硅外延及其应用
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。
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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。
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。
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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
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
项目四 硅分子束外延
项目四硅分子束外延任务一、基本概况硅分子束外延包括同质外延，异质外延。
硅分子束外延是通过原子、分子或离子的物理淀积，在适当加热的硅衬底上进行硅（或与硅相关材料）的外延生长。
（1）外延期间，衬底处于较低温度。
（2）同时掺杂。
（3）系统维持高真空。
(工作压强10-8Pa×7.5×10-3Torr/Pa=7.5×10-11Torr)（4）特别注意原子级干净的表面。
它的工作原理如图4-1所示。
图4－1 MBE工作过程示意图任务二、分子束外延的发展历史背景相对于CVD缺点而发展起来。
CVD缺陷：衬底高温，1050℃，自掺杂严重（跟高温有关）。
原始的分子束外延：硅衬底加热至适当温度，真空下使硅蒸发到硅衬底上,进行外延生长。
（1962年）。
分子束外延：Molecular Beam Epitaxy，MBE。
生长准则：入射分子充分运动，达到衬底的热表面，并以单晶形式排列。
（1）衬底的温度达到1/3熔点温度，1450℃/3，T=500℃，可获得足够的表面迁移率。
（2）杂质浓度：取决于系统的真空度，即杂质吸附在表面以及结合到外延膜中的程度。
硅蒸发技术：1、电阻加热，瞬间蒸发。
2、电子轰击蒸发。
在低工作压强中进行，玷污成主要问题。
氧、氢存在，表面只有小部分结合，晶体产生缺陷，衬底温度T S升高，生长速率增高，1μm/min增至1.5μm/min, T S=1200︒C，但掺杂无法控制。
超高真空系统出现（Ultrahigh Vacuum UHV），本底真空度降至10-9Pa，生长速率R e下降，T S下降。
在杂质吸附系数S、衬底温度T S条件下，可根据图4-2定性地估计杂质的浓度。
图4-2 本底杂质浓度和本底压强的关系外延膜掺杂浓度随掺杂源浓度、生长速率以及衬底温度的变化有不同的模型，它可用脱附系数，吸附系数，以及蒸气压来表示。
至今MBE的参杂仍是一个重要课题。
过去曾得到硅中掺锑的外延膜，摸索并了解得吸附系数与锑流量及衬底温度之间的关系。
硅基锗材料的外延生长及其应用
硅基锗材料的外延生长及其应用摘要:硅是最重要的半导体材料,在信息产业中起着不可替代的作用。
但是硅材料也有一些物理局限性,比如它是间接带隙半导体材料,它的载流子迁移率低,所以硅材料的发光效率很低,器件速度比较慢。
在硅衬底上外延生长其它半导体材料,可以充分发挥各自的优点,弥补硅材料的不足。
本文介绍了硅衬底上的锗材料外延生长技术进展,讨论了该材料在微电子和光电子等方面的可能应用,重点介绍了它在硅基高速长波长光电探测器研制方面的应用。
关键词:硅基;锗,外延;光电探测器Epitaxy and application of Ge layer on Silicon substrateHuiwen Nie1, Buwen Cheng2(1.Hunan Chemical Engineering Machinery School, Hunan Industrial Technology College2.State Key Laboratory on Integrated Optoelectronics, Instituteof Semiconductors, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100083)Abstract: Silicon is the most important semiconductor material and it is irreplaceable in the information industry. But Silicon also has some shortcomings, such