硅外延层电阻率的控制
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。
桶式外延炉吹扫工艺改善外延层电阻率均匀性的研究
３ ６
甘
肃
科
技
第２ ９卷
Ｓ Ｔ Ｄ＝ Ｓ Ｔ Ｄ Ｅ Ｖ ／ Ａ Ｖ Ｅ Ｒ ＡＧ Ｅ＇ 其 中ｓ Ｔ Ｄ Ｅ Ｖ＿
表数据 的标准偏 差； Ａ Ｖ Ｅ Ｒ Ａ Ｇ Ｅ代表数据的均值。
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性 及成 品率 降低 。
１ 原 理 与 分 析
１ ． １ 影响 电阻率均 匀性 的 因素 分析
，
＼
杂 质原 子在外延 生 长过程 中进入 到外 延层 的晶 格 中会 改变外 延层 的 电学参数 。杂 质 的沉 积过程 与
外 延层 生长 过程 相似 ， 也 存 在 质 量输 运 和表 面化 学
第２ ９卷
第 ６期
甘肃 科技
Ｇａ ｎ ｓ ｕ Ｓｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ａ ｎ ｄ Ｔｅ ｃ ｈ ｎｏ ｌ ｏ ｇ ｙ
％Ｚ ． ２ ９
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２ ０ １ ３年 ３月
Ｍａ ｒ ． ２ ０１ ３
桶 式 外 延 炉 吹 扫 工 艺 改 善 外 延 层 电 阻 率 均 匀 性 的 研 究
杂质 、 衬底 挥发 出来 的杂 质 、 衬底 扩散 引 入 的 这 些 气体 在 外延 生 长 过 程 携 带杂质进 入 反应室 中 。我们将这 部分 杂质 称为 系统 掺 杂 。这些 杂质 的存在 不仅影 响到高 阻外延 层 的获
气氛中引入 的杂质、 基 座及 钟罩上 引入 的杂质 等 等 Ｊ 。 以上杂质 来源可 分为 ３类 。
到１ ０ ％以内。然而， 在衬底片上硅外延层 的电阻率 可 以通过对热场与外延生长气流 的控制 ， 生长出电
硅外延片质量控制与检验方法研究
硅外延片质量控制与检验方法研究摘要本文主要简述在硅外延片生产过程中对于硅外延片的参数和性能的主要的质量控制方法、检验方法的研究，并对主要测量设备的功能进行介绍。
关键词硅外延片；质量控制；检验方法引言21世纪随着国内电子信息产业的飞速发展，信息技术广泛的服务于整个国民经济的各个领域，俨然已成为了国民经济的核心技术。
微电子工业已成为国民经济的支柱产业，广泛地应用在我国的国防、科技现代化和经济方面。
半导体硅材料作为生产集成电路的最重要的基础功能材料，近年来以单晶硅为代表的半导体材料的发展，成为当代技术的支柱。
硅外延是一种性能优良的半导体材料，在IGBT、大功率器件等领域中有着广泛的应用。
本文则主要介绍在硅外延片成批量生产时，怎样判别产品的质量合格，如何检验外延片的质量。
1 产品参数及测试方法鉴定硅外延片产品的合格要求有两个方面：表面合格和参数合格。
表面合格即要求所生产的硅外延片上的各项缺陷符合客户厂家对于产品的要求量。
参数合格则分为厚度，电阻率和均匀性。
厚度和电阻率作为外延片的最基本参数，也是客户厂家下单时的要求参数范围。
而均匀性则表现了硅外延产品的单片质量和硅外延炉的稳定性。
因此在日常生产中必做日常监测的几个参数有厚度（thickness），电阻率（resistivity ），均匀性（uniformity），表面缺陷（particle）。
1.1 厚度测试在最初的外延片生产探索阶段，曾采用过磨角法、称量法、红外线反射法等方法对外延片进行厚度测试，这些方法各有其优点，但在测量1微米以下的薄层时，都不能得到良好的精度。
在硅的外延层和扩散层厚度的测量方面，还有一种球形滚槽测量法。
这种方法很简便，而且在测量几千埃的薄层时精度很高。
另外，除了外延层，还能直接测量各种绝缘膜、金属膜以及由这些膜的厚度，但是在实际批量生产操作中，红外测量以其操作简单，无损测量的优势被广泛应用。
本司即利用Nicolet6700红外测试仪，采用五点测试、九点测试等测试模式对成品外延进行厚度监测[1]。
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
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 广义上：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 外掺杂：主要指人为控制的掺杂
5-3-3外延层生长中的自掺杂
造成自掺杂的主要原因
3微缺陷：杂质沾污，特别是Fe和Ni
产生：杂质沾污，Fe、Ni的影响最大 消除： 1 工艺中注意基座及系统的清洁处理 2 采用吸杂技术：利用背面的位错吸收有害杂 质，是外延层中的有害杂质和微缺陷减少
