外延工艺简介
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• 什么叫外延生长？ • 硅外延的基本原理 • 外延设备及所用的气体 • 在外延中应注意的问题 • 外延层中的晶体缺陷 • 外延的质量表征因子 • 外延层测试设备 • 目前国内外延的动态 • 从事外延工作人员应具备的基本素质：敬业精神、
在P型外延生长中,我们应该认识重掺硼(B)有其特 点。硼(B)原子质量很小，值为10.81，而磷(P)为 30.9、砷(As)为74，锑(Sb)为121。
因为硼(B)很轻，半径小，因自由程大在流动气体 中相对扩散距离大(相对于P、As、Sb)。而它更容易 到达反应器壁、石墨基座、石英件等表面，而被大量 吸附，成为外延生长的掺杂源。而P、As、Sb运动距 离小，易被气流带出反应室外，所以重掺硼(B)P型衬 底自掺杂效应严重难控制。
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氯硅烷还原法的特点在于它是一个吸热过程,该反应需要在高温 下才能发生。这些反应是可逆的，其可逆的程度随氯硅烷中氯(Cl) 的含量的增加而增加。同时，氯的含量决定了外延生长温度范围。 外延生长温度随硅源中氯（Cl)含量的增加而增加。
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外延设备及所用的气体：
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化学气相外延生长使用的设备装置通常称谓外延生长反应炉。一般主 要由气相控制系统、电子控制系统、反应炉主体、排气系统四部分组成。
低流速可以产生较差的均匀性。
1000 1100 1200
图2
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气相外延生长过程包括：
（1）反应剂（SiCl4或SiHCl3+H2）气体混合物质量转移到衬底表面； （2）吸收反应剂分子在表面上（反应物分子穿过附面层向衬底表面迁移）； （3）在表面上进行反应或一系列反应； （4）释放出副产物分子； （5）副产物分子向主气流质量转移；（排外） （6）原子加接到生长阶梯上。
控制系统：微机程序控制、联锁方法，安全可靠
炉体：石英钟罩、石英环、石英吊杆、护套、双密封泵、高纯石墨基座
温度控制系统：独特的红外灯辐射加热、9段温控，均匀快速加热，可调
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10
Do Not CHale Waihona Puke Baidupy
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另外，衬底的取向能够影响杂质的掺入数量。掺杂剂的
掺入行为还受生长速率的影响，以砷(As)为例，一般生长速率 快，掺入行为降低。而磷(P)掺杂浓度变化在不同生长速率下是 不同的，在1016/cm3浓度，生长速率0.1um/min,生长温度 1100~1200℃有上升趋势．（见图２）
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掺杂浓度(原子/cm3)
掺杂浓度
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1018 1017
B2H6 PH3 AsH3
1016
1100 1200
1300 T(℃)
(图1) 硅外延中掺杂剂的掺入系数 与生长温度就之间的函数
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面化学反应控制两个区域.但杂质源和硅源的化学动力学不同,情 况
更为复杂。杂质的掺入效率不但依赖于生长温度,同时每种掺杂剂 都有其自身的特征。一般情况下,硅的生长速率相对稳定。硼的掺 入量随生长温度上升而增加，而磷和砷却随生长温度的生长温度
的上升而下降(见图1)。
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硅外延生长其意义是在具有一定晶向的硅单晶衬底上生长一层具有和 衬底相同晶向的电阻率与厚度不同的晶格结构完整性好的晶体。
半导体分立元器件和集成电路制造工艺需要外延生长技术，因半导体 其中所含的杂质有N型和P型，通过不同类型的组合，使半导体器件和集成 电路具有各种各样的功能，应用外延生长技术就能容易地实现。
生长速率也影响杂质的再分布，图形
漂移和图形畸变。生长速率0.1um/min 增加0.5um/min时，杂质自掺杂减少。杂 质外扩散也随生长速率的增加而减少。反 之，图形漂移则随生长速率的增加而增加。
1016/cm3
1.2um/min 0.6um/min
0.1um/min
混合气流的流速也影响外延层的均匀性，
硅外延生长装置的方框图：
电源
