第五章硅外延生長

第五章硅外延生長5.1外延生長的概述定義:外延(epitaxy)：是在單晶襯底上，按襯底晶向生長一層單晶層的技術(shù)。新生單晶層按襯底晶相延伸生長，并稱此為外延層。長了外延層的襯底稱為外延片。分類根據(jù)結(jié)構(gòu)

同質(zhì)外延:外延層材料與襯底材料是同種材料，Si–Si,GaAs-GaAs

異質(zhì)外延:外延層材料與襯底材料不是是同種材料藍寶石上生長Si，GaAs—GaAlAs器件的應(yīng)用正向外延：器件制作在外延層上反向外延：器件制作在襯底上，外延層起支撐作用分類根據(jù)生長的方法直接外延：用加熱、電子轟擊或外加電場等方法使生長的材料原子獲得足夠的能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外延生長的方法。真空淀積、濺射、升華間接外延：利用化學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積生長外延層，廣義稱CVD，生長的薄膜是單晶的CVD稱外延。根據(jù)向襯底輸運外延材料原子的方法氣相外延：常用，高溫（800-1150℃）液相外延：應(yīng)用于Ⅲ-Ⅴ化合物的外延層的制備固相外延：應(yīng)用于離子注入后的熱處理，注入后產(chǎn)生的非晶區(qū)通過固相外延轉(zhuǎn)變?yōu)榫w外延生長的特點可以在低(高)阻襯底上外延生長高(低)阻外延層可以在P(N)型襯底上外延生長N(P)型外延層可進行選擇性外延在外延過程中，可根據(jù)需要改變摻雜的種類及濃度可生長異質(zhì)、多層、多組分化合物且組分可變的超薄層可進行低溫外延可生長不能拉制單晶材料外延層應(yīng)滿足的要求：表面無缺陷晶體完整性好外延層的本底雜質(zhì)濃度要低對于異質(zhì)結(jié)，外延層與襯底的組分間要突變，降低互擴散摻雜濃度要均勻外延層厚度要均勻埋層圖形畸變要小外延片的直徑盡可能要大對于化合物半導(dǎo)體外延層和異質(zhì)外延穩(wěn)定性要好5.2硅的氣相外延氣相外延：是在高溫下使揮發(fā)性強的硅源與氫氣發(fā)生反應(yīng)或熱解，生成硅原子淀積在硅襯底上生長外延層原料SiCl4、SiH2Cl2、SiHCl3、SiH4設(shè)備主要由四部分組成：氫氣凈化系統(tǒng)、氣體輸運和控制系統(tǒng)、加熱設(shè)備、反應(yīng)室分類水平式立式（平板式、桶式）工藝過程及動力學(xué)模型工藝襯底制備加熱溫度通硅源和氫氣控制時間以SiCl4例SiCl4＋2H2→Si＋4HCl↑工藝生長過程：反應(yīng)物氣體混合向反應(yīng)區(qū)輸運反應(yīng)物穿過邊界層向襯底表面遷移反應(yīng)物分子被吸附在高溫襯底表面上在襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成生長晶體原子和氣體副產(chǎn)物，原子在晶面移動進入晶格格點，實現(xiàn)晶體生長副產(chǎn)物氣體從表面脫附并竄越邊界層向主氣流中擴散副產(chǎn)物和未反應(yīng)物離開反應(yīng)系統(tǒng)

上述反應(yīng)是依次進行的，而總的生長速率將由最慢的一步?jīng)Q定

低溫時，在固—氣表面上的反應(yīng)慢，決定整個生長過程的速率——表面反應(yīng)控制過程在正常條件下，表面反應(yīng)很快，這時主氣流中的反應(yīng)物以擴散的方式輸運到表面的過程最慢——質(zhì)量輸運控制過程動力學(xué)模型

(格羅夫簡單動力學(xué)模型、

埃威斯登停滯層模型)格羅夫簡單動力學(xué)模型CS生長表面上反應(yīng)物的濃度CG主氣流中反應(yīng)物的濃度F1從主氣流流向襯底表面的粒子流密度（單位時間通過單位面積的分子數(shù)）F2外延反應(yīng)消耗的反應(yīng)物粒子密度F1=hG(CG-CS)(5-4)F2=KsCS