5-4 外延生长的工艺问题
一、外延生长设备
立式：旋转，掺杂均匀性好 圆桶式：不易颗粒沾污、 辐射加热：均匀性好，减少应 力
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。 通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂 浓度梯度很陡，但是由于外延生长是在高 温下进行，衬底中及其他部分的杂质会进 入外延层，使得外延层和衬底之间界面处 的杂质浓度梯度变平
只考虑衬底中杂质扩散进入外延层时： N（x,t）=N1（x,t） ±N2（x,t）
抑制自掺杂
1. 采用低温外延技术和不含卤素的硅源， 2. 应用较稳定的掺杂剂：使用蒸发速度和扩散系数较小 的衬底和埋层掺杂剂 3. 外延前高温加热衬底，使衬底表面附近形成一杂质耗 尽层； 4. 采用背面封闭技术，在背面预先生长高纯的SiO2或多 晶硅封闭后再外延； 5. 采用二段外延生长技术：覆盖—吹气—生长 6. 减压生长技术：使已蒸发到气相中的杂质被抽走 7. 在HCl刻蚀后采用低温吹气的工艺以保证XCl3被带出 系统
三、外延层的表征
表面质量、厚度、晶体缺陷、电学性质 表面质量：光学显微镜、表面扫描激光缺陷计数器 厚度：现代分析天平称重（平均厚度） 红外反射测量技术 层错法（测量特征腐蚀坑边长） 晶体缺陷： 电学性质：四探针法 扩展电阻探针
硅外延厚度稳定性控制
0 引言 由于外延工艺可以精确控制器件掺杂浓度，且
得到的外延层中不含氧和碳，因此越来越成为关注 的焦点。采用外延层可以提供器件所需要的电阻率 及无缺陷的表面使得器件性能得以优化，因而广泛 用于双极型晶体管器件、分立器件、瞬态电压抑制 器及超结器件。集成电路制造业一般采用化学气相 沉积的方法生长外延层，通过采用不同的掺杂气体 如砷烷（AsH3），硼烷（B2H6）或磷烷（PH3）得 到需要的电阻率。目前用于外延的硅源气体主要有 四种：四氯化硅(SiCl4)、三氯氢硅（Trichlorosilane TCS)、二氯二氢硅(Dichlorosilane DCS)和硅烷 （SiH4），因为DCS工艺温度比较低且缺陷密度 低，更适合生长高质量的薄外延层，因此减压工艺 通常采用二氯二氢硅作为主要的硅源气体，常压工
图6 DCS蒸汽压与温度关系曲线 （1）我们车间平时的温度是控制在22℃正负 0.5℃，虽然从钢瓶到gas panel加热带设定温度是 35℃，但gas panel 处并没有安装加热带，而且gas panel里有排风，温度等于或低于车间温度，在21℃ 附近冷凝的压力10psi以下, 当DCS管路里气体压力接 近液化的临界点时很容易发生液化，我们确实观察 到VMB处显示屏上的气体压力显示是10psi，恰好在 液化的临界点。 （2）当机台闲置时，DCS停止流动，静态压力 比流动时压力要高出1～2psi，更容易引起冷凝。 （3）每次岁修时，DCS管路会被抽空，复机时 重新流气，钢瓶压力会被重新调整，一旦钢瓶出口 压力过高，很容易达到DCS的液化点造成冷凝，据 此解释了为什么每次都是在岁修之后发生流量不稳 的现象。另外我们发现从同一钢瓶出来的气体经三 个VMB分配不同设备，同一个VMB上又接了10个外 延腔，不同的外延腔DCS flow会有所不同因而压力 会波动，造成气体流量不稳。 综合以上分析，针对DCS流量不稳的问题，我
快速恢复外延二极管用硅外延片的工艺研究
快速恢复外延二极管用硅外延片的工艺研究王文林;李扬;陈涛;李明达【摘要】利用化学气相沉积方法制备所需硅外延层，通过FTIR（傅里叶变换红外线光谱分析）、C-V（电容-电压测试）、SRP（扩展电阻技术）等多种测试方法获取外延层的几何参数、电学参数以及过渡区形貌。
详细研究了本征层生长工艺与外延层厚度分布、电阻率分布以及过渡区形貌之间的对应关系。
采用该优化设计的硅外延材料，成功提高了FRED器件的性能与成品率。
%Using the method of chemical vapor deposition(CVD), the required silicon epitaxial layer was prepared, and the geometry parameter, the electricity parameter as well as the transition region morphology was analyzed by using some testing methods such as FTIR(Fourier-Transform Infrared Spectrophotometry),C-V, SRP(spreading resistance profile)and so on. The