温度控制系统
电源变压器
N2
气
H2
体
HCL
控
B2H6
制
PH3
系
TCS
统
电气控制系统 炉体
电力控制系统
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真
空
排
控
气
排
制
系
气
系
统
统
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生产能力
性能
5-6
5-6
5-6
4″ 22片
双反应室，升温快，高频 加热；容易产生滑移线
4-5
4-5
4-5
±6% ±6% ±6%
4.5-5 4.5-5 4.5-5
4-5
4-5
4-5
4-5
4-5
4-5
4″35片 5″24片 6″18片 8″ 8片 4″27片 5″19片 6″10片 4″30片 5″24片 6″14片 8″ 5片 4″35片 5″24片 6″15片 4″32片 5″18片 6″15片
同时我们应知道，硅片表面是硅单晶体的一个断面，有一层或 多层原子的键被打开，这些不饱和键处于不稳定状态，极易吸附 周围环境中的原子和分子，此现象称为“吸附”。吸附在硅片表 面的杂质粒子在其平衡位置附近不停地做热运动，有的杂质离子 获得了较大的动能，脱离硅片表面，重新回到周围环境中，此现 象称为“解吸”。而同时介质中的另一些粒子又被重新吸附，即硅 片表面层吸附的杂质粒子处于动平衡状态。
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Xj Xat
Cf(x)
Cat(x) 气相自掺杂 系统自掺杂
外延
无自掺杂
距表面深度
(图3) 掺杂浓度与距外延表面深度之间 的关系曲线示意图.这种阶梯式的 分布是自掺杂和外扩散不发生的 理想情况.该弯曲分布是由于不均 匀掺杂杂质所导致的实际情况
LPE2061S
MT7811K MT7700K ASM Epsilon-2(红外加热) PE3061（低频加热）
各种硅外延炉比较
外延层厚度均匀性（%） 片内 片-片 炉-炉
4-5 4-5
4-5
4
4
4
4
4
4
4-4.5 4-4.5 4-4.5
3
3
3
3
3
3
＜1 ＜2
外延层电阻率均匀性（%） 片内 片-片 炉-炉
一丝不苟的工作态度、质量意识和安全意识。
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什么叫外延？
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外延Epitaxy这个词来源于希腊字epi,意思是“…之上”。这样选定的 词对外延提供了一个恰当的描写。一个含有硅原子的气体以适当的方式通 过衬底，自反应剂分子释放出的原子在衬底上运动直到它们到达适当的位 置，并成为生长源的一部分，在适当的条件下就得到单一的晶向。所得到 的外延层精确地为单晶衬底的延续。
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为了使半导体器件得到所需要求的电参数，用P型或N型杂质对
外延层进行掺杂是必要的。器件的效果取决于掺杂浓度的准确控
制和掺杂剂浓度沿外延层的纵向分布。
外延层中的杂质原子是在生长过程中被结合到外延层的晶格
中。杂质的沉淀过程与外延生长过程相似，也存在质量传输和表
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外延工艺简介
2005.08.05
Company Confidential
By
赵仲镛
杭州士兰集成电路有限公司 杭州经济技术开发东区10号路308号 Hangzhou Silan Integrated Circuit Co., Ltd。 308, No. 10 Road, East HETZ, Hangzhou, Zhejiang, China 310018
硅外延生长方法，目前国际上广泛的采用化学气相沉积生长方法满足 晶体的完整性、器件结构的多样化，装置可控简便，批量生产、纯度的保 证、均匀性要求。
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型号 Gemini-2
EpiPro5000
EVG-28GX
反应炉炉体它是在高纯石英钟罩中悬挂着一个多边锥状桶式经过特殊 处理的高纯石墨基座。基座上放置硅片，利用红外灯快速均匀加热。九段 温控、中心轴可以旋转，进行严格双密封的耐热防爆结构。
电源系统：独立电源线、3相4线、50Hz、350A 气体控制系统：高精度的质量流量计、传动器气动阀控制，无泄露、耐腐 蚀的EP管、氢（H2）检漏、报警系统 冷却系统：足够的水冷循环系统和风冷循环系统
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硅外延的基本原理:
硅的化学气相沉积外延生长其原理是在高温（＞1100℃）的衬底上输送 硅的化合物（SiHCl3或SiCl4或SiH2Cl2等）利用氢（H2）在衬底上通过还原 反应析出硅的方法。
