硅外延生长
第5章 硅外延生长
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。
41
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
42
角锥体
43
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。
3.气流速度对生长速率的影响
反应物浓度和生长温度一定时，水平式反应器中的生长速率与 总氢气流速的平方根成正比。 立式反应器，流速较低时生长速度与总氢气流速平方根成比例； 流速超过一定值后，生长速率达到稳定的极限值而不再增加。
21
4.衬底晶向的影响
常压外延生长条件下 （SiCl4+H2源，生长温度T=1280℃，SiCl4浓度0.1%）
决定速率的步骤称速率控制步骤。
24
低温时，固-气表面上的反应最慢 整个生长过程的速度。
决定
过程称表面反应控制过程或动力学控制过程。
正常条件下，表面反应很快，主气流中的反 应物以扩散方式输运到表面的过程最慢，过程 称质量输运控制过程。
25
均质反应模型：
外延生长反应是在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； 反应浓度很大，温度较高时可能在气相中成核并长大； 例，高浓度SiH4高温热分解。 结论：复相反应和均质反应， 都认为反应物或反应生成 物要通过体系中的边界层达到衬底表面。
半导体工艺原理---硅外延制备工艺(2013.3.25)(贵州大学)
不仅如此，GaAs等Ⅲ一V族、Ⅱ一Ⅵ族以及其他化 合物半导体材料的气相外延，液相外延，分子束外延，金 属有机化合物气相外延等外延技术也都得到很大的发展，
已成为绝大多数微波、光电器件等制做不可缺少的工艺技
术。 特别是分子束、金属有机气相外延技术在超薄层、超晶 格、量子阱、应变超晶格、原子级薄层外延方面成功的应 用，为半导体研究的新领域“能带工程”的开拓打下了基
列影响因素。
1．SiCl4浓度对生长速率的影响
2．温度对生长速率的影响
3．气流速度对生长速率的影响 4．衬底晶向的影响
硅气相外延生长装置原理图
反应原理：
SiCl4（气体）+2H2 （气体） Si+4HCl （气体）
同时伴随着另一个竞争反应： SiCl4 （气体） +Si SiCl2 （气体） 因此，如果四氯化硅浓度太高，将发生硅的腐蚀而不是硅 的生长。
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。作为 N型掺杂剂的有PCl3,PH3和AsCl3，而作为P型掺杂剂的有BCl3、 BBr3和B2H6等。
硅外延生长设备
硅外延生长设备主要由四部分组成，即氢气净化系统、气体输
运及控制系统、加热设备和反应室。
础。
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，化合物且组分可变的超薄
《硅外延生长》课件
硅外延生长的应用领域
现代半导体类产品如计算机 芯片、智能手机和光通信等 都需要硅外延生长技术。硅外延生Biblioteka 的原理与方法硅外延生长的原理
硅外延生长是核形成、晶核的成长与自发畴界移动 等复杂过程的综合表象。
硅外延生长的方法
• 气相外延法 • 液相外延法
气相外延法
1
原理与流程
气相外延法是指以光刻胶为模板，在硅片上生长SiGe薄膜的方法。
硅外延生长
本课程是关于硅外延生长的介绍，从定义、历史发展到应用领域，深入了解 硅外延生长的原理和方法。
硅外延生长概述
什么是硅外延生长？
硅外延生长是一种通过在硅 基底上沉积高品质单晶硅薄 膜的过程。
硅外延生长的历史发展
硅外延技术从二十世纪六十 年代就开始发展，并随着半 导体工业的高速发展一直得 到迅速发展。
硅外延生长的未来
发展趋势
硅外延生长技术将继续发展，主要趋势是提高生长效率和晶体质量。
发展方向
晶体质量控制、研究新的衬底材料以及外延材料和外延工艺的不断创新。
未来展望
硅外延生长技术将会在电子信息、新能源、生物医学等领域取得更广泛、更深入的应用。
2
工艺参数
气相外延生长的基本工艺参数有衬底温度、反应气体流量、反应时间和硅和外延 材料供应速率。
3
应用
用于光子集成芯片、高分辨率图像传感器和生物传感器等领域。
液相外延法
1
原理与流程
液相外延法是指用硅基底与融合锡（或石墨）作为液相反应体，在相应条件下长 出外延晶体。
2
工艺参数
液相外延法的工艺参数有溶液成分，溶液温度，外延晶体生长速率和升温速率等。
3
应用
用于太阳能电池电极、太阳能电池背反射层、光子晶体、一维纳米线等领域。
半导体工艺原理---硅外延制备工艺(2013.3.25)(贵州大学)
2、按器件位置分类 正外延：器件制作在外延层上 反外延：器件制作在衬底上，外延层只起支撑作用 3、按外延生长方法分类 直接外延：是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长
的材料原子获得足够能量，直接迁移沉积在衬底表面上完 成外延生长的方法，如真空淀积、溅射、升华等。但此类 方法对设备要求苛刻。薄膜的电阻率、厚度的重复性差， 因此一直未能用于硅外延生产中。
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
SiH2Cl2在常温下是气体，使用方便并且反应温度低，是 近年来逐渐扩大使用的硅源。
SiH4也是气体，硅烷外延的特点是反应温度低，无腐蚀性 气体，可得到杂质分布陡峭的外延层，
缺点：1、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。
2、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。
在高温区进行外延生长时，到达硅片表面的硅原子有足够 的能量和迁移能力，可在硅片表面运动而到达晶格位置，从而 外延出单晶薄膜。温度太低或太高，都会形成多晶薄膜。温度 太高还会导致杂质的扩散加重。
在一般的工艺条件下，外延生长速率约为 1 m /min。
2、生长速率与反应剂浓度的关系
可以利用 SiH4 热分解法来进行硅的气相外延。但这种方法 虽然温度较低 ，却因 SiH4 会在气相中成核而产生较多的颗粒 ， 除非使用超高真空，否则外延层的质量很差。
圆盘形基座（垂直基座）
半导体材料第6讲-外延
我国目前最先进的硅外延 设备
• 中国最大的半导体相关应用研究院之一，有色金属研 究总院(GRINM) 向International N.V. 订购的300 mm 外延设备--Epsilon® 3200 。Epsilon 3200 主要用途 是硅和锗化硅的外延生长。这是销售到中国大陆的首 台300 mm 外延设备
