第五章_硅外延生长解析
第五章 硅的外延薄膜的生长
第五章硅的外延薄膜的生长外延生长工艺是一种在单晶衬底的表面上淀积一个单晶薄层(0.5∼20微米)的方法。
如果薄膜与衬底是同一种材料该工艺被称为同质外延，但常常就被简单地称为外延。
在硅衬底上淀积硅是同质外延最重要的在技术上的应用，并且是本章的基本主题。
在另一方面，如果在化学成分不同的衬底上进行淀积，则称为异质外延。
这种工艺已在被称为SOS的在蓝宝石(Al2O3)上淀积硅的工艺中得到应用。
外延起源于两个希腊字，意思是整理安排。
外延生长可以从气相(VPE)、液相(LPE)或固相(SPE)中获得。
在硅工艺中，气相外延得到了最广泛的接受，因为它对杂质浓度有良好的控制以及能获得晶体的完整性。
液相淀积在制造Ⅲ−Ⅴ族化合物外延层时得到广泛使用。
正如在第九章“非晶层损伤的退火”中讲到的，固相外延可用于离子注入的非晶层的再结晶。
发展硅外延的主要动机是为了改善双极型晶体管及后来的双极型集成电路的性能。
通过在重掺杂的硅衬底上生长一层轻掺杂的外延层，双极型器件得到优化：在维持低集电区电阻的同时，获得高的集电极－衬底击穿电压。
低的集电区电阻提供了在中等电流时的高的器件工作速度。
最近外延工艺已被用于制造先进的CMOS大规模集成电路。
这些电路中，器件被做在重掺杂的衬底上的一层很薄的(3∼7微米)轻掺杂的外延层中。
这种结构减少了在功率增加或在遭到辐射脉冲时CMOS电路可能经受的闩锁效应。
在外延层中制造器件(双极型和MOS)的其他优点还有：器件掺杂浓度的精确控制，并且这层中可以不含氧和碳。
但外延工艺并不是没有缺点，包括：a)增加了工艺复杂性和硅片成本；b)在外延层中产生缺陷；c)自掺杂以及d)图形改变和冲坏。
在这一章中，我们介绍了：a)外延淀积基础；b)外延层的掺杂；c)外延膜中的缺陷；d)对大规模集成电路的外延淀积的工艺考虑；e)外延淀积设备；f)外延膜的表征；g)硅外延的选择性淀积；和h)硅的分子束外延。
外延淀积基础这部分讨论了用于硅的气相外延的化学气相淀积(CVD)工艺的基础理论。
吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.1-5.3
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
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硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
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第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
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重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
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CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性
集成电路制造工艺第5章 外延工艺
2. 外延生长过程
反应气体分子从气相转移到生长层表面；反应气体分子被生长 层表面吸附；在生长层表面，反应物完成化学反应，生成硅原 子和其它副产物；副产物从生长层表面脱离；副产物排出反应 室；硅原子在生长层表面扩散；硅原子扩散至晶格形成处，与 其它硅原子结合形成晶核；晶核生长成单晶外延层。
Si������4 → ������������ + 2������2
1. 外延设备系统组成
5.2外延设备
图5-4 外延系统设备框图
2. 外延反应室 （1）卧式（水平式）反应室
（2） 立式（盘式）反应室
图5-5 卧式反应室
图5-6 立式反应室
3.筒式反应室
图5-7筒式反应室
5.3 气相外延
气相外延（Vapor Phase Epitaxy, VPE）是指含外延层材料的 物质以气相形式流向衬底，在衬底上发生化学反应，生长出和 衬底晶向相同的外延层的外延工艺。
SiCl4+2H2→Si+4HCl （2）SiHCl3：外延温度可略低于，生长速度快，每分钟可超过1μm，这 种源主要用于较厚的外延层生长。
3 SiH������������3 + 2 ������2 → Si + 3HCl （3）SiH2Cl2：常温下为气体。蒸汽压大于1个大气压，可在较上两种源 更低的温度下外延，从而有利薄层外延工艺中减少外扩散与自掺杂。 Si������2������������2 → ������������ + 2������������������ （4）SiH4:为气体，用于较低温度（950～1000℃）下薄层硅外延。
（3）换气
5 硅的气相外延生长
§4.2 硅的气相外延生长
1. APCVD（Atmospheric pressure） 高淀积速率,简单,高效; 均匀性差,纯度低; 常用于生长厚氧化层. 易二维成核，一般不用于IC制造. 均匀性和纯度高; 淀积速率较APCVD低; 常用于生长多晶硅, 掺杂和非掺 杂介质层. 工作温度较高，IC制造中一般不 用于后端，常用作Spacer Oxide 工艺. SiH4+O2(420oC)
dθ
dp =
dθ
π
cos θ
θ
（1）反射与分子原有方向性无关，按余弦定律分布； （2）分子停留在固体表面一段时间，与固体进行动量交换。
§4.2 硅的气相外延生长
外延：在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬 底上；在排列时控制有关工艺条件，使排列的结果形成具有一定导电类型、一定电阻 率、一定厚度、晶格完美的新单晶层的过程。 外延层：由原始衬底表面起始，沿其结晶轴向（垂至于衬底的方向）平行向外延伸所 生成的新单晶层。 同质外延：生长的外延层材料与衬底材料结构相同的外延生长过程； 异质外延：结构不同。 直接外延：整个外延层生长中无中间化学反应过程的外延生长过程（真空度要求高、 重复性差） ； 间接外延：外延所需的原子由含其基元的化合物经化学反应得到，然后淀积、加接形 成外延层的外延生长过程。
§4.1 真空基础