as very low luminescence efficiency and low device speed due to the indirect bandgap and low carrier mobility. Growing other semiconductors on Si substrate can take the advantages of the different semiconductors and improve the performance of theSi-based devices and integrated circuits. The progress of Ge growth on Si was introduced in the paper. The application of the Si-based Ge epitaxy layer was discussed, especially the application on Si-based high speed photodetectors operating at long wavelength.Key words: Si-based, Germanium, Epitaxy, Photodetector1引言硅基光电集成将微电子技术和光子学技术进行融合,是微电子技术的继承和发展,是信息技术发展的重要前沿研究领域。
半导体工艺原理----硅的异质外延技术(2012.3.31)(贵州大学)
21
1、SDB
SDB(Silicon Direct Bonding)直接键合技术，是采用键 合技术形成SOI结构的核心技术之一。
将两片硅片通过表面的SiO2层键合在一起,再把背面用
腐蚀等方法减薄来获得SOI结构。
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当两个平坦的具有亲水性表面的硅片（如被氧化的硅片）
相对放置在一起时，即使在室温下亦回自然的发生键合。
减薄到预定厚度。
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键合(Bonded)技术优缺点：
（1）硅膜质量高
（2）氧厚度和硅膜厚度可以随意调整 （3）适合于大功率器件及MEMS技术 （4）硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍 （ 5 ）键合要用两片体硅片制成一片 SOI 衬底，成本至少 是体硅的两倍
24
25
26
2、SIMOX （ 氧离子注入隔离法 ）
SOI的功耗和衬底成本都比SOS低得多，SOS没有实现三维
器件结构功能。
从目前情况来看，有的SOI技术已初步走向实用化，只要能进 一步克服工艺和材料质量问题，实用化是没有问题的，某些 SOI技术可以用于三维IC的制造。
7、SOI技术的挑战
SOI材料是SOI技术的基础
SOI技术发展有赖于SOI材料的不断进步，材料是SOI技术
蓝宝石(α-Al203)和尖晶石(MgO· Al203)是良好的绝缘体，以
它们为衬底外延生长硅制做集成电路，可以消除集成电路 元器件之间的相互作用，不但能减少漏电流和寄生电容， 增强抗辐射能力和降低功耗，还可以提高集成度和实现双 层布线，是大规模、超大规模集成电路的理想材料。
2
1、衬底材料的选择
PC RS64IV （APPLE POWER4，早期的iMAC电脑上）芯片上。
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。
外延工艺在集成电路制造产业中的应用
外延工艺在集成电路制造产业中的应用外延工艺是一种在集成电路制造过程中广泛应用的工艺技术。
它通过在硅基材料上形成一个或多个较厚的外延层，使晶体管等器件得以制造和集成。
这种工艺的应用不仅提升了晶体管的性能和质量，还促进了集成电路的封装密度和可靠性。
首先，外延工艺在集成电路制造中的应用体现在提高晶体管性能方面。
通过外延工艺，可以在晶片表面上形成高质量的薄膜材料，这些薄膜可以用于制造不同类型的器件。
例如，外延层可以用于制造MOS晶体管的栅极、源极和漏极等关键部件，从而提高晶体管的导电性和开关速度。
其次，外延工艺在集成电路制造中的应用还体现在提高集成度方面。
外延工艺可以实现不同材料之间的垂直和水平集成。
在垂直集成方面，通过在原有晶片上叠加外延层，可以制造多层晶体管结构，从而提高芯片的功能集成度。
在水平集成方面，外延工艺可以实现在同一晶片上集成不同材料的器件，如光电二极管和磁电传感器等，从而拓宽了集成电路的应用领域。