relationship between the intrinsic layer growth process and the thickness distribution, resistivity distribution as well as transition topography of epitaxial layer was studied in detail. With the optimized design of silicon epitaxial material in the paper, the performance and yield of FRED were successfully improved.【期刊名称】《电子与封装》【年(卷),期】2014(000)011【总页数】4页(P37-40)【关键词】快恢复二极管;硅外延片;本征层生长;过渡区【作者】王文林;李扬;陈涛;李明达【作者单位】中国电子科技集团公司第46研究所，天津 300220;中国电子科技集团公司第46研究所，天津 300220;中国电子科技集团公司第46研究所，天津300220;中国电子科技集团公司第46研究所，天津 300220【正文语种】中文【中图分类】TN304随着高频大功率半导体器件研发和制造技术的快速发展，其在电子电路中的应用越来越多样化，尤以IGBT（绝缘栅双极型晶体管）、VDMOS（垂直双扩散金属-氧化物半导体场效应晶体管）为代表的功率开关器件在生活中的应用愈加广泛和深入，其需求量十分巨大[1~2]。
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
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
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
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
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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半导体材料
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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半导体材料
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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半导体材料
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
8英寸薄层硅外延片的均匀性控制方法
- 22 -高 新 技 术随着近几年我国集成电路产业的飞速发展，8英寸电子计算机技术发展速度也在不断加快，在一定程度上促进了我国电子信息技术的发展。
我国对8英寸集成电路的市场需求非常大，导致现在我国生产的8英寸硅外延材料经常会出现无法满足国际市场需求的情况，严重阻碍了我国电子信息市场的发展。
近几年抛光片经常会出现厚度和电阻率无法控制的情况，对我国集成电路的发展造成非常大的影响。
１ 工艺实验１．１ 外延设备采用ASM 公司的E2000型单片外延炉进行工艺实验。
石英腔体水平放置，内置可旋转的石墨基座，基座中心和4个边缘分别有热偶进行温度探测和控制。
每次生长1片，工艺气体由腔体前法兰进入，后法兰流出。
１．２ 实验过程原材料使用8英寸掺磷（P）杂质衬底作为实验用衬底，电阻率为0.00135 Ω·cm ~0.0015 Ω·cm ，生长用硅源为三氯氢硅（SiHCl 3，简称TCS）。
外延层厚度w =4.0μm，电阻率ρ=0.2Ω·cm 。
２ 结果与分析２．１ 外延层厚度的均匀性控制在进行8英寸薄层外延片制备的过程中，其外延片的厚度经常会受到制作过程中生产温度和气流分布的影响。
相关人员将在其制备的过程中，主要研究生长温度和气流变化对外延片本身厚度造成的影响。
在进行8英寸薄层外延片制备的时候，相关人员要对不同温度和气流变化下的8英寸薄层外延片的质量进行研究，在进行实验的过程中，相关人员设定的温度一般为1 160 ℃、1 140 ℃、1 120 ℃、1 110 ℃，在进行实验的过程中，相关人员要对外延片的厚度进行严格的测试，并且在进行测试的过程中，相关人员还要设置中心点，在对其的厚度进行测量的时候，围绕着中心点对21个测量点进行测量。
