第六章 外延技术

扭转位置
上平台
硅气相外延生长过程示意
合肥工业大学 理学院 张彦
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薄膜生长时常见 的三种主要模式

硅气相外延反应气体源
反应气体源：四氯化硅（SiCl4）、三氯硅烷 （SiHCl3）、二氯硅烷(SiH2Cl2)、硅烷（SiH4）
（1）逐层Hale Waihona Puke Baidu长
（2）晶岛式生长
SiCl4：用于传统外延工艺，需要很高的温度(>1150℃)； SiHCl3 ：称为TCS，和SiCl4有些相似，可以在较低温度 下进行外延，生长速率可达1微米/分钟，用于厚的外延层 SiH2Cl2 ：称为DCS，用于更低温度下生长高质量薄外延 层，目前外延常用的材料，缺陷密度低于SiCl4和SiH4 SiH4用于低于900的生长很薄的外延层。
SiH 2 Cl 2 ↔ SiCl 2 + H 2
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外延生长速率及影响因素


生产中，外延生长速率与诸多因素有关。主要影 响因素有：温度、反应剂浓度、气体流速以及反 应腔界面形状和衬底取向。 生长速率过快可能造成多晶生长、外延表面出现 星点锥体、外延层中有过多的堆垛层错等问题。 1.温度 →在B区（高温区）：生长速率和温度的关系不 敏感，由气相质量输运机制控制，和反应剂分压 成正比 →在A区（低温区）：表面反应较慢，生长速率 由表面化学反应控制，生长速率强烈依赖于生长 温度。
本章内容
第六章 外延技术
绪论 硅气相外延原理与系统 外延层的掺杂 分子束外延和SOS外延 外延层中的缺陷和检测 小结

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1. 概述

共度生长
赝晶生长
不共度生长

外延工艺定义：外延（epitaxy）是在单晶衬底上 生长一层单晶膜的技术。新生单晶层按衬底晶向 延伸生长，并称此为外延层。长了外延层的衬底 称为外延片。 外延技术具有生长的晶体结构良好、掺入的杂质 浓度易控制、可形成突变P-N结等特点。 两种外延行为： ※同质外延——外延层沉积原子的排列结构及组 分与衬底完全相同（同材料）。如：Si-Si， GaAs-GaAs ※异质外延：在一种材料上生长另一种晶体。如 Si-GeSi，Sapphire(蓝宝石)-Si等。
外延工艺与设备

硅外延加工工艺过程
预清洗：H2H2/HCl混合气氛或真空中去除自然氧 化层 外延生长：SiH2Cl2+H2
气体入口
硅气相外延炉 最普通的外延反应是高温CVD系统。 淀积温度为：1050～1250℃
气体入口
冷却取片：惰性气体冲洗腔室，降温到维持温度
RF 加热
RF加热
排气 排气 卧式反应炉 立式反应炉 排气 桶式反应炉

SiCl 4 + H 2 ↔ SiCl 2 + 2 HCl
SiHCl 3 ↔ SiCl 2 + HCl
SiHCl3 + H 2 ↔ SiH 2 Cl 2 + HCl
硅烷热分解：SiH4 →Si+2H2（>600℃） 不存在对衬底的反向腐蚀，对反应室也无腐 蚀作用。界面两边杂质浓度更接近突变型分布。
按反应室形式： 卧式：产量大，设备结构简单；生成外延层的厚 度和电阻率的均匀性较差，外延生长时易出现滑 移位错及片子弯曲。 立式：维护容易，外延层厚度和电阻率的均匀性 及自掺杂效应得到较好的控制。但设备大型化， 制造难度大。 桶式：卧式的改进。 按外延温度：高温（1000℃以上）、低温 （1000℃以下）和变温外延（先在约950度低温 下成核，然后约1200度高温下生长） 按反应压力：常压外延（100KPa）和低压（减压） 外延（低于常压，5~20Kpa）
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2.硅气相外延原理