此外，外延工艺的应用还能提升集成电路的可靠性。
外延层具有较高的晶体质量和良好的晶体匹配性，因此可以有效减少晶体管的漏电流和热噪声等问题，提高电路的稳定性和可靠性。
同时，由于外延层具有良好的电学和机械性能，可以减少封装过程中的应力和热膨胀问题，降低退化和失效的风险。
综上所述，外延工艺在集成电路制造产业中具有广泛的应用。
它可以提高晶体管的性能和质量，拓宽集成度，提升电路可靠性，为集成电路制造业带来更多的发展机遇。
随着科技的不断进步和需求的不断变化，相信外延工艺在集成电路制造领域的应用前景将更加广阔。
当谈及外延工艺在集成电路制造产业中的应用时，有几个关键方面需要考虑。
首先，外延工艺可以实现材料的选择和调控。
在集成电路制造中，选择合适的材料对电路性能至关重要。
通过外延工艺，可以在晶片表面沉积不同材料的薄膜层，例如氮化镓、氮化铝和氮化硅等。
这种材料的选择可以根据电路应用的需求来进行调控，从而实现对电路性能和功耗的优化。
硅外延及其应用
ＫＥＹ Ｗ ＯＲＤＳ：ＭＢ Ｅ；Ｃ Ｖ Ｄ； Ｌ Ｐ Ｅ； ｓ ｉ ｌ ｉ ｃ ｏ ｎ ｅ ｐ ｉ ｔ ａ ｘ ｙ ；ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ
（ Ｖ Ｐ Ｅ ） 、分子束外延 （ Ｍ Ｂ Ｅ ） 、液 相外延 （ Ｌ Ｐ Ｅ ） 等 ，采用 这些方 法 已经制备 出了 Ｃ ＭＯ Ｓ 产 品 、红外
焦平 面探 测器 、光波 导 、光调制 器等大 量 的半 导体
器件。
收 稿 日期 ：２ ０ １ ３ ￣ ） ４ － ０ ７
ｒ ｉ ｚ ｅ ｄ ： ｍ ｏ ｌ ｅ ｃ ｕ ｌ ａ ｒ ｂ ｅ ａ ｍ ｅ ｐ ｉ ｔ ａ ｘ ｙ（ ＭＢ Ｅ） ， ｃ ｈ ｅ ｍ ｉ ｃ ａ ｌ ｖ ａ ｐ ｏ ｒ ｄ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ（ Ｃ Ｖ Ｄ） ， ｌ ｉ ｑ ｕ ｉ ｄ ｄ ｅ ｐ ｏ ｓ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ（ Ｌ Ｐ Ｅ） ， ａ ｎ ｄ ｔ ｈ ｅ ａ ｐ ｐ ｌ ｉ ｃ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ Ｓ ｉ ｂ ａ ｓ ｅ ｅ ｐ ｉ ｔ ａ ｘ ｉ —
ｘｕ Ｙｕ ａ ｎ—ｚ ｈ ｉ 一，ＨＵ Ｌ ｉ ａ ｎ ｇ ，Ｗ Ｕ Ｚｈ ｏ ｎ ｇ—ｙ ｕ ａ ｎ
（ １ ．Ｋ ｕ ｎ ｍｉ ｎ ｇ Ｙ ｅ ｙ ａ ｎ Ｎ ｅ ｗ—Ｍａ ｔ ｅ ｒ ｉ ａ ｌ Ｃ ｏ ． ， Ｌ ｔ ｄ ． ，Ｋ ｕ ｎ ｍ ｉ ｎ ｇ ， Ｙ ｕ ｎ ｎ ａ ｎ ６ ５ ０ ０ ３ １ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ 廉 、热性 能 与机械性
它具有 标准 Ｐ Ｗ 所不具 有 的某 些 电学特性 并 消除 了
能 优 良、易 于 生 长 大 尺 寸 高 纯 度 晶体 等 优 点 。 目 前 ，硅半 导体 材料仍 是 电子信 息产业 最主要 的基 础
第五章 硅外延生长
边界层及特性
流体力学研究表明，当流体以速度υ0流过一平板上 时，由于流体与平板间的摩擦力，在外延的情况下 就是气流与基座之间的摩擦力，使紧贴基座表面的 流体的流速为零，而离开表面时，基座表面的影响 逐渐减弱，达到某一距离后，流体仍以速度υ0继续 向前流动。 在接近基座表面的流体中就出现一个流体速度受到 干扰而变化的薄层，而在此薄层外的流速则不受影 响，称此薄层为边界层（停止层、滞留层） 边界层的厚度 x ( x ) A （5-1）
第五章 硅外延生长
5.1外延生长的概述
定义: 外延 (epitaxy)：是在单晶衬底上，按衬 底晶向生长一层单晶层的技术。 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。
分类
根据结构 同质外延:外延层材料与衬底材料是同种材料， Si –Si,GaAs-GaAs 异质外延:外延层材料与衬底材料不是是同种材料 蓝宝石上生长Si，GaAs—GaAlAs 器件的应用 正向外延：器件制作在外延层上 反向外延：器件制作在衬底上，外延层起支撑作用
为了使基座上所有的衬底都能均匀淀积，埃威 斯登提出将基座倾斜一个小的角度。（图5-10） ( x ) A x υ0 ↑ δ ↓ G ↑ Φ=2.9°时，实验结果表明： 气流速度较低时，生长速率仍然沿其基座长 度方向降低，如气流适当，在基座80%的位置 上生长速率波动小于2%