3. Dalton分压定律 在任何容器内的气体混合物中，如果各组分之间不发生化学反应，则 某一气体在气体混合物中产生的分压等于它单独占有整个容器时所产生的 压力；而气体混合物的总压强等于其中各气体分压之和. Ptotal=P1+P2+…+PN Ntotal=N1+N2+…+NN P1V=N1kT P2V=N2KT …… PNV=NNkT
简述硅外延的主要原理
简述硅外延的主要原理
硅外延技术是一种在硅晶体表面上沉积薄膜的方法，使得薄膜具有与其基底相同的晶格结构和晶体质量。
其主要原理包括以下几点：
1. 基底选择：硅外延通常使用具有与基底相同晶格常数的硅衬底作为基底材料。
2. 反应源：在反应室中，使用三氯硅烷（SiHCl3）和二甲基硅烷（SiH2(CH3)2）等类似化学物质作为反应源。
这些化学物质被分解成硅原子，在基底表面上沉积形成薄膜。
3. 气氛控制：在反应室中，通过控制气氛的温度和压力，以及气体流量的控制，确保反应的稳定性和薄膜的质量。
4. 沉积过程：反应源在基底表面附近分解，生成硅原子。
硅原子沉积在基底表面，并成为新的晶格点，扩展基底的晶体结构。
通过连续的沉积过程，薄膜的厚度逐渐增加。
5. 控制薄膜特性：通过控制沉积速率、温度和气氛参数，可以调节硅外延薄膜的厚度、晶体质量和杂质浓度等特性。
总之，硅外延的主要原理是利用反应源中的硅化合物在基底表面上沉积成硅薄膜，使其具有与基底相同的晶体结构和质量。
这种技术在半导体制造中具有广泛的应
用。
半导体材料第5章硅外延生长课后答案
第五章硅外延生长1、解释名词：①*自掺杂：外延生长时由衬底、基座和系统等带来的杂质进入到外延层中的非人为控制的掺杂称为自掺杂。
②外扩散：在外延生长中，由于是在高温条件下进行的，衬底中的杂质会扩散进入外延层致使外延层和衬底之间界面处的杂质浓度梯度变平的现象。
③外延夹层：外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反形层。
④双掺杂技术：在外延生长或扩散时，同时引入两种杂质。
因为原子半径不同而产生的应变正好相反。
当两种杂质原子掺入比例适当时，可以使应力互相得到补偿，减少或避免发生晶格畸变，从而消除失配位错的产生。
这种方法叫作双掺杂技术。
⑤SOS技术：在蓝宝石或者尖晶石衬底上外延生长硅。
⑥SOI技术：把器件制作在绝缘衬底上生长的硅单晶层上。
（当器件尺寸缩小到亚微米范围以内时，常规结构就不适应了，导致了SOI结构的发展）⑦SIMOX：氧注入隔离，通过氧离子注入到硅片，再经高温退火过程消除注入缺陷而成。
⑧SDB&BE：直接键合与背面腐蚀技术。
将两片硅片通过表面的S i O2层键合在一起,再把背面用腐蚀等方法减薄来获得SOI结构。
⑨ELTRAN：外延层转移，在多孔硅表面上可生长平整的外延层，并能以合理的速率将多孔硅区域彻底刻蚀掉，该技术保留了外延层所具有的原子平整性，在晶体形成过程中也不产生颗粒堆积或凹坑，因此具有比其它SOI技术更为优越的性能。
⑩Smart-Cut：利用H+注入Si片中形成气泡层，将注氢片与另一片支撑片键合，经适当的热处理，使注氢片从气泡层完整剥离形成SOI结构。
2、*(简述)详述影响硅外延生长速率的因素。
答：①S i CL4浓度：生长速率随浓度的增加增大并达到一个最大值，以后由于腐蚀作用增大，生长速率反而降低。
②*温度：当温度较低时，生长速率随温度升高而呈指数变化，在较高温度区，生长速率随温度变化比较平缓，并且晶体完整性比较好。
③气流速度：在反应物浓度和生长温度一定时，生长速率与总氢气流速平方根成比例关系，但到极限时不在增加。
第五章 ---硅外延生长
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。
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。
5—2 硅的气相外延 5－2－1硅外延生长用的原料
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。
第5章 硅外延生长
外延片中的缺陷分两类：
（1）表面缺陷（宏观缺陷）。如云雾、划道、亮点、塌边、 角锥、滑移线等。 （2）内部结构缺陷（微观缺陷）。如：层错、位错等。 §5-4-1 外延片的表面缺陷
1.云雾状表面
表面呈乳白色条纹，肉眼即可看到。
起因：氢气纯度低，H2O过多或气相抛光浓度过大，生长温延层，常用低阻P型衬底自掺杂效应实现掺杂。
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§5-3-2 外延中杂质的再分布
希望外延层和衬底界面处的掺杂浓度很陡； 衬底中的杂质会扩散进入外延层，致使外延层和衬底 之间界面处的杂质浓度梯度变平。 N1（x，t）：重掺杂衬底扩散造成的杂质浓度分布； N2（x，t）：外部掺入的杂质浓度分布曲线。 总的杂质浓度
（4）外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及浓度；
（5）生长异质，多层，多组分化合物且组分可变的超薄层； （6）实现原子级尺寸厚度的控制； （7）生长不能拉制单晶的材料；
5
外延层应满足的条件：
（1）表面平整、光亮，没有表面缺陷；
（2）晶体完整性好，位错和层错密度低；
（3）外延层的本底杂质浓度低，补偿少。 （4）异质外延，外延层与衬底的组分间应突变，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，要求均匀的电阻率；
形状象沙丘，用肉眼可看见。
防止角锥体产生采取的措施： ①选择与（111）面朝〈110〉偏离3~4°的晶向切片， 提高临界生长速度； ②降低生长速度；
③防止尘埃及碳化物沾污，注意清洁等。
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雾状表面缺陷 ①雾圈 ②白雾
①雾圈 ②白雾
③残迹
④花雾
③残迹
④花雾
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角锥体
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3.亮点
外形为乌黑发亮的小圆点。 40~60倍显微镜下呈发亮的 小突起。 大者为多晶点，可因系统沾污，反应室硅粉，SiO2粒脱 落，气相抛光不当或衬底装入反应室前表面有飘落的灰 尘等引起。 细小的亮点多半由衬底抛光不充分或清洗不干净造成。
半导体材料分析第五章硅外延生长
气相均质反应模型
• 这个模型认为： 外延生长反应不是在固－气界面上，而是 在距衬底表面几微米的空间中发生。反 应生成的原子或原子团再转移到衬底表 面上完成晶体生长。