相关人员在对观测点进行测量的时候，要保证器件加工的水平能够达到相关规定的标准。
在对其进行测量的过程中，可以发现越靠近外延片边缘其厚度越高，这种情况导致外延片的外形呈现出“碗状”的状态，越靠近其边缘的位置温度越高并且其薄厚不均匀的程度也在不断提升，相关人员在进行器件加工时，要充分考虑温度设定的问题，在对其进行观察之后，可以发现其制备的最佳温度是1 130℃，在这个温度状态下外延厚度的分布是最均匀的。
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。
半导体材料（复习资料）
半导体材料（复习资料）半导体材料复习资料0:绪论1.半导体的主要特征：（1）电阻率在10-3 ~ 109 ??cm 范围（2）电阻率的温度系数是负的（3）通常具有很高的热电势（4）具有整流效应（5）对光具有敏感性，能产生光伏效应或光电导效应2.半导体的历史：第一代：20世纪初元素半导体如硅（Si）锗（Ge）；第二代：20世纪50年代化合物半导体如砷化镓（GaAs）铟磷（InP）；第三代：20世纪90年代宽禁带化合物半导体氮化镓（GaN）碳化硅（SiC）氧化锌（ZnO）。
第一章：硅和锗的化学制备第一节：硅和锗的物理化学性质１.硅和锗的物理化学性质１）物理性质硅和锗分别具有银白色和灰色金属光泽，其晶体硬而脆。
二者熔体密度比固体密度大，故熔化后会发生体积收缩（锗收缩5.5%，而硅收缩大约为10%）。
硅的禁带宽度比锗大，电阻率也比锗大4个数量级，并且工作温度也比锗高，因此它可以制作高压器件。
但锗的迁移率比硅大，它可做低压大电流和高频器件。
2）化学性质（1）硅和锗在室温下可以与卤素、卤化氢作用生成相应的卤化物。
这些卤化物具有强烈的水解性，在空气中吸水而冒烟，并随着分子中Si(Ge)?H键的增多其稳定性减弱。
（2）高温下，化学活性大，与氧，水，卤族(第七族)，卤化氢，碳等很多物质起反应，生成相应的化合物。
注：与酸的反应（对多数酸来说硅比锗更稳定）；与碱的反应（硅比锗更容易与碱起反应）。
2.二氧化硅（SiO2）的物理化学性质物理性质：坚硬、脆性、难熔的无色固体，1600℃以上熔化为黏稠液体，冷却后呈玻璃态存在形式：晶体(石英、水晶)、无定形(硅石、石英砂) 。
化学性质：常温下，十分稳定，只与HF、强碱反应3.二氧化锗（GeO2）的物理化学性质物理性质：不溶于水的白色粉末，是以酸性为主的两性氧化物。
两种晶型：正方晶系金红石型，熔点1086℃；六方晶系石英型，熔点为1116℃化学性质：不跟水反应，可溶于浓盐酸生成四氯化锗，也可溶于强碱溶液，生成锗酸盐。
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
半导体材料课件硅外延层电阻率的控制、缺陷
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
划痕：由机械损伤、表面 不洁引起
星形线（滑移线）：平行 的高低不平的线条，热应 力造成
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
5-4-2 外延层的内部缺陷
1. 层错
层错形貌：分为单线，开口，正三角形，套叠三 角形和其他组态
第 5 章 硅外延生长
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述
5-2、硅的气相外延生长
5-3、硅外延层电阻率的控制
5-4、硅外延层的缺陷
5-5、硅的异质外延
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5-3 硅外延层电阻率的控制
5-3-1 外延层中的杂质及掺杂 5-3-2 外延层中杂质的再分布 5-3-3 外延层生长中的自掺杂
外延层
X(Si)
+
3HCl
↔
XCl3
(g)
+
3 2
H
2
③基座、反应室、气流系统的污染也能造成自掺杂
¾带有埋层的衬底片： 9纵向自掺杂 9横向自掺杂
Epitaxy Buried Layer
Substrate
¾邻片效应：气流上方片子蒸发杂质扩散到气流下方 片子表面附近。相邻片子的自掺杂影响
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5-3 硅外延层电阻率的控制
5-3-1 外延层中的杂质及掺杂 5-3-2 外延层中杂质的再分布 5-3-3 外延层生长中的自掺杂
5-3-4 外延层的夹层
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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）
