硅外延生长PPT课件
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21
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
15
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>
16
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
17
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
3
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
边界层厚度与流速平方根成反比
18
• 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
• 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、液相百度文库延、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
19
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
• 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。
10
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）
8
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。
9
5－2－2 硅外延生长设备
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
4
根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同
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
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
23
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。
半导体材料
1
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;
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
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
11
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
12
生长过程：
13
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.
• 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
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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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
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
• 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、液相百度文库延、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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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
• 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。
10
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）
8
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
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
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
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。
半导体材料
1
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;
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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。
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
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
11
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
12
生长过程：
13
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.
• 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