20
5－3硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同 的，这就需要在外延生长过程中，精确 控制外延层中的杂质浓度和分布来解决
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5.2硅的气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
➢对外延片的质量要求：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。
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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
半导体材料分析 第五章硅外延生长
5.1外延生长概述
• 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）
2
外延生长分类
• 根据外延层性质
同质外延：外延层与衬底同种材料 如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP;
3. 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）
4. 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HCl
5. a)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
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N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因此 称为外掺杂
第5章 硅外延生长分析
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扩散层（质量边界层或附面层）：具有反应物浓度梯 度的薄层。
c ( x) ( x) 3 3 / D Pr x 0
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4.塌边（取向平面）
外延生长后片子边缘部分比中间部分低，形成一圈或一部 分宽1~2mm左右的斜平面，是无缺陷的完整的（111）面。
单晶定向后，用内（外）圆/线切割机切成厚度为 400~550 m的薄片； 磨片机上用金刚砂磨平（倒角）后，再用SiO2胶体 溶液抛光成镜面，制成衬底; 清洗甩（烘）干后，放在基座上； 封闭反应室通高纯H2排除反应室中的 空气； 启动加热系统，调整温度到所需温度。 反应所需的氢气经净化器提纯, 一路 通反应室，另一路通硅源容器, 携带硅 源入反应室。
影响因素
• SiCl4的浓度 • 温度
• 生长动力学过程 • 边界层及其特性 • 动力学模型
• 气流速度
基本工艺
• 衬底晶向
生长机理
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§5-3-1 硅外延生长用的原料 气相硅外延生长：高温下挥发性强的硅源与氢气发生反应 （氢还原）或热解（热分解），生成的硅原子淀积在硅衬底 上长成外延层。 常使用的硅源: SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
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第五章 硅外延生长
•外延生长概述 •硅衬底制备
•硅的气相外延生长
•硅外延层电阻率的控制 •硅外延层的缺陷
•硅的异质外延
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§5-1 外延生长概述
外延生长：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方法。 •外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜（厚度为 几微米） 。
第五章_硅外延生长要点
第五章硅外延生长
5.1外延生长概述
• 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）
2
外延生长分类
• 根据外延层性质
同质外延：外延层与衬底同种材料
如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP;
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
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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
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。
根据相变过程
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5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为 ：N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统 N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量
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气相均质反应模型
• 这个模型认为： 外延生长反应不是在固－气界面上，而 是在距衬底表面几微米的空间中发生。 反应生成的原子或原子团再转移到衬底 表面上完成晶体生长。
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5－3硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同 的，这就需要在外延生长过程中，精确 控制外延层中的杂质浓度和分布来解决
吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.6