2020/4/25
• 解决办法： • 在电阻率极低的衬底上生长一层高电阻率外
延层，器件制做在外延层上，这样高电阻率的 外延层保证管子有高的击穿电压，而低电阻率 的衬底又降低了基片的电阻，降低了饱和压降 ，从而解决了二者的矛盾。
2020/4/25
外延工艺解决的问题
• 不仅如此，GaAs等Ⅲ一V族、Ⅱ一Ⅵ族以及 其他化合物半导体材料的气相外延，液相外延 ，分子束外延，金属有机化合物气相外延等外 延技术也都得到很大的发展，已成为绝大多数 微波、光电器件等制做不可缺少的工艺技术。
• SiH4也是气体，硅烷外延的特点是反应温度低 ，无腐蚀性气体，可得到杂质分布陡峭的外延 层，
• 缺点：1、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。
• 2、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。
2020/4/25
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。
2020/4/25
硅外延生长基本工艺
硅单晶
定向
置于基座
烘干
清洗
抽高真空 通高纯H2
加热去除氧 化层
切割
400-500μm
磨平
Si02胶体溶液
半导体材料 ---硅外延生长
N型掺杂剂的有PCl3,PH3和AsCl3，
P型掺杂剂的有BCl3、BBr3和B2H6等。
5－2－2 硅外延生长设备
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 和桶式立式外延炉，外延生长时基座不断转动，故均匀性好、 生产量大。 由于SiCl4等硅源的氢还原及SiH4的热分解反应的△H为正值 ，即提高温度有利于硅的淀积，因此反应器需要加热，加热方 式主要有高频感应加热和红外辐射加热。通常在石英或不锈钢 反应室内放有高纯石墨制的安放硅衬底的基座，为了保证硅外 延层质量，石墨基座表面包覆着SiC或沉积多晶硅膜。
5－3－3 外延层生长中的自掺杂
自掺杂效应：衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层
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。 4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。 5.采用二段外延生长技术 即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源，只通氢气驱除 贮存在停滞层中的杂质，再开始生长第二段外延层，直到达到预 定厚度 二：采用减压生长技术 使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层 一般在1.3103～2104Pa的压力下进行。
Epsilon Series Single-Wafer Epitaxial Reactors
硅外延生长基本工艺
硅单晶
定向
切割
400-500μm
磨平
Si02胶体溶液
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。
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技术是一种重要的半导体晶体生长技术，其在微电子领域有着广泛的应用。
本文将重点介绍低压硅外延生长热力学方面的研究进展。
低压硅外延生长是指在低压下，将硅原子从气相中输送到衬底表面，通过反应形成硅晶体的过程。
其主要反应式如下：SiH4(g) → Si(s) + 2H2(g)该反应是一个热力学上可逆的反应，其反应过程需要能量的供给。
在低压下进行生长，有利于提高反应产物的纯度，减少杂质的存在，从而提高硅晶体的质量。
热力学研究是低压硅外延生长中的重要内容之一。
其主要研究对象包括反应机理、反应动力学和生长条件等方面。
在热力学研究中，常用的工具是热力学计算软件，比如HSC Chemistry和THERMOCALC等软件。
反应机理是低压硅外延生长研究中的重要内容，其研究目的是确定反应机理和反应物质的生成过程。
常用的方法是实验分析和计算模拟。
实验分析主要是通过表征生长过程中反应物质的生成和消耗来确定反应机理。
计算模拟则是在已知反应物质和反应条件的前提下，通过计算得到反应物质的生成和消耗过程，从而确定反应机理。
反应机理的研究可以为低压硅外延生长提供理论依据，从而指导实际生产操作。
反应动力学是低压硅外延生长研究中的另一个重要内容。
其研究目的是确定反应速率和反应速率常数。
反应速率是指反应物质转化的速度，其受反应温度、反应物质浓度和反应压力等因素的影响。
反应速率常数则是反应速率和反应物质浓度之间的关系。
反应动力学的研究可以为低压硅外延生长提供生长条件的选择依据，从而优化生长过程，提高生长速率和生长质量。
生长条件是低压硅外延生长研究中的另一个重要方面。
其研究目的是确定生长过程中所需的反应温度、反应压力、反应气体流量、生长时间等参数，并根据这些参数制定生长工艺。
生长条件的选择对于获得高质量硅晶体、提高生长效率和降低成本等方面都具有重要意义。
生长条件的研究需要考虑反应物质的化学性质、物理性质以及生长物质的纯度等因素。
05章-硅外延生长讲解
• （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。
• 外延层中总的载流子浓度N总可表示为 N总=N衬底±N气±N邻片±N扩散±N基座±N系统
• 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。
• 通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3 和SiCL4。
5.2.4 硅外延生长的基本原理和影响因素
• 采用不同的硅源其外延生长原理大致相同， 以研究得较充分的siCl4为源的水平系统外延生 长为例，生长时要考虑下列影响因素。
第5章 硅外延生长
• 外延生长就是在一定条件下，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的方法。 • 由于所生长的单晶层是衬底晶格的延
伸，所以所生长的材料层叫做外延层。
外延的分类
• 1、按外延层的性质分类 • 同质外延：外延层与衬底是同种材料，例如在硅上外
延生长硅，在GaAs上外延生长GaAs均属于同质外延。 • 异质外延：衬底材料和外延层是不同种材料，例如在
