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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，GaAsGaAlAs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,分类,根据生长的方法直接外延：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的能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长的方法。真空
2、淀积、溅射、升华间接外延：利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义称CVD，生长的薄膜是单晶的CVD称外延。根据向衬底输运外延材料原子的方法气相外延：常用，高温（800-1150）液相外延：应用于-化合物的外延层的制备固相外延：应用于离子注入后的热处理，注入后产生的非晶区通过固相外延转变为晶体,外延生长的特点,可以在低(高)阻衬底上外延生长高(低)阻外延层可以在P(N)型衬底上外延生长N(P)型外延层可进行选择性外延在外延过程中，可根据需要改变掺杂的种类及浓度可生长异质、多层、多组分化合物且组分可变的超薄层可进行低温外延可生长不能拉制单晶材料,外延层应满足的要求：,表面无缺陷晶体完整性好外
3、延层的本底杂质浓度要低对于异质结，外延层与衬底的组分间要突变，降低互扩散掺杂浓度要均匀外延层厚度要均匀埋层图形畸变要小外延片的直径尽可能要大对于化合物半导体外延层和异质外延稳定性要好,5.2 硅的气相外延,气相外延：是在高温下使挥发性强的硅源与氢气发生反应或热解，生成硅原子淀积在硅衬底上生长外延层原料 SiCl4、SiH2Cl2、 SiHCl3 、SiH4,设备,主要由四部分组成：氢气净化系统、气体输运和控制系统、加热设备、反应室 分类水平式立式（平板式、桶式）,工艺过程及动力学模型,工艺衬底制备加热温度通硅源和氢气控制时间以SiCl4例 SiCl42H2Si 4HCl,工艺生长过程：,反应物
4、气体混合向反应区输运反应物穿过边界层向衬底表面迁移反应物分子被吸附在高温衬底表面上在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体原子和气体副产物，原子在晶面移动进入晶格格点，实现晶体生长副产物气体从表面脱附并窜越边界层向主气流中扩散副产物和未反应物离开反应系统 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(格罗夫简单动力学模型、埃威斯登停滞层模型 ),格罗夫简单动力学模型CS生长表面上反应物的浓度CG主气流中反应物的浓
5、度F1从主气流流向衬底表面的粒子流密度（单位时间通过单位面积的分子数）F2外延反应消耗的反应物粒子密度 F1=hG (CG- CS) (5-4) F2=KsCS (5-5)hG 气相质量转移系数 KS 表面反应速率系数,在稳定条件下，F= F1 = F2 （5-8）当hG Ks ， CS 0 化学反应所需的反应物数量大于主气流输运到衬底表面的数量，生长速率受质量输运的速率的控制当hG Ks ， CS CG 主气流输运到衬底表面的反应物数量多于在该温度下表面，化学反应所需的反应物数量，生长速率受表面化学反应的速率的控制,生长速率,CT 气体每立方厘米的分子总数 Y反应物的摩尔分数 CG= CT
6、Y （5-9）(5-10)讨论：反应物的浓度对生长速率的影响 GY ， 与反应浓度较小的实验结果(图5-3)符合 。随着Y，G达最大值，随着Y，G,反应的温度对生长速率的影响(图5-4),在低温范围内：当hG Ks 生长速率受表面化学反应的速率KS的控制表面反应速率系数 T G 在高温范围内：当hG Ks 生长速率受质量输运的速率的控制气相质量转移系数 = 1.752 hG 随温度变化不大， G随温度变化小,气流速度对生长速率的影响,在反应物浓度和生长温度一定时，水平反应器中，生长速率基本上与总气体流速的平方成正比。对于立式反应器，在流速较低时，生长速率基本上与总气体流速的平方成正比，但流速超