同时外延生长的重要特征之一是可以用任意浓度和导电类型的硅衬底上人 为的故意地进行掺杂，以满足器件花样众多的要求。
对硅片而言 吸附放热 ,解吸吸热。 按照被吸附的物质的存在状态，吸附在硅片表面的杂质可分为： 分子型，离子型和原子型三种。
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外延生长掺杂原理
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双反应室，升温快，中低 频加热
双反应室，升温快，中频 加热；容易产生滑移线
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• 什么叫外延生长？ • 硅外延的基本原理 • 外延设备及所用的气体 • 在外延中应注意的问题 • 外延层中的晶体缺陷 • 外延的质量表征因子 • 外延层测试设备 • 目前国内外延的动态 • 从事外延工作人员应具备的基本素质：敬业精神、
在P型外延生长中,我们应该认识重掺硼(B)有其特 点。硼(B)原子质量很小，值为10.81，而磷(P)为 30.9、砷(As)为74，锑(Sb)为121。
因为硼(B)很轻，半径小，因自由程大在流动气体 中相对扩散距离大(相对于P、As、Sb)。而它更容易 到达反应器壁、石墨基座、石英件等表面，而被大量 吸附，成为外延生长的掺杂源。而P、As、Sb运动距 离小，易被气流带出反应室外，所以重掺硼(B)P型衬 底自掺杂效应严重难控制。
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氯硅烷还原法的特点在于它是一个吸热过程,该反应需要在高温 下才能发生。这些反应是可逆的，其可逆的程度随氯硅烷中氯(Cl) 的含量的增加而增加。同时，氯的含量决定了外延生长温度范围。 外延生长温度随硅源中氯（Cl)含量的增加而增加。
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化学气相外延生长使用的设备装置通常称谓外延生长反应炉。一般主 要由气相控制系统、电子控制系统、反应炉主体、排气系统四部分组成。
低流速可以产生较差的均匀性。
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气相外延生长过程包括：
（1）反应剂（SiCl4或SiHCl3+H2）气体混合物质量转移到衬底表面； （2）吸收反应剂分子在表面上（反应物分子穿过附面层向衬底表面迁移）； （3）在表面上进行反应或一系列反应； （4）释放出副产物分子； （5）副产物分子向主气流质量转移；（排外） （6）原子加接到生长阶梯上。
控制系统：微机程序控制、联锁方法，安全可靠
炉体：石英钟罩、石英环、石英吊杆、护套、双密封泵、高纯石墨基座
温度控制系统：独特的红外灯辐射加热、9段温控，均匀快速加热，可调
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另外，衬底的取向能够影响杂质的掺入数量。掺杂剂的
掺入行为还受生长速率的影响，以砷(As)为例，一般生长速率 快，掺入行为降低。而磷(P)掺杂浓度变化在不同生长速率下是 不同的，在1016/cm3浓度，生长速率0.1um/min,生长温度 1100~1200℃有上升趋势．（见图２）
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1018 1017
B2H6 PH3 AsH3
1016
1100 1200
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(图1) 硅外延中掺杂剂的掺入系数 与生长温度就之间的函数
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面化学反应控制两个区域.但杂质源和硅源的化学动力学不同,情 况
更为复杂。杂质的掺入效率不但依赖于生长温度,同时每种掺杂剂 都有其自身的特征。一般情况下,硅的生长速率相对稳定。硼的掺 入量随生长温度上升而增加，而磷和砷却随生长温度的生长温度
的上升而下降(见图1)。
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硅外延生长其意义是在具有一定晶向的硅单晶衬底上生长一层具有和 衬底相同晶向的电阻率与厚度不同的晶格结构完整性好的晶体。
半导体分立元器件和集成电路制造工艺需要外延生长技术，因半导体 其中所含的杂质有N型和P型，通过不同类型的组合，使半导体器件和集成 电路具有各种各样的功能，应用外延生长技术就能容易地实现。
生长速率也影响杂质的再分布，图形
漂移和图形畸变。生长速率0.1um/min 增加0.5um/min时，杂质自掺杂减少。杂 质外扩散也随生长速率的增加而减少。反 之，图形漂移则随生长速率的增加而增加。
