外延工艺

晶格失配 （lattice mismatch） 失配率
其中：a外延层晶格参数； a′衬底晶格参数。有热膨
胀失配系数和晶格常数失配率。 晶格失配导 致外延膜中 缺陷密度非 常高
热失配影响单 晶薄膜物理和 电学性质
外延的工艺用途
优势： •1.高的集电结击 穿电压 •2.低的集电极串 联电阻
双极型晶体管
MBE的特点
•超高真空度达10-9~10-11Torr ，外延过程污染少， 外延层洁净。 •温度低，(100)Si 最低外延温度470K，所以无杂质 的再分布现象。 •外延分子由喷射炉喷出，速率可调，易于控制， 可瞬间开/停，能生长极薄外延层，厚度可薄至Å 量级。
MBE的优点
• 分子束外延的优点是：能精确控制外延层的化学 配比，杂质分布和外延层厚度。但其设备复杂， 成本昂贵。
气相外延原理
SiH4热分解外延
SiH4 → Si（s）+2H2（g）
• 优势： 1.反应是不可逆的，没卤化物产生，不存在反向 腐蚀效应，对反应室也无腐蚀； 2.外延温度低，一般是650-900 ℃，最低可在 600℃完成，减弱了自掺杂和扩散效应。 • 问题： SiH4在气相中可自行分解，造成过早核 化，对外延层的晶体结构产生重要影响，甚至 生成多晶；SiH4易氧化形成硅粉，要尽量避免 氧化物质和水汽的存在，否则会影响外延层的 质量；缺陷密度高于SiCl4 氢还原法制作外延 层；对反应系统要求高
外延的种类：
•按材料划分：同质外延和异质外延 •按工艺方法划分：气相外延（VPE)，液相外延 (LVP)，固相外延 (SPE)，分子束外延（MBE) •按温度划分：高温外延(1000℃ 以上)；低温外延 (1000℃ 以下)；变温外延--先低温下成核，再高温 下生长外延层 气相外延工艺成熟 •按电阻率高低划分：正外延--低阻衬底上外延高阻 ，可很好的控制薄 层；反外延--高阻衬底上外延低阻层 膜厚度，杂质浓度 •按外延层结构分类: 普通外延，选择外延，多层外 和晶格的完整性， 延 在硅工艺中一直占 •其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分 主导地位 等
固相外延
• 固相外延是将晶体衬底上的 非晶或者多晶层高温转化为 单晶层。离子注入时，损伤 造成的非晶区和非晶层经退 火晶化过程就是固相外延。
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液相外延
• 液相外延是利用溶液的饱和溶解度随温度的变化 而变化，使溶液结晶析出在衬底上进行外延的方 法。 • 砷化镓（GaAs）的液相外延方法是：将高纯GaAs 在高温下溶解在某种溶剂（例如Ga）中，使之成 为饱和溶液，然后将GaAs饱和溶液与GaAs衬底接 触，并渐渐降温。随着温度的降低，GaAs在溶液 中的饱和溶解度逐渐下降，将有固态的GaAs析出， 即在衬底表面上进行再结晶，生长成单晶的GaAs 外延层。
n+埋层 n-Si外延层 SiO2 p+隔离墙
•
P-Si衬底
pn结隔离示意图
利用外延技 术的pn结隔 离是早期双 极型集成电 路常采用的 电隔离方法。
• 将CMOS电路制作 在外延层上比制 作在体硅抛光片 上有以下优点： ①避免了闩锁效 应； ②避免了硅层中 SiOx的沉积； ③硅表面更光滑， 损伤最小。
同质外延又称为均匀外延，是外延层与衬底材料相同 的外延。 异质外延也称为非均匀外延，外延层与衬底材料不相 同，甚至物理结构也与衬底完全不同。GaAs/Si 、 SOI（SOS）等材料就可通过异质外延工艺获得。 异质外延的相容性 1. 衬底与外延层不发生化学反应，不发生大量的 溶解现象； 2.衬底与外延层热力学参数相匹配，即热膨胀系 数接近。以避免外延层由生长温度冷却至室温时，产 生残余热应力，界面位错，甚至外延层破裂。 3.衬底与外延层晶格参数相匹配，即晶体结构， 晶格常数接近，以避免晶格参数不匹配引起的外延层 与衬底接触的界面晶格缺陷多和应力大的现象。
气相外延
•硅气相外延(vapor phase epitaxy，VPE )，
指含Si外延层材料的物质以气相形式输运至
衬底，在高温下分解或发生化学反应，在
单晶衬底上生长出与衬底取向一致的单晶。
•与CVD（Chenmical Vapor Deposition，化学 汽相淀积）类似，是广义上的CVD工艺。