上述反应是依次进行的，而总的生长速率将由最 慢的一步决定
低温时，在固—气表面上的反应慢，决定整 个生长过程的速率——表面反应控制过程 在正常条件下，表面反应很快，这时主气流 中的反应物以扩散的方式输运到表面的过程 最慢——质量输运控制过程
动力学模型
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。
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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
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5章 硅外延生长分析
28
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
2
§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） 。
硅工艺 第七章-外延
（3）硅表面更光滑、损伤最小；
根据材料的异同分为： 同质外延 Si-Si（硅衬底上外延硅） 异质外延 Al2O3-Si（如：硅上外延砷化镓、蓝宝石上外
延硅）
根据温度的高低分为： 高温外延（>1000℃） 低温外延（<1000℃）
授课内容
§7.1 硅汽相外延原理 §7.2 外延层中杂质的分布 §7.3 低压外延 §7.4 选择性外延 §7.5 SOS技术 §7.6 分子束外延 §7.7 外延层中的缺陷与检测 §7.8 外延层参数的测量
§ 7.1 硅气相外延工艺原理
7.1.1 外延生长模型
在生长表面得到游离状态的硅原子析出的硅原子在高温下携带有大量 的热能，沿着表面滑动(扩散)并聚集成群，一旦群体的分子数超过某一临 界值便开始结晶(即形成晶核)，放出潜热而在衬底表面固定下来，随后的 硅原子就直接到晶核的弯折处，使晶核不断扩展而发展成一个完整的新 晶面。
SiCl4(气)＋2H2(气)====Si(固)＋4HCl(气)
实际的过程比上式复杂。
氢还原反应
SiCl4 2H2 1000 CSi 4HCl
SiCl4 Si(固) 2SiCl2
硅烷热分解
SiH4 600 CSi 2H2
在气相中可能存在着如下几种中间反应（可逆） SiCl4+H2====SiCl3+HCl SiCl4+H2====SiCl2+2HCl SiHCl3+H2====SiH2Cl2+HCl SiHCl3 ====SiCl2+HCl SiH2Cl2 ====SiCl2+H2
一般在高温下，采用中、低 速生长，极限生长速度(极限生 长温度) 还与衬底的表面势有关。 影响表面势的因素：衬底取向、 表面光洁度和清洁等。外延生 长的温度也不宜太高。
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
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硅外延及其应用徐远志;胡亮;吴忠元【摘要】Silicon epitaxy growth technology is introduced,and three kindsof technologies applied to silicon epitaxy are summarized:molecular beam epitaxy (MBE),chemical vapor deposition (CVD),liquid deposition (LPE),and the application of Si base epitaxial material device is also introduced.%介绍了硅外延生长技术,综述了应用于硅外延的分子束外延(MBE)、化学气相沉积(CVD)、液相沉积(LPE)三种工艺,并介绍了Si基外延材料器件的应用.【期刊名称】《云南冶金》【年(卷),期】2013(042)003【总页数】5页(P46-50)【关键词】MBE;CVD;LPE;硅外延;应用【作者】徐远志;胡亮;吴忠元【作者单位】昆明冶研新材料股份有限公司,云南昆明650031;昆明理工大学化学工程学院,云南昆明650500;昆明理工大学化学工程学院,云南昆明650500;昆明理工大学化学工程学院,云南昆明650500【正文语种】中文【中图分类】TN304.1+2硅具有储量丰富、价格低廉、热性能与机械性能优良、易于生长大尺寸高纯度晶体等优点。