7、过一定值后，生长速率达到稳定的极限值而不再增加。,边界层及特性,流体力学研究表明，当流体以速度0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0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 （5-1）,停滞层模型（图5-9）,生长速率 （5-21）P0反应物分压， 0气流的平均速率， x沿基座的距离 边界层厚度 （5-1） 0-1/2 G -1 01/2
8、;,讨论反应物的分压对生长速率的影响 G与分压p0成正比, p0 G 反应物的流速对生长速率的影响 0-1/2 0 G ,与图5-5 相符生长速率与沿基座的距离x有关 x G 引起衬底淀积不均匀,（5-21）,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） 0 G =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%,外延生长速率的影响因素,反应物的浓度对生长速率的影响 GY ， 与反应浓度较小的实验结果(图5-3)符合 。随着Y，G达最大值，随着YG反应的温度对生长速率的影响
9、 低温时， T G ；高温时T G变化不大(图5-4 )反应物的流速对生长速率的影响 0 G , G 0平方根，与图5-5 相符衬底晶向对生长速率的影响 ,5.3硅外延层电阻率的控制,外延层中的杂质与掺杂外延层中杂质的再分布外延层中的自掺杂,5.3.1外延层中的杂质与掺杂1.外延层中的杂质,N总=N衬底N扩散 N气 N基座 N系统N衬底由衬底中挥发出来的杂质在外延生长时掺入外延层中杂质浓度N扩散衬底中的杂质经过固相扩散进入外延层中的杂质浓度N气外延层中来自混合气体的杂质浓度N基座来自基座的杂质浓度N系统来自除上述因素以外整个生长系统引入的杂质浓度N气N基座N系统外掺杂 N扩散N衬底自掺杂 N气
10、起主导作用，其他会干扰电阻率的控制,5.3.1外延层中的杂质与掺杂2.外延层中的掺杂,N型掺杂剂：PCl3 AsCl3 SbCl3 AsH3P型掺杂剂：BCl3 BBr3 B2H6,5.3.2外延层中的杂质的再分布,在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，但其浓度不同。通常希望外延外延层和衬底之间界面处的掺杂浓度梯度很陡外延生长的温度较高，衬底中的杂质会扩散进入外延层，使外延层和衬底之间界面处的杂质浓度梯度变平，如图5-11,扩散效应：衬底中的杂质与外延层中的杂质，在外延生长时互相扩散，引起衬底与外延层界面附近的杂质浓度缓慢变化的现象自掺杂效应：衬底中的杂质进入气相
11、中再掺入外延层称为自掺杂效应,5.3.3外延层生长中的自掺杂,衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层称为自掺杂效应自掺杂效应产生的原因：在外延前热处理过程中，衬底中的杂质由正面和背面以元素形式进入气相中，在停滞层储存，在外延时掺入生长层。外延生长后衬底正面的杂质蒸发受限制，主要由衬底内扩散到背面，以元素形式蒸发而来如果使用卤化物硅源外延生长，产生大量副产物HCl，衬底中的杂质会生成相应的卤化物，进入停滞层，然后一部分被还原掺入外延层除了上述因素，由基座、反应室、气流系统的污染也能造成自掺杂,自掺杂效应产生的影响,使外延层电阻率控制受到干扰使衬底外延层界面处杂质分布变换造成器件特性偏离，可靠性降低,
12、抑制自掺杂的途径：,减少杂质从衬底逸出使用蒸发速度小的杂质做衬底和埋层中的杂质外延生长前高温加热衬底，使硅衬底表面附近形成一杂质耗尽层，再外延时杂质逸出速度减少自掺杂效应采用背面封闭技术采用低温外延和不含卤素的硅源采用二段外延生长 使已蒸发到气相中的杂质不再进入外延层（低压外延）,5.4 硅外延层的缺陷,分类：表面缺陷(宏观缺陷)云雾：表面呈乳白色条纹角锥体：又称三角锥亮点：乌黑发亮的小圆点，显微镜下呈小突起塌边：取向平面外延片的边缘比中间低形成斜平面划痕：机械损伤滑移线内部缺陷(微观缺陷)位错层错,内部缺陷(微观缺陷),位错：主要是原衬底位错延伸引入位错产生的原因：硅片上温度分布不均匀，产生
13、温度梯度使片子发生翘曲产生位错（采用红外辐射加热使基底和片子受热均匀）掺杂或异质外延是，由于杂质原子和硅原子的原子半径和晶格参数差异，引入内应力使外延片弯曲变形，产生位错（应力补偿在扩散或外延时同时引入两种杂质使它们产生应变正好相反，相互补偿，减少或避免晶格发生畸变）,层错,层错:由于外延层晶格与衬底晶格之间的失配所造成的。当硅原子在衬底上不完整区域成核淀积时，就可能破坏衬底原来的规则排列方式，而使外延层晶格和衬底晶格发生失配现象。（图5-16）,产生的原因：衬底表面的 损伤和玷污、掺杂剂不纯、晶格失配、生长速度过快等消除层错的方法：衬底无划痕、亮点、表面光洁，反应系统干净外延前进行气相抛光衬