•
硅的液相外延是将硅溶入锡中，在949℃时溶液 饱和，当降低温度10-30℃时溶液过饱和，硅析 出，在单晶硅衬底上生长出外延层。
液相外延的优点
• 可以得到高纯度的外延层。若预先在溶液中加入 掺杂剂，就可以进行掺杂，实现导电类型和电阻 率的控制。
固相外延
• 固相外延是将晶体衬底上的非晶或者 多晶层高温转化为单晶层。离子注入 时，损伤造成的非晶区和非晶层经退 火晶化过程就是固相外延。
外延工艺
外延工艺
• • • • • • • • • 外延的概念 外延的特点 外延的优点 外延的种类 外延的工艺用途 气相外延 分子束外延 液相外延 固相外延
外延的概念：
• 在微电子工艺中，外延(epitaxy)是指在单晶衬底上，用物理的 或化学的方法，按衬底晶向排列（生长）单晶膜的工艺过程。 • 在外延工艺中，可根据需要控制外延层的导电类型，电阻率， 厚度。通常称在低阻衬底材料上生长高阻外延层的工艺为正 向外延，反之称为反向外延。如果生长的外延层和衬底是同 一种材料，这种工艺称为同质外延。 • 外延是集成电路制造中的主要工艺之一，最初的外延பைடு நூலகம்长技 术是指利用化学气相淀积的方法在硅单晶衬底上沿原来的晶 向生长一层相同的薄层单晶硅的技术。而现在所说的外延概 念大为延伸，衬底上生长的外延层可以是半导体单晶层，也 可以是多晶层。作为衬底的材料可以是硅，锗，砷化镓等半 导体材料，也可以是陶瓷，蓝宝石等绝缘介质。 • 新排列的晶体称为外延层，有外延层的硅片称为（硅）外延 片。
分子束外延
(Molecular beam epitaxy， MBE)
• 分子束外延：分子束 外延实际上是一种直 接淀积技术。分子束 外延是在超真空系统 中加热一种或几种外 延层组分元素和掺杂 剂到蒸发温度，使之 成为蒸汽分子束连续 蒸发到衬底表面上面 形成单晶薄膜层。 • MBE是物理气相外延 工艺。
气相外延常用的硅源
•四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也是研究最多的硅 源-----使用SiCL4生长外延层需要很高的温度，主要应用于传 统外延工艺。 •三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和 SiCl4类似，但它可以在较低温度 下进行外延，而且容易达到和超过每分钟1um的生长速率， 用来生长厚外延层。-----常规外延生长 •二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) ，是一种选择外延常用的硅源----SiH2Cl2用于更低温度下生长高质量的薄外延层，外延层的缺 陷密度低于使用SiH4和SiCL4两种源时的情况。 •硅烷SiH4，更适应薄外延层和低温生长要求，得到广泛应用 ----- SiCl4与SiH4有很多相似的特性， SiH4可在低于900℃时生 长出很薄的外延层，而且得到高的淀积率。 •新硅源：乙硅烷Si2H6-----低温外延。
• 微波器件的芯片制造，需要具有突变杂质分 布的复杂多层结构衬底材料。可以采用多层 外延工艺来实现这类衬底材料的制备。 • 采用异质外延的SOS／CMOS电路，外延衬底 为绝缘的蓝宝石，能够有效地防止元件之间 的漏电流，抗辐照闩锁；而且结构尺寸比体 硅CMOS电路小，因SOS结构不用隔离环，元 件制作在硅外延层小岛上，岛与岛之间的隔 离距离只要满足光刻工艺精度，就能达到电 隔离要求，所以元件之间的间距很小，CMOS 电路的集成度也就提高了。
外延的特点
•外延生长时掺入杂质的类型、浓 度都可以与衬底不同，增加了微 电子器件和电路工艺的灵活性。 •多次外延工艺得到多层不同掺杂 类型、不同杂质含量、不同厚度， 甚至不同材料的外延层。
外延的优点
• 外延技术可以提高高频大功率晶体管的频率和功率 特性，制造高频大功率晶体管要求集电结的击穿电 压要高同时集电区体电阻要小。 • 利用外延生长技术就可以N+衬底上再外延一层满足 击穿电压要求的N-层作为集电区，于是就较好地解 决了高频大功率晶体管对集电区电阻率要求的矛盾。 • 在双极型集成电路的制造工艺中，采用外延技术容 易实现隔离。 • 利用外延技术可以根据需要方便的控制薄膜单晶的 电导率、电导类型、厚度及杂质分布等参数。这无 疑增大了工艺设计和器件制造的灵活性。