衬底表面被腐蚀，会增加外延层中的缺陷，甚至 局部长成多晶。
SiCl4对衬底的腐蚀大于SiH4，SOS外延生长采用 SiH4热分解法更为有利。
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为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用双速率生长 和两步外延等外延生长方法。
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SOI材料 制造技 术分类
如何实现SOI?
熔融再结晶 束致再结晶---激光或电子束
多晶/非晶 （ZMR） 区熔再结晶---石墨条加热
单晶化 固相外延
或卤素灯
（SPE）
单晶衬底 的隔离
氧离子注入形成SiO2埋层（SIMOX） 多孔硅氧化隔离法（FIPOS）
硅片键合背面腐蚀法（BESOI）
体硅的问题：
超大规模集成电路取得快速发展的动力主要源于不断减小 的器件尺寸和不断增加的芯片面积，当特征尺寸减小到 100nm以下时会出现以下一系列问题：
器件尺寸减小，导致热载流子效应，工作电源电压必须降 低。为了保证电路性能，阈值电压应随之降低，导致关态 漏电流的迅速增加。
体硅中的寄生可控硅闩锁效应。
智能剥离技术（Smart-cut）
硅单晶薄膜 选择外延横向生长法（ELO） 的沉积 异质外延法（SOS,SOZ等）
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半导体材料
5-6 硅的异质外延
5-6-1 SOS技术 5-6-2 SOI技术
5-6-3 SiGe/Si
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1．异质外延衬底材料的选择 首先要考虑的是外延层与衬底材料之间的相容性 如晶体结构、熔点、蒸气压、热膨胀系数等
关于低压硅外延生长的热力学研究
关于低压硅外延生长的热力学研究低压硅外延生长是一种重要的半导体工艺，广泛应用于集成电路、光伏等领域。
热力学是研究物质变化规律的一个重要方面，对于探究低压硅外延生长机理具有重要作用。
本文将介绍低压硅外延生长的基本原理，讨论其热力学特性，并探讨其在半导体工艺中的应用前景。
低压硅外延生长是一种在真空环境下进行的硅材料生长工艺。
在生长过程中，硅原子从气相中沉积到衬底表面，形成新的硅层。
这个过程需要考虑到硅原子在气相和固相之间的传输过程，以及在表面上的吸附、扩散和沉积。
在这个过程中，热力学特性起着至关重要的作用，影响着硅外延的生长速率、形貌和晶体质量。
在低压硅外延生长中，气相中的硅原子首先被解离成原子态，然后通过扩散传输到衬底表面。
硅原子在表面上的吸附和扩散过程是通过键合能的协同作用来实现的。
吸附能是指硅原子在表面上吸附的释放的能量，它与表面结构、晶格匹配程度等因素有关。
而扩散能则是指硅原子在表面上自由扩散的能力，它与晶体结构、表面活化能等因素密切相关。
在实际生长过程中，要控制好吸附和扩散能，以保证硅外延的生长速率和质量。
热力学在低压硅外延生长中的应用主要表现在两个方面，一是在生长条件的选择上，二是在控制生长速率和质量上。
在生长条件的选择上，热力学参数如反应焓、反应熵等对于优化生长过程至关重要。
通过合理选择生长温度、气压、流速等参数，可以有效控制硅外延的生长速率和形貌。
另一方面，在生长速率和质量的控制上，热力学参数如化学势、表面活化能等对于了解硅外延生长的机理起到关键作用。
通过调控这些参数，可以实现对硅外延的精细控制，提高生长速率和晶体质量。
除了对低压硅外延生长过程中热力学特性的研究，热力学还有望应用于半导体工艺中的其他领域。
例如，在新型半导体材料生长、功能薄膜制备等方面，热力学参数的研究和优化将对提高材料性能和工艺效率具有重要意义。
因此，加强对热力学研究在半导体工艺中的应用，将有助于推动半导体工业的发展。
05章-硅外延生长解析
5.4 硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同的。为 精确控制器件的电阻率，需要精确控制外延层 中的杂质浓度和分布。 • 5-4-l 外延层中的杂质及掺杂 • 1．外延层中的杂质 •
外延层中杂质的来源
• 外延层中杂质的来源是： • （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。 • （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。
• 抑制自掺杂的途径：
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，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。
• 从晶体管原理来看，要获得高频大功率，必须做到集 电极击穿电压要高，串联电阻要小，即饱和压降要小。 前者要求集电极区材料电阻率要高，而后者要求集电 区材料电阻率要低，两者互相矛盾。 • • 如果采用将集电区材料厚度减薄的方法来减少串联 电阻，会使硅片太薄易碎，无法加工。 若降低材料的电阻率，则又与第一个要求矛盾，外延 技术则成功地解决了这一困难。
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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
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根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同
6. 冷却到室温
7. 吹走氢气并重新充入氮气
8. 取出硅片
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5-2-4硅外延生长的基本原理和影 响因素
以SiCl4为例
• 原理：SiCl4+2H2 Si+4HCl
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生长过程：
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1. SiCl4浓度对生长速率的影响
随着浓度增加,生长速率先增大后减小. 14
2.温度对生长速率的影响