1016/cm3
1.2um/min 0.6um/min
0.1um/min
混合气流的流速也影响外延层的均匀性，
硅外延生长装置的方框图：
电源
温度控制系统
电源变压器
N2
气
H2
体
HCL
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气
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5-6
5-6
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双反应室，升温快，高频 加热；容易产生滑移线
4-5
4-5
4-5
±6% ±6% ±6%
4.5-5 4.5-5 4.5-5
4-5
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4-5
4-5
4-5
4″35片 5″24片 6″18片 8″ 8片 4″27片 5″19片 6″10片 4″30片 5″24片 6″14片 8″ 5片 4″35片 5″24片 6″15片 4″32片 5″18片 6″15片
同时我们应知道，硅片表面是硅单晶体的一个断面，有一层或 多层原子的键被打开，这些不饱和键处于不稳定状态，极易吸附 周围环境中的原子和分子，此现象称为“吸附”。吸附在硅片表 面的杂质粒子在其平衡位置附近不停地做热运动，有的杂质离子 获得了较大的动能，脱离硅片表面，重新回到周围环境中，此现 象称为“解吸”。而同时介质中的另一些粒子又被重新吸附，即硅 片表面层吸附的杂质粒子处于动平衡状态。
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Cat(x) 气相自掺杂 系统自掺杂
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无自掺杂
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(图3) 掺杂浓度与距外延表面深度之间 的关系曲线示意图.这种阶梯式的 分布是自掺杂和外扩散不发生的 理想情况.该弯曲分布是由于不均 匀掺杂杂质所导致的实际情况
LPE2061S
MT7811K MT7700K ASM Epsilon-2(红外加热) PE3061（低频加热）
各种硅外延炉比较
外延层厚度均匀性（%） 片内 片-片 炉-炉
4-5 4-5
4-5
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4-4.5 4-4.5 4-4.5
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＜1 ＜2
外延层电阻率均匀性（%） 片内 片-片 炉-炉
一丝不苟的工作态度、质量意识和安全意识。
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为了使半导体器件得到所需要求的电参数，用P型或N型杂质对
外延层进行掺杂是必要的。器件的效果取决于掺杂浓度的准确控
制和掺杂剂浓度沿外延层的纵向分布。
外延层中的杂质原子是在生长过程中被结合到外延层的晶格
中。杂质的沉淀过程与外延生长过程相似，也存在质量传输和表
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硅外延生长方法，目前国际上广泛的采用化学气相沉积生长方法满足 晶体的完整性、器件结构的多样化，装置可控简便，批量生产、纯度的保 证、均匀性要求。
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反应炉炉体它是在高纯石英钟罩中悬挂着一个多边锥状桶式经过特殊 处理的高纯石墨基座。基座上放置硅片，利用红外灯快速均匀加热。九段 温控、中心轴可以旋转，进行严格双密封的耐热防爆结构。
电源系统：独立电源线、3相4线、50Hz、350A 气体控制系统：高精度的质量流量计、传动器气动阀控制，无泄露、耐腐 蚀的EP管、氢（H2）检漏、报警系统 冷却系统：足够的水冷循环系统和风冷循环系统
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硅外延的基本原理:
硅的化学气相沉积外延生长其原理是在高温（＞1100℃）的衬底上输送 硅的化合物（SiHCl3或SiCl4或SiH2Cl2等）利用氢（H2）在衬底上通过还原 反应析出硅的方法。
同时外延生长的重要特征之一是可以用任意浓度和导电类型的硅衬底上人 为的故意地进行掺杂，以满足器件花样众多的要求。
对硅片而言 吸附放热 ,解吸吸热。 按照被吸附的物质的存在状态，吸附在硅片表面的杂质可分为： 分子型，离子型和原子型三种。
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