(5-5)hG氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)

KS表面反應(yīng)速率系數(shù)氣相外延層δCGCSF1F2在穩(wěn)定條件下，F(xiàn)=F1=F2（5-8）當hG?Ks，CS→0化學(xué)反應(yīng)所需的反應(yīng)物數(shù)量大于主氣流輸運到襯底表面的數(shù)量，生長速率受質(zhì)量輸運的速率的控制當hG?Ks，CS→CG主氣流輸運到襯底表面的反應(yīng)物數(shù)量多于在該溫度下表面，化學(xué)反應(yīng)所需的反應(yīng)物數(shù)量，生長速率受表面化學(xué)反應(yīng)的速率的控制生長速率CT氣體每立方厘米的分子總數(shù)Y反應(yīng)物的摩爾分數(shù)CG=CTY

（5-9）(5-10)討論：反應(yīng)物的濃度對生長速率的影響G∝Y，與反應(yīng)濃度較小的實驗結(jié)果(圖5-3)符合。隨著Y↑，G達最大值，隨著Y↑，G↓反應(yīng)的溫度對生長速率的影響(圖5-4)

在低溫范圍內(nèi)：當hG?Ks

生長速率受表面化學(xué)反應(yīng)的速率KS的控制表面反應(yīng)速率系數(shù)

T↑G

↑

在高溫范圍內(nèi)：當hG?Ks

生長速率受質(zhì)量輸運的速率的控制氣相質(zhì)量轉(zhuǎn)移系數(shù)

α=1.75~2hG隨溫度變化不大，G隨溫度變化小氣流速度對生長速率的影響在反應(yīng)物濃度和生長溫度一定時，水平反應(yīng)器中，生長速率基本上與總氣體流速的平方成正比。對于立式反應(yīng)器，在流速較低時，生長速率基本上與總氣體流速的平方成正比，但流速超過一定值后，生長速率達到穩(wěn)定的極限值而不再增加。邊界層及特性流體力學(xué)研究表明，當流體以速度υ0流過一平板上時，由于流體與平板間的摩擦力，在外延的情況下就是氣流與基座之間的摩擦力，使緊貼基座表面的流體的流速為零，而離開表面時，基座表面的影響逐漸減弱，達到某一距離后，流體仍以速度υ0繼續(xù)向前流動。在接近基座表面的流體中就出現(xiàn)一個流體速度受到干擾而變化的薄層，而在此薄層外的流速則不受影響，稱此薄層為邊界層（停止層、滯留層）邊界層的厚度

（5-1）

停滯層模型（圖5-9）生長速率（5-21）P0反應(yīng)物分壓，υ0氣流的平均速率，x沿基座的距離δ邊界層厚度（5-1）δ∝υ0-1/2G∝δ-1

∝υ01/2;

討論反應(yīng)物的分壓對生長速率的影響G與分壓p0成正比,p0↑G↑反應(yīng)物的流速對生長速率的影響

δ∝υ0-1/2υ0

↑

δ↓

G↑,與圖5-5相符生長速率與沿基座的距離x有關(guān)x↑G↓引起襯底淀積不均勻（5-21）為了使基座上所有的襯底都能均勻淀積，埃威斯登提出將基座傾斜一個小的角度。（圖5-10）υ0

↑

δ↓

G↑Φ=2.9°時，實驗結(jié)果表明：氣流速度較低時，生長速率仍然沿其基座長度方向降低，如氣流適當，在基座80%的位置上生長速率波動小于2%外延生長速率的影響因素反應(yīng)物的濃度對生長速率的影響G∝Y，與反應(yīng)濃度較小的實驗結(jié)果(圖5-3)符合。隨著Y↑，G達最大值，隨著Y↑G↓反應(yīng)的溫度對生長速率的影響

低溫時，T↑G

↑；高溫時T↑G變化不大(圖5-4)反應(yīng)物的流速對生長速率的影響υ0

↑

δ↓

G↓,G∝υ0平方根，與圖5-5相符襯底晶向?qū)ιL速率的影響<100>＞<110>＞<111>5.3硅外延層電阻率的控制外延層中的雜質(zhì)與摻雜外延層中雜質(zhì)的再分布外延層中的自摻雜5.3.1外延層中的雜質(zhì)與摻雜

