第六章 外延片的制备

• 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 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 发源。
• 杂质从衬底片正面和背面的蒸发，不仅发 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 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。
析出来的磷原子加入到硅晶体的晶格点阵，并离化 成带正电的施主离子，随着外延生长的进行继续向 衬底深处扩散。
2PH3 2P 3H2
4.5.3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， 即使相同，浓度也不一样。 同型杂质 异型杂质
硅外延工艺在高温下进行，因此杂质的再扩 散不可忽视。 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 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。
fx U y dx
y 0
U0

dx （4-3）
式中负号表示内摩擦力沿着x轴负方向。根 据牛顿第二定律，该作用力引起微流体元 内动量的变化。由于流体的流动是连续的， 从ABC面流进来的流体必然全部要从CD面 流出。作为近似，动量的变化可以看作是 流体由BC面流入的结果。而单位时间内从 BC面流入的流体带入的动量为
4.5 外延中的掺杂及其杂质再分布 4.5.1 掺杂原理 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 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 以及温度，气流等多种因素。
4.5.2掺杂剂 • 氢化物: PH3， AsH3，B2H6 • 氯化物: POCl3，AsCl3 和硅外延生长相似，混合气氛中的掺杂剂通过扩散向 生长表面输运，在表面附近PH3被分解出游离态的磷 原子，化学反应方程式为
M U d 质量×速度
2 0
（4-4）
• 该动量全部用在克服内摩擦力上，故有
f x M
将式（4-3）和（4-4）带入上式，得到
dx d U 0
等式两边积分，并取
x 0; 0
x
2x U 0
（4-5）
这就是滞流层厚度的近似表达式，由此可求出平 均滞流层厚为
4.2.2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 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 （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 自由流体：速度附面层区域以外的流体
j1 j2 j
（4-11）
根据 v j / N si N si 为硅晶体的原子密度
在气体 —生长层界面上的反应剂浓度和外延生ห้องสมุดไป่ตู้速 率为：
N GS
NG0 ks 1 hG
k s hG N GO v k h N s G Si
4.2.3生长速率讨论 • 表面反应控制 当 hG k s 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 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
• 注意 外延层的晶体质量不应该超过衬底的质量。 因而在硅片预处理时必须非常小心。外延前硅 片的清洁要求从硅片的正面和背面去除颗粒、 有机的和无机的沾污。一般地这样的清洁过程 是不够的，还要求有一个额外的温度超过1100 度的即时的无水HCl的刻蚀来从表面去除剩余 的沾污。
必须小心以避免硅衬底的有效厚度的丧失， 因为在高温时刻蚀的速率很快。如果在较低的 温度（1050），已发现SF6是即时刻蚀中HCl 的合适替代品。
第四章 外延片的制备
4.1硅外延工艺概述
定义:外延(epitaxy)是在一定条件下，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。 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。
2.应使用有较低蒸气压和低扩散率的衬底和 埋层掺杂剂。 3.用轻掺杂的硅封住衬底和支架背面 4.在降低压强下操作外延系统以减少横向自 掺杂。由于气体分子的扩散率在气压减少 时增加了，使得掺杂原子能迅速到达主气 流并被带出反应室，从而减少横向自掺杂。 只对磷和砷有用，对硼无效。
5.使用离子注入的埋层以减小衬底表面浓度。 6.在HCl刻蚀之后采用一个低温吹气的工艺， 保证刻蚀时所涉及的掺杂剂被带出系统。
• 至于生长速率与衬底取向有关，是因为外 延层是衬底表面沿其法线方向沿拓的结果。 晶面间相互作用的共价键数目越多，生长 速率越慢。 V(110)>V(100)>V(111)
4.4系统与工艺流程
• 系统示意图
• 工艺流程
a.把干净的硅片装入反应室 2-4min b. N2预冲洗 260L/min 4min c. H2预冲洗 260L/min 5min （吹入惰性气体并充入氢气，如使用低压 外延也需抽真空） d. 升温1 850ºC 5min e. 升温2 1170ºC 5min （加热到氢气烘烤温度，以去除氧化层，该步骤能 去除50-100埃的二氧化硅层）
在开管外延中，系统维持在较高的常压 （0.1MPa）状态，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 速率将主要取决于质量传输和表面化学反应。 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 气氛中各组分在样品表面的吸附及其表面化学反 应控制。
NGS NG 0
NGO v ks N Si
• 质量转移控制 当 h k 时，在外延层表面上的化学反应进 G s 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， 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
NGS 0
N GO v hG N Si
• 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 2.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Si原子和其他 副产物 4.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 体逸出反应室 6. Si原子加接到晶格点阵上 其中1和5为物理扩散过程，2和4为吸附和解吸过 程，3为表面化学反应过程
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 的，如图，通常把附面层的厚度 规定为：在该 处的流速已到达自由流体流速U0 的99%，其中U 表示流体的流速。
微流体元及速度分布 滞留层里气体流速分布可表示为： U0 0 y U y
1 L 2 2 x dx L 0 3
式中 ReL U 0 L /
L U 0
L U 0
L （4-6） ReL
称为平板雷诺数，是一个无量纲数，用它可以 判断流体的运动状态
仿照速度附面层，引入质量附面层的概念。 在质量附面层内浓度有较大的变化，其厚 度可以表示为δN 设气体内部和生长表面的反应剂浓度分别为
• 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 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 入气相中，将起着掺杂剂的作用，重新进 入外延层。
• 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。 • 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 称为自掺杂效应。
N ( x, t ) N1 N 2
同一导电类型的杂质取正号，相反类型的杂 质取负号
4.6 自掺杂效应 4.6.1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 从其表面蒸发出来，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 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。
硅外延反应器
4.2.1 一般过程 H2还原SiCl4法的化学反应式为：
SiCl4 2H2 Si 4HCl
1000 C