目前，硅半导体材料仍是电子信息产业最主要的基础材料，95%以上的半导体器件和99%以上的集成电路(IC)是用硅材料制作的。
在21 世纪，它的主导和核心地位仍不会动摇。
半导体制造商生产IC 芯片用硅片分别采用硅抛光片(PW)和硅外延片以及非抛光片三种类型，用量最多的为前二类硅片。
半导体硅材料自从60 年代被广泛应用于各类电子元器件以来，其用量保持高速增长。
SEMI(国际半导体设备与材料协会)报告预测了晶圆的需求前景，2013 年预计99.95 亿in2 (不包括非抛光硅片)。
20 世纪80 年代早期开始使用外延片，它具有标准PW 所不具有的某些电学特性并消除了许多在晶体生长和其后的晶片加工中所引入的表面/近表面缺陷。
因此，硅外延片广泛应用于制作不可恢复器件，包括MPU、逻辑电路芯片、快闪存储器、DRAM 等，在CM OS 电路中应用最广泛，在提高器件性能和芯片成品率方面，比抛光片更有优势。
外延生长是制备半导体材料和器件的一项重要技术。
外延生长的方法很多，主要有气相外延(VPE)、分子束外延(MBE)、液相外延(LPE)等，采用这些方法已经制备出了CMOS 产品、红外焦平面探测器、光波导、光调制器等大量的半导体器件。
1 硅外延生长及硅外延片结构形式1.1 半导体硅材料与硅外延生长人类的科学发展过程可以看成是一个不停寻找新材料的过程。
半导体材料的发展开启了信息时代的大门，信息时代的特征性材料是硅，如今，以硅为原料的电子元件产值超过了以钢为原料的产值，人类的历史因而正式进入了一个新时代──硅器时代。
硅是地壳中最常见的元素，把石头变成硅片的过程是一项点石成金的成就也是近代科学的奇迹之一。
电子工业的发展历史表明，没有半导体硅材料的发展，就不可能有集成电路、电子工业和信息技术的发展。
半导体硅材料分为多晶硅、单晶硅、硅外延片以及非晶硅、浇注多晶硅、淀积和溅射非晶硅等。
现行多晶硅生产工艺主要有改良西门子法和硅烷热分解法。
主要产品有棒状和粒状两种，主要是用作制备单晶硅以及太阳能电池等。
生长单晶硅的工艺可分为区熔(FZ)和直拉(CZ)两种。
其中，直拉硅单晶(CZ－Si)广泛应用于集成电路和中小功率器件。
区域熔单晶(FZ－Si)目前主要用于大功率半导体器件，比如整流二极管，硅可控整流器，大功率晶体管等。
单晶硅和多晶硅应用最广。
只有体单晶材料不能满足日益发展的各种半导体器件制作的需要。
为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻，1959 年末开发了薄层单晶材料生长技术──外延生长。
外延生长实质上是一种材料科学的薄膜加工方法，其含义是:在一个单晶衬底上，沿着原来的结晶方向定向生长出与基底晶态结构相同或类似的晶态薄膜层。
由于所生长的薄膜层是衬底晶格的延伸，所以叫做外延层。
在外延生长过程中，一般要求能控制结晶的生长取向和杂质的含量，是产生具有特殊物理性质的半导体晶态薄膜层的重要方法［1－3］。
随着集成电路特征线宽尺寸的不断减小，对硅片的要求越来越高，控制单晶的原生缺陷变得愈来愈困难，因此外延片越来越多地被采用。
目前8 in硅片有很大部分是以外延片形式提供的，而12 in芯片生产线将全部采用外延。
今后，集成电路高集成度、微型化和低成本的要求对半导体单晶材料的电阻率均匀性、金属杂质含量、微缺陷、晶片平整度、表面洁净度等提出了更加苛刻的要求，晶片大尺寸和高质量成为必然趋势。
目前全球主流硅晶片已由直径8 in 逐渐过渡到12 in 晶片，研制水平已达到16 in。
1.2 硅外延生长类型根据外延层的性质，生长方法和器件制作方式不同，可以把外延分成不同的种类。
1)按照衬底和外延层的化学成分异同分类同质外延:外延层与衬底是同种材料，例如在硅衬底上外延生长硅;异质外延:衬底材料和外延层是不同种材料，例如在蓝宝石上外延生长硅。
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: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。
例如硅的电子束蒸发外延生长;间接外延: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沉积(chemical vapor deposition，CVD)。
但CVD 所生长的薄膜不一定是单晶，因此严格地讲只有生长的薄膜是单晶的CVD 才是外延生长。
这种方法设备简单，外延层的各种参数较容易控制，重复性好。
