精选优质文档-----倾情为你奉上第五章 硅和硅基薄膜的外延生长5．1 概述 外延生长(通常亦简称外延)是半导体材料和器件制造的重要工艺之一，它的应用和发展对于提高半导体材料的质量和器件的性能，对于新材料、新器件的开发，对于半导体科学的发展都具有重要意义 所谓外延生长就是在一定条件下，在经过仔细制备的单晶衬底上，沿着原来的结晶方向生长出一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构、完整性等都符合要求的新单晶层的工艺过程所生长的单晶层称为外延层 外延生长同从熔体中直接生长一样都是制备半导体材料单晶的方法，但相比之下外延生长有它一些特殊的优点： (1)利用外延生长可以在一块低电阻率的衬底上生长出一层很薄的高电阻率的外延层，然后把器件制作在外延层上，解决了高频大功率晶体管要求高的击穿电压和低的饱和压降之间的矛盾 (2)可进行选择性外延生长，为集成电路和某些特殊结构器件的研制提供了便利条件 (3)外延技术可以控制外延层中的杂质分布 (4)采用适当的外延技术可以生长异质、薄层、超薄层组分可变的外延层，为制造多层异质结构器件提供了条件 (5)可在低于衬底熔点的温度下制备半导体薄膜。
外延生长分类的方法很多，从不同的角度有不同的分类方法，主要有以下四种分类方法： (1)根据外延层在器件制作过程中的作用可分为正外延和反外延如果器件直接制作在外延层上，则这种外延技术称为正外延；如果器件制作在衬底上，而外延层只起支撑和隔离作用，则这种外延技术称为反外延 (2)根据衬底和外延层材料是否相同又可分为同质外延和异质外延如果衬底和外延层属于同一种材料则称为同质外延，否则称为异质外延 (3)根据在生长过程中向衬底输送原子的方法不同可分为气相处延、液相外延和固相外延 (4)根据生长机理的不同可分为直接外延生长和间接外延生长不经过中间化学反应，原子从源直接转移到衬底上形成外延层的外延生长称为直接外延生长；生长外延层所需要的原子或分子是由含有该组分的化合物，通过还原、热分解、歧化等化学反应而得，则这种外延生长称为间接外延生长 5．1．1 硅外延技术发展历史 外延技术是在60年代初开始逐渐发展起来的外延技术的出现解决了半导体器件制造中的许多原来难以解决的问题，大大提高了器件的性能这种方法被应用于硅高频大功率晶体管的生产，解决了击穿电压与串联电阻之间的矛盾[l]。
利用外延层能较精确地控制其厚度和掺杂的特点，促使正处于迅速发展的半导体集成电路技术进入比较完善的阶段此后在应用的推动下硅外延技术得到了很大的发展 为了提高器件的成品率和性能，降低成本，研制新器件，对硅外延提出了多种要求：产量大，外延片尺寸尽量大，外延层厚度和电阻率分布均匀，自掺杂小，掺杂浓度的精确控制，衬底与外延层界面处杂质分布陡峭，外延层晶体完整性好等有的特殊要求包括生长亚微米厚的薄层外延，进行选择外延生长等 为此外延工作者做了大量的研究工作，发展了外延生长技术如依据边界层理论开展了低压外延等一系列研究，改善了外延层厚度和电阻率的均匀性[2]；采用SiCl4 +SiH4混合源 [3]和SiH2Cl2源等降低了外延生长温度；采用二步外延生长法[4，5]可有效地抑制自掺杂，提高界面处杂质过渡分布的陡度；通过HCl、Br2抛光，红外加热，完美硅外延技术等的应用，提高了外延层的晶体完整性；开展了吸杂技术的研究，进一步提高外延片的质量；最近，提出利用补偿效应有效地控制了外延生长过程中外延层边缘翘突，自掺杂和外扩散效应，使硅外延层的厚度一致性、掺杂的均匀性和材料完美性都有了明显的改善[6]；为了达到降低外延生长温度、抑制自掺杂、生长薄层外延片等目的正在研究硅的分子束外延、等离子增强、光能增强和超高真空化学气相淀积等新的外延生长技术。