在生长表面得到游离态的Si原子，析出的Si原子 在高温下携带大量的热能，便沿着表面滑动（扩 散） 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。
在外延淀积过程中，掺杂剂从衬底上重掺 杂的区域通过两种方式进入到正在生长的 薄膜中： 一方面是由衬底杂质的固态外扩散引起的; 另一方面是由上述各种原因引起的气相自 掺杂所致。
4.6.3 减少自掺杂的方法 1.为避免硼的自掺杂，外延淀积过程应在尽 可能最低的淀积温度下进行，这等价于高 质量的膜和合理的淀积速率（SiH2Cl2可以 在比SiCl4低的温度下淀积）。这只对减少 硼的自掺杂有效，因为事实上在较低温度 时砷的自掺杂增加了。
f. HCl腐蚀 10L/min 10min （加热到HCL的刻蚀温度，引入无 水HCL刻蚀表面的硅层） g. HCl排空 1.3L/min 1min （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 掺杂剂以淀积所要的薄膜 10min
h.H2冲洗 260L/min 1min （去除硅原料和掺杂剂） i.降温 6min （冷却到室温） j.N2冲洗 3-5min （吹走氢气） k.取出硅片

（4-1）
流体流动时，在单位面积上产生的内应力

U 与速度在垂直方向上的变化率成正比，即 （4-2） y
称为粘滞系数。在滞流层内距原点x处取
一垂直于基座表面的微流体元ABCD，它在 垂直于纸面方向上有一个单位长度。忽略 压力沿x方向的损失，则该微流体元沿x方 向只受到粘性内摩擦力的作用。BC面的内 摩擦力为零，而AD面的内摩擦力为
4.3 影响外延生长速率的因数
• 反应剂浓度:为兼顾结晶的完美性和其他要求，反 应剂浓度不宜太大。
在较小的反应剂浓度 范围内，生长速率和 反应剂浓度成正比， 但由于反应生成氯化物 如HCL的腐蚀作用逐渐 显著起来，使得生长速 率并不能按比例增加， 而是趋于 饱和，然后下降 ，一旦浓度超过某一值， 腐蚀占了主导地位， 会出现与生长相反的过程， 衬底表面被剥离。
j1
N
DG
( N GO NGS ) hG ( NGO NGS )
（4-9）
式中
hG DG / N
称为气相质量转移系数，它 具有速度的量纲
• 另一方面，在生长层界面上进行化学反应 所消耗的粒子流密度为
j2 k S NGS
（4-10）
kS 是表面化学反应速率常数。在稳定状态下
• 温度：B区高温区（常选用），A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 率随绝对温度的增加呈指数急增。
• 气体流速
: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
U0 x
• 生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有 关。由下图可知，圆形管沿基座横向，外延层 厚度是中间厚、两边薄；矩形腔的均匀性较圆 形腔好。
NG 0 , NGS
假定在质量附面层里反应剂浓度也
呈线性分布即
NG
N G 0 N GS
N
y,0 y N
（4-7）
根据扩散理论，输运到外延层表面的反应剂 粒子流密度为 j D N
G 1 G
y
y 0
（4-8）
式中 D 为反应剂在氢气中的扩散系数，结合
G
（4-7）式，得
同质外延：生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 同 外延分类:气相外延(VPE)－－常用 液相外延(LPE)－－ⅢⅤ 固相外延(SPE)－－熔融再结晶 分子束外延(MBE)－－超薄
4.2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 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.