1.外延層中的雜質(zhì)N總=N襯底±N擴散±N氣±N基座±N系統(tǒng)N襯底由襯底中揮發(fā)出來的雜質(zhì)在外延生長時摻入外延層中雜質(zhì)濃度N擴散襯底中的雜質(zhì)經(jīng)過固相擴散進入外延層中的雜質(zhì)濃度N氣外延層中來自混合氣體的雜質(zhì)濃度N基座來自基座的雜質(zhì)濃度N系統(tǒng)來自除上述因素以外整個生長系統(tǒng)引入的雜質(zhì)濃度N氣N基座N系統(tǒng)——外摻雜N擴散N襯底——自摻雜

N氣起主導(dǎo)作用，其他會干擾電阻率的控制5.3.1外延層中的雜質(zhì)與摻雜

2.外延層中的摻雜N型摻雜劑：PCl3AsCl3SbCl3AsH3P型摻雜劑：BCl3BBr3B2H65.3.2外延層中的雜質(zhì)的再分布在外延層中含有和襯底中的雜質(zhì)不同類型的雜質(zhì)，或者是同一種類型的雜質(zhì)，但其濃度不同。通常希望外延外延層和襯底之間界面處的摻雜濃度梯度很陡外延生長的溫度較高，襯底中的雜質(zhì)會擴散進入外延層，使外延層和襯底之間界面處的雜質(zhì)濃度梯度變平，如圖5-11擴散效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)，在外延生長時互相擴散，引起襯底與外延層界面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變化的現(xiàn)象自摻雜效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)進入氣相中再摻入外延層稱為自摻雜效應(yīng)5.3.3外延層生長中的自摻雜襯底中的雜質(zhì)進入氣相中再摻入外延層稱為自摻雜效應(yīng)自摻雜效應(yīng)產(chǎn)生的原因：在外延前熱處理過程中，襯底中的雜質(zhì)由正面和背面以元素形式進入氣相中，在停滯層儲存，在外延時摻入生長層。外延生長后襯底正面的雜質(zhì)蒸發(fā)受限制，主要由襯底內(nèi)擴散到背面，以元素形式蒸發(fā)而來如果使用鹵化物硅源外延生長，產(chǎn)生大量副產(chǎn)物HCl，襯底中的雜質(zhì)會生成相應(yīng)的鹵化物，進入停滯層，然后一部分被還原摻入外延層除了上述因素，由基座、反應(yīng)室、氣流系統(tǒng)的污染也能造成自摻雜自摻雜效應(yīng)產(chǎn)生的影響使外延層電阻率控制受到干擾使襯底外延層界面處雜質(zhì)分布變換造成器件特性偏離，可靠性降低抑制自摻雜的途徑：減少雜質(zhì)從襯底逸出使用蒸發(fā)速度小的雜質(zhì)做襯底和埋層中的雜質(zhì)外延生長前高溫加熱襯底，使硅襯底表面附近形成一雜質(zhì)耗盡層，再外延時雜質(zhì)逸出速度減少自摻雜效應(yīng)采用背面封閉技術(shù)采用低溫外延和不含鹵素的硅源采用二段外延生長使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)不再進入外延層（低壓外延）5.4硅外延層的缺陷分類：表面缺陷(宏觀缺陷)云霧：表面呈乳白色條紋角錐體：又稱三角錐亮點：烏黑發(fā)亮的小圓點，顯微鏡下呈小突起塌邊：取向平面外延片的邊緣比中間低形成斜平面劃痕：機械損傷滑移線內(nèi)部缺陷(微觀缺陷)位錯層錯內(nèi)部缺陷(微觀缺陷)