气相外延生长过程和模型
① ②

生长机理—利用硅的气态化合物，在加热的硅 衬底表面与氢发生反应或自身发生热分解，还 原生成硅，硅原子按照衬底晶向成核，长大以 单晶形式沉积在硅衬底表面的过程。 外延基本模型——格罗夫模型 1) 气相分解 2) 传输到硅片表面 3) 反应剂粒子在硅片表面吸附 4) 反应剂粒子在硅片表面扩散 5) 分解 6) 反应副产物的解吸附
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表.外延工艺顺序 步骤时间 (分钟) 1. 把干净的硅片装入反应室 2－4 2. 吹入惰性气体并充入氢气(如使用低压外延工艺也需要抽真空） 3－5 3. 加热到氢气烘烤温度(1200°C)以去除氧化层 (注意：该步骤能去除50－100Å的SiO2层) 10－12 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)吹气以去除系统中的掺杂剂和HCl 5－7 5. a)冷却到淀积温度；b)引入硅原料和掺杂剂以淀积所要的 薄膜；c)吹入氢气以去除硅原料和掺杂剂 10－12 6. 冷却到室温 10－12 7. 吹走氢气并重新充入氮气 3－5 8. 取出硅片 2－4 总工艺时间 总加热时间 45 25
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RF感应加热线圈 质量 流量计
H2 SiH2Cl2 AsH4 B 2 H6
真空泵 洗涤
阀门 硅片
石墨基座
T：1150~1250℃
简单的气相外延系统示意图
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3. 外延中的掺杂


锗硅外延系统
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外延中的掺杂分为有意掺杂和无意掺杂。 有意掺杂：按器件对外延导电性与电阻率的要 求，在外延的同时须掺入适量的杂质。 掺杂剂：通常为氢化物，如PH3、AsH3、BBr3、 B2H6等。或氯化物，如PCl3，AsCL3等（剧毒） 掺杂原理：掺杂剂与硅源一样，淀积中有气相质 量传输与表面化学反应过程，在表面处掺杂剂还 原成杂质原子后与硅原子一起不断加入到晶体点 阵中。 影响因素：进入硅外延层的杂质除了与掺杂剂的 总分子数有关外，还受到衬底温度、反应器几何 形状与淀积速率等的影响。
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几种不同硅源 的生长速率和 温度的关系图
实际外延生产 温度：高温区 原因：此时，温度的微小波动不会引起生长速率的显著变 化，对温度控制要求不高，并且较高温度使淀积在衬底表 面上的硅原子具有足够的能量和迁移能力
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反应剂浓度对生长速率的影响
>1000° c SiCl 4 + 2 H 2 ← → Si + 4 HCl
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外延中的晶格匹配和形变层外延
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外延的分类
1、按工艺： →气相外延工艺（VPE）——易于控制掺杂浓度，并 获得完美的晶体结构。 →液相外延工艺（LPE）——衬底在液相中，液相中析 出的物质并以单晶形式淀积在衬底表面上的过程。 一般用于Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体异质结的生长。 →固相外延工艺（SPE）——通过熔融薄硅层的再结 晶获得单晶硅（激光再结晶、电子束再结晶和区熔 再结晶） →分子束外延（Molecular Beam Epitaxy） →其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、离子束外延。
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外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构（组分）、 厚度、杂质种类及掺杂分布。 ※双极工艺：器件隔离、解决集电极高击穿电压 与串联电阻的矛盾 ※CMOS工艺：减小闩锁（Latch-up）效应 ※GaAs工艺：形成特定的器件结构层 ※其他：制作发光二极管、量子效应器件等。
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（3）有限层+岛式生长
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一般采用氢稀释SiHxCl4-x（x=1,2,3）作为馈气。 氢气即是还原剂，又是运载和稀释气体。含Cl越 少，工艺温度越低，一般SiCl4的温度在1150℃以 上。目前最常用的反应源是SiH2Cl2。
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气相外延化学反应
总反应（以氢还原为例）：
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③ ④ ⑤ ⑥
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晶面上生长过程：
Si Cl Cl
H H
Cl
H
H
副产物
化学反应 淀积的硅 Si Si 多晶硅衬底 Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si 外延层
Cl
反应剂被表面吸附， C A 吸附原子A 生成硅和副产物 生成的硅按照衬底晶向生长 B ¾ 如果A原子具有比较 高的能量，将沿表面迁移 下平台 如果A迁移到台阶的位置， 近晶面外延生长示意图 很容易保持在B位置 ¾ C位置为扭转位置，最稳定位置 薄膜生长靠晶体表面台阶的横向运动进行的 晶体表面杂质阻碍生长 晶面构造特征：平台、扭转、台阶