14、底外延前热处理,层错是外延层的特征缺陷，本身不改变外延层的电学性质，但可引起扩散杂质分布不均，成为重金属杂质的凝聚中心,层错的产生大多在衬底和外延层的交界面产生，延伸到表面。外延层生长方向不同，在表面上所显露的缺陷图形也就不同。缺陷图形的边长与外延层的厚度之间存在一定的比例关系,根据层错可以估算、外延层的厚度 (111) 正四面体，表面等边三角形 d=0.816l(110)表面是两个方向相反的等腰三角形 d=0.577l(100)表面呈正方形 d=0.707l,5.5 硅的异质外延,SOS( Silicon On Sapphire 或 Silicon On Spinel )蓝宝石和尖晶石是良好
15、的绝缘体，以它们为衬底外延生长硅制作的集成电路，可以消除集成元件之间的相互作用，减少漏电流和寄生电容，增强抗辐射能力降低功耗。衬底材料的选择外延材料与衬底的相容性衬底对外延的玷污衬底与外延层的热膨胀系数相近,SOS的外延生长,与硅的同质外延相同，但自掺杂效应严重 SiCl42H2Si 4HCl Al2O3+2HCl+2H22AlCl(腐蚀衬底,产生缺陷)+3H2O 同时H2和淀积的硅对衬底有腐蚀作用，增加外延层的缺陷2H2+Al2O3 Al2O+ 2H2O 5Si +2Al2O3 Al2O+5SiO+2Al解决生长与腐蚀的矛盾，采取的方法：双速率生长两步外延,SOI(Silicon On In
16、sulator 或Semiconductor On Insulator),是指在绝缘层上生长一层具有一定厚度的单晶硅薄膜优点：由于是介质隔离，寄生电容小由于是介质隔离，降低噪声提高器件的抗辐射性能抑制了CMOS的闩锁效应,制备方法：,熔化横向法CVD横向生长注氧隔离：将氧离子注入Si中再经过高温退火形成掩埋SiO2 键合：不使用任何粘合剂，利用物理作用，将两种材料直接粘结在一起的技术摩托罗拉公司与2001年首次报道在直径300mmSi片上，采用分子束外延（MBE）生长出高质量的GaAs/Si异质外延材料，大幅度降低了GaAs外延层中的位错密度，并已用该材料制出了用于手机中的功率放大器等器件和电
17、路。,低压外延,为了减小自掺杂效应发展起来的一种外延工艺在低压（ ）下，气体分子密度变稀，分子的平均自由程增大，杂质的扩散速度加快，因此有衬底逸出的杂质能快速的穿过边界层被排除反应室，重新进入外延层的机会大大减小，降低了自掺杂效应对外延层中杂质浓度和分布的影响,选择外延（Selective Epitaxial Growth）,是指利用外延生长的基本原理，在特定的区域生长外延层而其他区域不生长的技术。原理：根据在SiO2上成核的可能性很小（异质外延），在Si上易成核（同质外延）的特性实现,选择外延三种类型,1.以硅为衬底，用SiO2或Si3N4为掩膜，利用光刻方法开出窗口，只在暴露出硅的窗口内进
18、行外延生长,2.以硅为衬底，用SiO2或Si3N4为掩膜，刻出窗口，在暴露出硅的衬底再刻出图形，然后再进行外延生长,3.在没有掩膜的硅衬底的凹陷处进行外延生长，也称在沟槽上外延。,分子束外延（Molecular Beam Epitaxy）,是一种在超真空下（1.3310-8Pa）的蒸发技术。它是利用蒸发源提供的定向分子束或原子束，撞击到衬底表面上生成外延层的工艺过程.（物理作用）应用于元素半导体、化合物半导体、合金、金属、氧化物的单晶生长,分子束外延MBE,MBE设备结构复杂，配置齐全，主要由超高真空系统、生长系统及测量、分析、监控系统组成。MBE的基本工作条件是获得和保持高真空，真空度可达1.3310-8Pa以上，降低了系统中的残余气体，保证了外延层的高纯度。,分子束外延MBE,特点：对层厚控制准确，可使生长的界面接近原子级陡度在进行掺杂时可以任意改变掺杂剂浓度、比例和种类，获得陡峭的杂质分布.有齐全的测量、分析、监控系统，可以获得高质量的外延层。生长温度低。可以减少系统中各元件放气所导致的污染，降低了扩散效应和自掺杂,思考题,外延的定义、分类、特点及对外延片的要求什么是外延层生长中的自掺杂效应、产生的原因、如何抑制外延层的缺陷的分类外延层中的层错和位错产生的原因和消除的方法异质外延（SOSSOI）分子束外延MBE选择外延的类型,
