的流速已到达自由流体流速U0 的的99%，其中，其中U表示流体的流速。表示流体的流速。在气体在气体 生长层界面上的反应剂浓度和外延生长速生长层界面上的反应剂浓度和外延生长速率为：率为：生长速率讨论生长速率讨论表面反应控制表面反应控制 当当 时，化学反应进行得慢，反应剂可时，化学反应进行得慢，反应剂可以充分供给，因此在附面层中反应剂浓度几乎是以充分供给，因此
8、在附面层中反应剂浓度几乎是分布均匀的；外延生长速率主要取决于表面化学分布均匀的；外延生长速率主要取决于表面化学反应进行得快慢，所以反应进行得快慢，所以质量转移控制质量转移控制 当当 时，在外延层表面上的化学反应进时，在外延层表面上的化学反应进行得相当快，凡是转移到表面上的反应剂分子瞬行得相当快，凡是转移到表面上的反应剂分子瞬间就可以变成硅，因此表面上的反应剂几乎为零，间就可以变成硅，因此表面上的反应剂几乎为零，外延生长速率主要取决于反应剂由气相转移到生外延生长速率主要取决于反应剂由气相转移到生长表面的快慢，所以长表面的快慢，所以4.3 影响外延生长速率的因数影响外延生长速率的因数反应剂浓度反应
9、剂浓度:为兼顾结晶的完美性和其他要求，反为兼顾结晶的完美性和其他要求，反应剂浓度不宜太大。应剂浓度不宜太大。温度温度：B区高温区（常选用），区高温区（常选用），A区低温区区低温区 较高温度下，速率与温度的关系不明显。较低温度下，速较高温度下，速率与温度的关系不明显。较低温度下，速率随绝对温度的增加呈指数急增。率随绝对温度的增加呈指数急增。气体流速气体流速 :气体流速大生长加快气体流速大生长加快流量较小时，生长速率与流量的平方根成正比流量较小时，生长速率与流量的平方根成正比生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有关：矩形腔的均匀性较圆形腔好。晶面间的共关：
10、矩形腔的均匀性较圆形腔好。晶面间的共价键数目越多，生长速率越慢。价键数目越多，生长速率越慢。系统与工艺流程系统与工艺流程系统示意图系统示意图工艺流程工艺流程 a.把干净的硅片装入反应室把干净的硅片装入反应室 2-4min b. N2预冲洗预冲洗 260L/min 4min c. H2预冲洗预冲洗 260L/min 5min （吹入惰性气体并充入氢气，如使用低压（吹入惰性气体并充入氢气，如使用低压 外延也需抽真空）外延也需抽真空） d. 升温升温1 850 C 5min e. 升温升温2 1170 C 5min（加热到氢气烘烤温度，以去除氧化层，该步骤能（加热到氢气烘烤温度，以去除氧化层，该步骤
11、能去除去除50-100埃的二氧化硅层）埃的二氧化硅层） f. HCl腐蚀腐蚀 10L/min 10min （刻蚀表面的硅层）（刻蚀表面的硅层） g. HCl排空排空 （吹气去除系统中的掺杂剂和（吹气去除系统中的掺杂剂和HCl） h.冷却到淀积的温度，引入硅原料和冷却到淀积的温度，引入硅原料和 掺杂剂以淀积所要的薄膜掺杂剂以淀积所要的薄膜 10min 2冲洗冲洗 260L/min 1min （去除硅原料和掺杂剂）（去除硅原料和掺杂剂） i.降温降温 6min （冷却到室温）（冷却到室温） 2冲洗冲洗 3-5min （吹走氢气）（吹走氢气） k.取出硅片取出硅片 外延中的掺杂及其杂质再分布外延中的
12、掺杂及其杂质再分布4.5.1 掺杂原理掺杂原理 外延层中的杂质原子是在外延生长时加入外延层中的杂质原子是在外延生长时加入到晶格点阵中去的。因而掺杂的动力学原到晶格点阵中去的。因而掺杂的动力学原理和外延生长相似。最终的杂质浓度将涉理和外延生长相似。最终的杂质浓度将涉及反应剂和掺杂剂两者的化学动力学性质及反应剂和掺杂剂两者的化学动力学性质以及温度，气流等多种因素。以及温度，气流等多种因素。掺杂剂掺杂剂氢化物氢化物: PH3， AsH3，B2H6氯化物氯化物: POCl3，AsCl3 和和硅硅外外延延生生长长相相似似，混混合合气气氛氛中中的的掺掺杂杂剂剂通通过过扩扩散散向向生生长长表表面面输输运运，