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按电阻率高低：正外延——在低阻衬底材料上生 长高阻外延层（器件作在外延层上）；反外延 （高阻衬底上外延低阻层（器件作在衬底上） 按导电类型：N型外延；P型外延 按厚度：薄层外延（外延层厚0.5~3um) 中厚层外延（3~10um) 厚层外延（10~20um）及甚厚层外延（厚度>20um） 按外延层结构： ——普通外延：在衬底整个表面生长外延层 ——选择外延：在衬底的选择区上外延 ——多层外延：p/n/n+，n/p/p+等，交替生长不 同的外延层可制作超晶格结构。
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在VPE反应腔内生长1 微米厚度硅外延层的典 型温度/时间过程
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硅外延前的清洗工艺
目的：去处表面氧化层、杂质（有机物、无机物 金属离子等）和颗粒 化学清洗工艺：高纯度化学溶液清洗－高纯度去 离子水冲洗－高纯度N2甩干 一号液：NH4OH(28%):H2O2(30%):H2O=1:1:5 SC-1的主要作用是去除微颗粒，利用NH4OH的 弱碱性来活化硅的表面层，将附着其上的微颗粒 去除
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生 长 速 度 V
多晶 单晶
典型的生长条件 生长 腐蚀
H2中SiCl4的摩尔百分比Y
氢还原法中薄膜生长速率与SiCl4的摩尔百分比的的关系图 工业上典型的生长条件是Y=0.005-0.01，相应的生长 速率V=0.5-1um/min
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生长速率和气体流速的关系
——（1） ——（2）
SiCl 4 + Si ↔ 2 SiCl 2
受两个过程限制：氢还原吸出硅的过程；释放出硅 原子形成单晶的过程；最慢的一个决定生长速率 当SiCl4浓度较低时，反应1起主导作用，外延层不 断增厚；随着Y增加，反应2作用逐渐加强； 当SiCl4的浓度增加到一定程度时，化学反应释放硅 的速度大于硅原子在表面排列的速度 当SiCl4的浓度增加到0.27时逆向反应发生，硅被腐 蚀，增加到0.28时，只有腐蚀 硅烷和氯硅烷的根本不同在于反应不可逆
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二号液：HCl:H2O2:H2O=1:1:6 SC-2的主要作用是去除金属离子，利用HCl与金 属离子的化合作用来有效去除金属离子的沾污 三号液：H2SO4:H2O2=4:1 SC-3的主要作用是去除有机物（主要是残留的 光刻胶），利用的强氧化性来破坏有机物中碳氢 键 稀释的HF(DHF)：HF:H2O=1:50或1:100 DHF的主要作用是去除自然氧化层
以上反应均在气相完成，硅的析出源于如下反应：
SiCl ( g ) + 2 H 2 → Si (s ) + 4 HCl ( g )
实际的反应 SiCl 4 + H 2 ↔ SiHCl 3 + HCl
2 SiCl 2 ↔ Si + SiCl 4
SiCl 2 + H 2 ↔ Si + 2 HCl
所有的反应都是可逆的，上述反应的综合结果依反 应剂浓度可以是外延的生长或衬底的腐蚀
生长速率还与反应腔横截面形状和衬底晶 向有关
不同晶面的键密度不同，键合能力存在差别； ——（111）晶面的双层原子面之间的共价键密度 最小，键合能力差，故外延速率最慢； ——（110）晶面之间的原子键密度大，键合强， 外延生长速率就快。
矩形腔的均匀 性较圆形腔好。
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气体流速越大，边界层越薄，则在相同时间内转移到单 位衬底表面上的反应剂数量越多； 气体流速越大，外延层生长速率越快（氢还原法的外延 温度在1200度左右，到达衬底表面的反应剂会立刻发生 反应生成外延层）； 当流速到一定程度时，生长速率不随气体流量增加而加 快（因为这时，边界层很薄，到达表面的反应剂超过该 外延温度下的表面反应 所需，这时生长速率由化 学反应速率决定）