温度较低时,生长速率随温度升高呈指 数规律上升 较高温度区,生长速率随温度变化较平 缓.
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5.2硅的气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
➢对外延片的质量要求：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。
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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
边界层厚度与流速平方根成反比
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• 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
3. 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）
4. 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HCl
5. a)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
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气相均质反应模型
• 这个模型认为： 外延生长反应不是在固－气界面上，而是 在距衬底表面几微米的空间中发生。反 应生成的原子或原子团再转移到衬底表 面上完成晶体生长。
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5－3硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同 的，这就需要在外延生长过程中，精确 控制外延层中的杂质浓度和分布来解决
半导体材料
第五章硅外延生长
5.1外延生长概述
• 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）
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外延生长分类
• 根据外延层性质
同质外延：外延层与衬底同种材料 如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP;
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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
外延用PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3做N型 掺杂剂，用BCL3,2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。
• 四部分组成： 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 • 加热反应器，提高温度，有利于硅的淀积，加热
方式有高频感应加热和红外辐射加热。
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5-2-3 外延工艺顺序
1. 把干净的硅片装入反应室
2. 吹入惰性气体并充入氢气（LPVCD：抽真空）
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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。
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5－2－2 硅外延生长设备
• 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
• 真空外延、气相外延、液相外延
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。
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，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等
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3.气流速度对生长速率的影响
• 生长速率与总氢气流速的平方根成正比
4.衬底晶向的影响
生长速率<100>><110> > <111>
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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
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气-固表面复相化学反应模型
边界层：P110
• 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。
异质外延：外延层与衬底不同材料 如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；
正外延：器件制作在外延层上 反外延：器件制作在衬底上
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根据外延生长方法：
直接外延 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
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5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为： N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统
N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量