5．1．2 外延技术在器件工艺中的应用 随着外延技术的发展，外延已成为器件制作中的重要工艺之一在制作分立器件和功率器件时采用外延层结构可得到更好的器件性能例如外延三极管是在制作过程中增加了一步在低阻衬底上外延一层导电类型相同而电阻率较高的单晶，采用这样的结构，当从集电极的引线接触点到集电结之间是低阻通道时，集电结区仍能保持所需的高击穿电压 自从在外延层上制成三极管以后，硅的外延生长就成为硅器件工艺的重要部分外延生长是制作双极型集成电路的一步重要工艺，双极数字IC的制作均采用外延，相对来说，双极线性IC使用较少一些，但随着高精度电路的发展，双极线性IC中外延也使用得越来越多外延工艺一般为先在P型衬底上制作晶体管的区域预先埋入N+层，然后外延N层，最后经隔离扩散完成PN结隔离[7] MOS集成电路的晶体管一般采用自隔离措施，因此通常不用外延层，但在制作高性能、高密度DRAM时，则提倡采用外延层在无埋层的低阻衬底上外延一层高阻硅，然后按DRAM工艺制造，可以减少粒子造成的软失效[8]；随着MOS器件尺寸的缩小，CMOS器件对于闩锁现象变得非常敏感，如果CMOS器件制作在外延层上，低阻导电衬底为促进电子一空穴对的复合提供了一个良好的对地通路，从而阻止了闩锁的发生[9]；VMOS器件制作在(100)N／N+外延片上[10]，可以提高MOS 晶体管速度。
总的来说，在外延层上制作MOS电路，可以提高电路的性能、速度和成品率，并且提供了MOS／双极型电路相容的可能性据统计，大约50％～60％的硅基IC在制作过程中至少包括一次外延此外，外延还用于制作太阳能电池、功率器件、微波器件等[11] N／N+和P／P+的外延结构解决了许多分立器件和集成电路制造中所遇到的难题此外，外延增加了工艺设计和器件制造的灵活性外延过程中还可以方便地控制导电型号、电阻率、杂质分布以及厚度等参数，在许多场合提供了其他方法所不能提供的材料 利用外延技术，不仅可以淀积硅单晶外延层，还可以用来淀积多晶硅、氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、磷硅玻璃(PSG)、硼磷硅玻璃(BPSG)等薄膜 多晶硅可作为栅电极、互连线、介质隔离、掺杂扩散源、表面钝化和多晶PN结等多种用途多晶硅的制备普遍采用硅烷热分解化学气相淀积方法[12]应用半绝缘多晶硅(SIPOS)钝化工艺已成功地制造出了高压NPN晶体管、高压PNP晶体管和MOS集成电路[13] Si3N4是一种较为理想的扩散掩膜和钝化膜，因此Si3N4薄膜在集成电路制造工艺中有很重要的用途Si3N4膜的制备方法有多种，其中CVD方法能稳定地获得高质量的膜，且产量大，成本低，专心---专注---专业是目前生产上广泛采用的方法。
由于常压CVD方法有许多缺点，目前国内外普遍采用低压CVD 的方法来淀积Si3N4膜 SiO2膜是器件制作中最常用的钝化膜SiO2膜的制备方法有常压下低温CVD和高温CVD两种方法l976年以后，工业上大量采用低温CVD方法来制备SiO2膜[14]，它是在氧气中使硅烷在衬底表面上进行热分解，并与O2反应生成SiO2 现已得到广泛应用的磷硅玻璃和硼磷硅玻璃(BPSG)也可以采用CVD方法制作由此可见，外延技术在器件制作中有着广泛的应用，外延也越来越受到人们的重视，国际上外延片的销售比重已达到抛光片的20％左右[15]，并且仍在逐年上升5．2 硅的气相外延生长 气相外延生长是最早应用于半导体领域的一种比较成熟的外延生长技术，它在半导体科学的发展中起了很重要的作用，大大促进了半导体器件的质量与性能的提高但是，气相外延还没有达到完全成熟的地步，在某些方面仍然处于经验工艺状态，必须做更深一步的研究，才能进一步发展外延生长技术 目前制备半导体单晶外延薄膜的最主要方法是化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition，CVD)所谓化学气相淀积，就是利用气态物质在固体表面上进行化学反应，生成固态淀积物的过程。