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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
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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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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
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雾状表面缺陷 ①雾圈
②白雾
③残迹
④花雾
①雾圈
②白雾
③残迹
④花雾
角锥体
▪ 亮点：外形为乌黑发亮的小圆点
▪ 塌边：又叫取向平面，它是外延生长后 在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。
形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏 离衬底片晶向。
1. 采用低温外延技术和不含卤素的硅源， 2. 应用较稳定的掺杂剂：使用蒸发速度和扩前高温加热衬底，使衬底表面附近形成一杂质耗 尽层；
4. 采用背面封闭技术，在背面预先生长高纯的SiO2或多 晶硅封闭后再外延；
5. 采用二段外延生长技术：覆盖—吹气—生长 6. 减压生长技术：使已蒸发到气相中的杂质被抽走 7. 在HCl刻蚀后采用低温吹气的工艺以保证XCl3被带出
5－4 硅外延层的缺陷
▪ 分类： 一：表面缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移 线等 二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错
5－4－1外延片的表面缺陷
▪ 云雾状表面
外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以 看到。
一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛 光浓度过大，生长温度太低等引起的。
▪ 对于埋层衬底：由于高浓度的埋层很快被轻掺 杂的材料覆盖，自掺杂效应中止
▪ 对于重掺杂衬底：正面被封住，边缘及背面的 蒸发仍可继续，但随时间减少
▪ 由于自掺杂和外扩散的存在，设置了一个外延 层的最小厚度和掺杂水平的极限，同时使界面 处杂质分布变缓，造成器件特性偏离，可靠性 降低，因而必须减少它
抑制自掺杂
力
二、选择硅源
▪ SiCl4 :沉积温度高（1150～1250℃），导致严重的自掺杂和外 扩散
优点：反应室壁上很少沉积，减少了壁上Si颗粒剥落的沾污 适用：沉积厚的可忍受自掺杂和外扩散的外延层 ▪ SiHCl3：沉积温度稍低（1100～1150 ℃）并不优于SiCl4，很
少用 ▪ SiH2Cl2：较低温度（1050～1100 ℃）减少了自掺杂和外扩
外延生长的主动（人为）掺杂
▪ 外延用N型掺杂剂：PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3 P型掺杂剂BCL3,BBr3，B2H6
▪ 方式：在反应气体中（硅源、氢气）中加入掺杂剂 ※注意掺杂浓度计算， 固相中 掺杂剂/硅≠气相中 掺杂剂/硅 影响掺杂的因素：衬底温度、沉积的速度、掺杂剂摩
尔分数、反应室几何尺寸、衬底及系统等等 没有一个简单的准则，要针对每个过程经验地确定
散，可以得到高质量外延层，比SiCl4和SiH4更小的缺 陷密度，增加器件的产出 ▪ SiH4： 低温（1000～1100 ℃），非常少的自掺杂和外扩散， 较陡浓度梯度的外延层，没有逆向腐蚀， 缺点：在较低温度下发生热分解，引起反应壁上的严重淀积 适合：长薄的外延层
三、外延层的表征
▪ 表面质量、厚度、晶体缺陷、电学性质 ▪ 表面质量：光学显微镜、表面扫描激光缺陷计数器 ▪ 厚度：现代分析天平称重（平均厚度）
▪ N1为衬底中杂质在外延层中的分布 常规外延生长时，相当于一个恒定界面浓度杂 质源的余误差分布
▪ N2为掺入杂质Nf在外延层中的分布
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分衬量底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度 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