13、在在表表面面附附近近PH3被被分分解解出出游游离离态态的的磷磷原子，化学反应方程式为原子，化学反应方程式为 析析出出来来的的磷磷原原子子加加入入到到硅硅晶晶体体的的晶晶格格点点阵阵，并并离离化化成成带带正正电电的的施施主主离离子子，随随着着外外延延生生长长的的进进行行继继续续向向衬衬底深处扩散。底深处扩散。 外延过程中的杂质再分布外延过程中的杂质再分布 掺入外延层中的杂质一般与衬底杂质不同，掺入外延层中的杂质一般与衬底杂质不同，即使相同，浓度也不一样。即使相同，浓度也不一样。 同型杂质同型杂质 异型杂质异型杂质 硅外延工艺在高温下进行，因此杂质的再扩硅外延工艺在高温下进行，因此杂质的再扩散不可
14、忽视。散不可忽视。 一方面，由外部掺入到外延层中的杂质继续一方面，由外部掺入到外延层中的杂质继续向衬底深处扩散；另一方面，衬底中的杂质向衬底深处扩散；另一方面，衬底中的杂质又不断地向生长着的外延层扩散。总的扩散又不断地向生长着的外延层扩散。总的扩散浓度是它们各自扩散的共同结果。浓度是它们各自扩散的共同结果。 同一导电类型的杂质取正号，相反类型的杂同一导电类型的杂质取正号，相反类型的杂质取负号质取负号4.6 4.6 自掺杂效应自掺杂效应自掺杂效应及其来源自掺杂效应及其来源 在外延生长期间，衬底杂质将不断扩散并在外延生长期间，衬底杂质将不断扩散并从其表面蒸发出来，这种蒸发效应主要发从其表面蒸发出来
15、，这种蒸发效应主要发生在生长初期，而后由于外延层的有效阻生在生长初期，而后由于外延层的有效阻挡杂质将难以逸出，生长速率越慢，杂质挡杂质将难以逸出，生长速率越慢，杂质能逸出表面的有效时间就越长。能逸出表面的有效时间就越长。对于发生在衬底背面的蒸发效应，由于它对于发生在衬底背面的蒸发效应，由于它与加热基座直接接触，温度较高，蒸发将与加热基座直接接触，温度较高，蒸发将更甚，这种蒸发效应在整个淀积过程中都更甚，这种蒸发效应在整个淀积过程中都存在，特别在生长的后期，成为主要的蒸存在，特别在生长的后期，成为主要的蒸发源。发源。杂质从衬底片正面和背面的蒸发，不仅发杂质从衬底片正面和背面的蒸发，不仅发生在生长
16、期间，而且还发生在外延层正式生在生长期间，而且还发生在外延层正式开始生长之前的热处理过程中，如等待升开始生长之前的热处理过程中，如等待升温，气流稳定期间等，广义讲，这种蒸发温，气流稳定期间等，广义讲，这种蒸发是由于对样品进行预烘焙引起的。是由于对样品进行预烘焙引起的。如果进行气相腐蚀，随着硅的去除，大量如果进行气相腐蚀，随着硅的去除，大量的杂质被释放出来，也会使积蓄在附面层的杂质被释放出来，也会使积蓄在附面层里的杂质大大增加。里的杂质大大增加。这样从样品表面蒸发和腐蚀出来的杂质进这样从样品表面蒸发和腐蚀出来的杂质进入气相中，将起着掺杂剂的作用，重新进入气相中，将起着掺杂剂的作用，重新进入外延层。入外延层。除此之外，加热基座、外延系统和输入气除此之外，加热基座、外延系统和输入气体中沾污的杂质也会进入外延层中。体中沾污的杂质也会进入外延层中。外延层中的杂质除了人为的掺入以外，还外延层中的杂质除了人为的掺入以外，还存在着衬底和其它杂质非人为地掺入，统存在着衬底和其它杂质非人为地掺入，统称为自掺杂效应。称为自掺杂效应。 在外延淀积过程中，掺杂剂从衬底上重掺在外延淀积过程中，掺杂剂从衬底上重掺杂