目前硅外延生长主要是利用这种方法。
该方法还发展出了金属有机物 CVD (MOCVD)、等离子增强 CVD(PECVD)、超高真空CVD (UHVCVD)、快速热处理CVD (RTCVD)及激光、可见光、X 射线辅助CVD 等多种方法。
4)按照反应机理可分为利用化学反应的外延生长和利用物理反应的外延生长。
5)按向衬底输运外延材料的原子的方法不同又分为真空外延、气相外延、液相外延等。
6)按生长过程中的相变方式可分为气相外延、液相外延和固相外延等。
1.3 硅外延片结构形式硅片厚度一般为0.6 mm 左右，制作在其表面的IC 只占用约0.1%的深度(相当于几百nm)，余下的绝大部分对IC 起支撑作用，所以称为衬底。
根据外延层与衬底的物质成分，外延层可分为同质生长层和异质生长层。
根据外延层与衬底的结晶形态，可将外延层可分为共度生长层和不共度生长层。
衬底与生长层的晶格类型相同且晶格常数相等(匹配)时，称为共度生长。
同质外延都是共度生长。
不共度生长的含义是衬底与生长层的晶格常数略有不同(称为失配)。
典型例子有蓝宝石上的硅生长和硅上的GaAs 生长。
当晶格常数略有不同(失配)时，对于较薄的异质外延层，外延层与衬底之间产生的是应力而不是缺陷，这种情况称为赝晶生长，例如硅上外延生长GexSi1－x 层。
外延生长与掺杂技术的目的类似，都是形成具有一定导电类型和杂质浓度的半导体层，其质量要求主要有下面几条:①具有一定的厚度，且厚度均匀。
②掺杂浓度(表现为电阻率)均匀并符合设计要求。
③位错、层错、麻坑、雾状缺陷、伤痕等缺陷尽量少④杂质分布满足要求。
2 外延生长方法为了提高半导体器件的成品率和性能，降低成本，研制新器件，对硅外延提出了多种要求，为此外延工作者做了大量的研究工作，发展了外延生长技术:液相外延、化学气相外延、减压外延、低温外延、选择外延、抑制外延、分子束外延和原子层外延等。
下面主要介绍分子束外延、化学气相外延和液相外延。
2.1 分子束外延分子束外延(MBE)是50 年代用真空蒸发技术制备半导体薄膜材料发展而来的一种新的晶体生长技术，并随着超高真空技术的发展而日趋完善，开拓了一系列崭新的超晶格器件，扩展了半导体科学应用的新领域。
其方法是将半导体衬底放置在超高真空腔体中，和将需要生长的单晶物质按元素的不同分别放在喷射炉中，由分别加热到相应温度的各元素喷射出的分子流能在上述衬底上生长出极薄的单晶体和几种物质交替的超晶格结构。
分子束外延技术在新型电子器件制造、电磁应用、光学应用等领域中，被用于氧化物材料的沉积［4］。
周立庆［5］等采用分子束外延法，在3 in Si 晶片上进行碲镉汞外延用CdTe 复合衬底的制备研究。
结果表明复合衬底的表面宏观缺陷密度低于300cm－2，双晶衍射峰宽值在80 arcsec 以下，位错密度的平均值低于5.0×106/cm2。
测试分析结果表明碲化镉薄膜的晶向得到了较好的控制，孪晶得到了抑制，且具有较好的晶体结构质量和均匀性。
苏少坚等［6］采用分子束外延法在Si (001)衬底上生长出Ge0.975Sn0.025 合金薄膜。
测试结果表明Ge0.975Sn0.025 合金薄膜具有很好的晶体质量，并且没有发生Sn 表面分凝，在500℃下具有很好的热稳定性。
唐军等［7］利用分子束外延共沉积法，首先在Si (111)衬底上生长高质量的SiC缓冲层，然后在SiC/Si 表面直接沉积碳原子制备石墨烯薄膜，并研究了不同衬底温度对薄膜结构的影响。
测试结果表明衬底温度为1000℃时结晶质量最好。
2.2 化学气相沉积法化学气相沉积法(CVD)是反应物质在气态条件下与基体表面相互作用，并在基体表面形成一种金属或化合物固态薄膜或镀层［8］，是一种制备无机材料的新技术。
随着工业生产要求的不断提高，CVD 的工艺及设备得到不断改进，不仅启用了各种新型的加热源，还充分利用等离子体、激光、电子束、紫外光等辅助方法降低了反应温度，开发了诸如等离子体化学气相沉积(PECVD)、激光辅助化学气相沉积(LCVD)［9］、超高真空化学气相沉积(UHVCVD)、紫外光能量辅助化学气相沉积(UVCVD)［10］和热丝化学气相沉积法(HWCVD)［11］等新技术，使其应用的范围更加广阔。
目前，CVD 技术广泛应用于制备粉体材料，新晶体材料等领域，在作为大规模集成电路技术的光电材料、铁电材料的薄膜制备技术方面，更是发挥着巨大的作用。
戴显英等［12］采用了UVCVD 和UHVCVD 相结合的技术外延生长SiGe/Si HBT 材料，并研制出了SiGe HBT 器件。
结果表明该技术能显著降低材料的外延生长温度，减小有害杂质的污染，提高材料的性能。