• 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。
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。
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。
33
§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。
41
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
42
角锥体
43
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
5
6
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。
7
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
22
N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因此 称为外掺杂
第四章 硅外延生长
4.2.2 硅外延生长设备
硅
氢气净化系统
外 延
气体输运及控制系统
生
长
加热设备
设
备
反应室
按
•卧式
反
应
•立式
室
分
•桶式
类
反应器：依反应气体流通方向相对于硅片方向可以分为水平 式、垂直式、柱形。
卧式：产量大，设备简单，但生成的外延层的厚度和 电阻率均匀性较差，外延生长时易出现滑移位错及片 子弯曲。
(1)、表面应平整，光亮，没有亮点，麻坑，雾渍和滑移线等表 面缺陷。
(2)、晶体完整性好，位错和层错密度低。对于硅外延来说，位 错密度应低于1000个／cm2，层错密度应低于10个／cm2，同时 经铬酸腐蚀液腐蚀后表面仍然光亮。
(3)、外延层的本底杂质浓度要低，补偿少。要求原料纯度高， 系统密封性好，环境清洁，操作严格，避免外来杂质掺入外延层。
分子束外延MBE
12 2019/10/22
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。
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硅外延生长基本工艺
硅单晶
置于基座
抽高真空 通高纯H2 恒温反应
定向
烘干
切割
400-500μm
清洗
磨平
抛光
Si02胶体 溶液
加热去除氧化层
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。
1
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）
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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;
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
4
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
第五章 硅和硅基薄膜的外延生长
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。
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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
• 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
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）
1
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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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
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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
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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。
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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
• 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
• 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）
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
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. 13
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.
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,BBr3，B2H6做P型掺杂 剂
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5-3-2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。
间接外延 是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上 称为化学气相淀积（chemical vapor deposition,CVD）
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
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