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。
▪ 通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂 浓度梯度很陡，但是由于外延生长是在高 温下进行，衬底中及其他部分的杂质会进 入外延层，使得外延层和衬底之间界面处 的杂质浓度梯度变平
只考虑衬底中杂质扩散进入外延层时： N（x,t）=N1（x,t） ±N2（x,t）
▪ 外延最初阶段，表面蒸发控制，V=NsubK 经过一段时间后，固态扩散控制，V∝D k很小时， V=NsubK 与时间无关
造成自掺杂的其他原因
▪ 卤化物硅源外延生长时，对衬底的腐蚀作用 造成衬底中的杂质生成相应的卤化物进入停 滞层中，一部分被还原掺入外延层中
▪ 基座，生长系统的污染 衬底杂质→基座→外延层 反应室的记忆效应
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
广义上：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
外掺杂：主要指人为控制的掺杂
5-3-3外延层生长中的自掺杂
▪ 造成自掺杂的主要原因
外延生长时衬底受热，杂质由衬底内部扩散到表面， 再由表面蒸发到气相中，它们的一部分在停滞层内 贮存，并沿气流方向扩散，然后在外延生长时又重 新掺入外延层中。外延生长开始后，衬底正面的蒸 发受到抑制，自掺杂主要来自衬底背面杂质的蒸发。
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， 通常VLSI要求：在重掺杂的衬底（10191021cm-3）上生长一层轻掺杂（1014-1017cm-3） 的外延层
CMOS器件要求：衬底均匀掺杂 双极型IC要求：衬底中有埋层（轻掺杂的衬底 中扩散有重掺杂的隔离区域）
▪ 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
2、外延层中位错的产生机制及消除办法
产生机制： 1 原衬底位错延伸引入的 2 掺杂和异质外延时，外延层和衬底间晶格参数差异引
入内应力导致失配位错。 3 超过了屈服强度的热应力引起滑移 消除办法：1 选择无位错衬底 2 双掺杂技术：同时引入原子半径不同的两种杂质原子 3采用红外辐射加热或在硅片上方安置热反射器
系统
5-3-4 外延层的夹层
▪ 外延层的夹层指的是外延层和衬底界面 附近出现的高阻层或反型层。
外延夹层产生的原因有两种：
▪ 一种认为P型杂质沾污，造成N型外延层被高度补 偿
解决办法：P型杂质主要来源于SiCL4，只要提高 SiCL4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。 ▪ 第二种情况是由于衬底引起的
▪ 划痕：由机械损伤引 起
▪ 星形线（滑移线）：
各种表面缺陷的来源
▪ 主要来源于沾污和硅片的预处理过程 ▪ 角锥体：沙丘状突起，外来杂质上的非均匀成核；衬底
上微小的局部的晶向偏离，造成生长速度的差异
▪ 云雾状表面：氢气的纯度低，含水过多，气相抛光浓度 过大，生长温度低等
▪ 划痕：机械损伤、表面不洁 ▪ 亮点：发亮的小圆点，抛光不充分，表面污染，颗粒脱
落等 ▪ 塌边：边缘部分低，衬底加工时造成晶体向偏离 ▪ 滑移线：平行的高低不平的线条，热应力造成
内部缺陷的产生及消除办法
1、外延层中层错的产生机制及消除办法 衬底上微小的划痕、浅平坑、沾污都可能成为 层错的成核源 层错多发生在衬底-外延层的交界处 消除：a)选择好的衬底，清洁 b)外延前气相抛光 c)外延前热处理
3微缺陷：杂质沾污，特别是Fe和Ni
▪ 产生：杂质沾污，Fe、Ni的影响最大 ▪ 消除： 1 工艺中注意基座及系统的清洁处理 2 采用吸杂技术：利用背面的位错吸收有害杂
质，是外延层中的有害杂质和微缺陷减少
5-4 外延生长的工艺问题
一、外延生长设备
立式：旋转，掺杂均匀性好 圆桶式：不易颗粒沾污、 辐射加热：均匀性好，减少应
当衬底中硼的含量大于31016cm－3时，外延层中 就容易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快， 结果使得硼扩散到外延层中补偿了N型杂质，形成 了一个高阻层或反型层。
解决办法：一是提高重掺杂单晶质量；二是在工 艺中防止引入P型杂质，降低单晶中B的量；三是在 外延生长时可以先长一层N型低阻层作为过渡层， 控制夹层,但这不是根本办法。
红外反射测量技术 层错法（测量特征腐蚀坑边长） ▪ 晶体缺陷： ▪ 电学性质：四探针法
扩展电阻探针
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