位錯：主要是原襯底位錯延伸引入位錯產(chǎn)生的原因：硅片上溫度分布不均勻，產(chǎn)生溫度梯度使片子發(fā)生翹曲產(chǎn)生位錯（采用紅外輻射加熱使基底和片子受熱均勻）摻雜或異質(zhì)外延是，由于雜質(zhì)原子和硅原子的原子半徑和晶格參數(shù)差異，引入內(nèi)應(yīng)力使外延片彎曲變形，產(chǎn)生位錯（應(yīng)力補償——在擴散或外延時同時引入兩種雜質(zhì)使它們產(chǎn)生應(yīng)變正好相反，相互補償，減少或避免晶格發(fā)生畸變）層錯層錯:由于外延層晶格與襯底晶格之間的失配所造成的。當硅原子在襯底上不完整區(qū)域成核淀積時，就可能破壞襯底原來的規(guī)則排列方式，而使外延層晶格和襯底晶格發(fā)生失配現(xiàn)象。（圖5-16）產(chǎn)生的原因：襯底表面的損傷和玷污、摻雜劑不純、晶格失配、生長速度過快等消除層錯的方法：襯底無劃痕、亮點、表面光潔，反應(yīng)系統(tǒng)干凈外延前進行氣相拋光襯底外延前熱處理層錯是外延層的特征缺陷，本身不改變外延層的電學(xué)性質(zhì)，但可引起擴散雜質(zhì)分布不均，成為重金屬雜質(zhì)的凝聚中心層錯的產(chǎn)生大多在襯底和外延層的交界面產(chǎn)生，延伸到表面。外延層生長方向不同，在表面上所顯露的缺陷圖形也就不同。缺陷圖形的邊長與外延層的厚度之間存在一定的比例關(guān)系根據(jù)層錯可以估算、外延層的厚度(111)

正四面體，表面等邊三角形

d=0.816l(110)表面是兩個方向相反的等腰三角形

d=0.577l(100)表面呈正方形

d=0.707l5.5硅的異質(zhì)外延SOS(SiliconOnSapphire或SiliconOnSpinel)藍寶石和尖晶石是良好的絕緣體，以它們?yōu)橐r底外延生長硅制作的集成電路，可以消除集成元件之間的相互作用，減少漏電流和寄生電容，增強抗輻射能力降低功耗。襯底材料的選擇外延材料與襯底的相容性襯底對外延的玷污襯底與外延層的熱膨脹系數(shù)相近SOS的外延生長與硅的同質(zhì)外延相同，但自摻雜效應(yīng)嚴重

SiCl4＋2H2→Si＋4HCl↑Al2O3+2HCl+2H2＝2AlCl(腐蝕襯底,產(chǎn)生缺陷)+3H2O同時H2和淀積的硅對襯底有腐蝕作用，增加外延層的缺陷2H2+Al2O3＝

Al2O+

2H2O5Si+2Al2O3＝

Al2O+5SiO+2Al解決生長與腐蝕的矛盾，采取的方法：雙速率生長兩步外延SOI(SiliconOnInsulator

或SemiconductorOnInsulator)是指在絕緣層上生長一層具有一定厚度的單晶硅薄膜優(yōu)點：由于是介質(zhì)隔離，寄生電容小由于是介質(zhì)隔離，降低噪聲提高器件的抗輻射性能抑制了CMOS的閂鎖效應(yīng)制備方法：熔化橫向法CVD橫向生長注氧隔離：將氧離子注入Si中再經(jīng)過高溫退火形成掩埋SiO2鍵合：不使用任何粘合劑，利用物理作用，將兩種材料直接粘結(jié)在一起的技術(shù)摩托羅拉公司與2001年首次報道在直徑300mmSi片上，采用分子束外延（MBE）生長出高質(zhì)量的GaAs/Si異質(zhì)外延材料，大幅度降低了GaAs外延層中的位錯密度，并已用該材料制出了用于手機中的功率放大器等器件和電路。低壓外延為了減小自摻雜效應(yīng)發(fā)展起來的一種外延工藝在低壓（１×１０３～２×１０４Ｐａ）下，氣體分子密度變稀，分子的平均自由程增大，雜質(zhì)的擴散速度加快，因此有襯底逸出的雜質(zhì)能快速的穿過邊界層被排除反應(yīng)室，重新進入外延層的機會大大減小，降低了自摻雜效應(yīng)對外延層中雜質(zhì)濃度和分布的影響選擇外延ＳＥＧ

（SelectiveEpitaxialGrowth）是指利用外延生長的基本