气相外延通常是指在单晶衬底上由CVD法生长单晶层的过程与其他外延技术相比，CVD法工艺最简单，而机理最复杂由于使用该方法源材料可以预先用物理化学方法制成高纯度材料，并且设备比较简单，操作方便，易于实现大批量生产，因而在工业上得到了广泛应用 用CVD法生长硅外延，对半导体工业已经起了很重要的作用CVD技术的普及超过其他外延生长技术，不仅归因于它的适应性，更重要的是由于它生长高质量单晶膜的能力该方法包括： (1)外延层可以通过各种含硅气体和不同化学反应生长出来，每种反应发生在一定的温度范围内，因而可以选择较宽的生长温度范围 (2)对P型或N型掺杂，多种化合物均可使用，掺杂浓度在1014～1018cm-3范围内均可获得 (3)生长速率能在每分钟百分之一微米到几个微米的范围内变化，因而外延厚度范围很宽，能满足绝大多数器件需要 (4)很容易做到原位腐蚀和反向生长 (5)通过向氯硅烷内添加HCl或利用SiI2的歧化作用，可获得近平衡生长，适合于选择外延生长 (6)在不增加厚度和掺杂非均匀性的情况下，硅片尺寸可以按比例增大 当前，随着大规模集成电路、超大规模集成电路和微波器件的发展，越来越需要生长厚度更薄，电阻率分布更均匀，外延层／衬底界面杂质浓度分布更陡峭的外延层。
工业上使用的常规硅外延工艺有两个高温过程： (1)衬底淀积前的原位清洁过程通常在1150～1200℃的温度下H2或HCl／H2中； (2)生长时根据使用硅源的不同，采用1100℃左右的高温 这两个高温过程将会引起以下几个问题： (1)限制了外延所能达到的最小厚度厚度不能减薄又限制了集成电路通过按比例地缩小器件纵、横尺寸来提高集成度 (2)在重掺衬底上或带重掺埋层衬底上的外延层电阻率提高受到限制由于温度高，杂质的固相扩散和自掺杂难以控制，外延层／衬底界面处杂质过渡分布缓变 (3)图形漂移和畸变比较严重特别是当尺寸进一步缩小时，图形间距离也进一步变小，这些现象表现得更为严重 因此，如何在低温下进行外延生长成了人们所关注的问题对硅外延来说，低温是指外延温度低于850℃按常规工艺，一般低于930℃时，外延层就已经是多晶了，欲进行低温外延必须使用新工艺目前，人们做了很多工作来探索新的工艺方法，如分子束外延(MBE)、光能增强化学气相淀积(光CVD)、等离子体增强化学气相淀积(PECVD)、超高真空化学气相淀积(UHVCVD)等 在诸多新工艺中，UHVCVD是比较吸引人的一种。
UHVCVD是在超高本底真空下引入SiH4热分解淀积外延层由于本底真空度的提高，使得反应温度大大降低，同时也改善了外延层电学特性 UHVCVD和现有外延常规工艺相兼容，因而它一诞生就显示了强大的生命力国际上现有很多研究小组在从事该项研究UHVCVD系统结构不太复杂，如能进一步降低设备成本和提高产量，是完全有可能在工业上得到应用的 5．2．1气相外延的生长机理 1．气相外延生长的淀积反应 化学气相淀积工艺是用加热、等离子体、紫外线等能源促使气态物质进行化学反应并形成稳定的固态薄膜气相外延生长要求形成的薄膜是衬底连续、平滑的延伸，并且与衬底的晶体结构有对应的取向关系 在各种气相外延生氏中，人们对硅的外延生长了解最充分原因之一是硅材料在半导体工业中应用最广泛，二是硅外延所采用的体系相对来说较简单这里仅对硅外延进行介绍 硅外延的化学气相淀积可以分为三个基本类型的反应：歧化反应、还原反应和高温分解反应，每种方法都有自己的优点和缺点。