外延技术a

生长过程：利用化学气体反应后产生硅原子吸附于基体表
面，并移动到适当的晶格位置生长而成。 常用的反应气体：SiCl4、SiHCl3、SiH2Cl2、SiH4等。
具体方法有以下两种： (1) 硅烷热分解 SiH4＝Si十2H2 优点：温度较低，可以在低达600℃下进行 缺点：均匀性差，无法避免均相成核形成的颗粒
本讲内容
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外延生长前处理——衬底清洗 硅外延（Epitaxial Si）生长 掺杂引入 外延生长缺陷 GaAs外延生长 金属有机物CVD 分子束外延生长 小结
衬底清洁：
目的：去除自然氧化物，残留杂质，颗粒等，产 生洁净的衬底表面 衬底表面可能的杂质：光刻胶残留物中的有机
掺杂气源：对于硅外延，最常用的是乙硼烷 (B2H6)，砷烷(AsH3)和磷烷(PH3)
影响因素：外延层掺杂浓度受通入反应腔中的气
体流量控制。在生长低掺杂层时为了获取低分压，
掺杂气体通常用氢进行稀释。
外延生长缺陷： 缺陷的危害性 1）缺陷位于有源区域，产生额外漏电，导致器件失
效。
2）缺陷捕获圆片中的其他杂质，间接造成失效。
•生长外延层有多种方法，但采用最多的是气相 外延工艺，常使用高频感应炉加热，衬底置于包 有碳化硅、玻璃态石墨或热分解石墨的高纯石墨 加热体上，然后放进石英反应器中，也可采用红 外辐照加热。 •为了克服外延工艺中的某些缺点，外延生长工 艺已有很多新的进展：减压外延、低温外延、选 择外延、抑制外延和分子束外延等。
对工艺的成功非常关键。氯硅烷是硅外延的主要反应
物，它可以在圆片表面均匀生长，亦可在介质的刻蚀 开窗中选择性地生长。由于缺少合适的无机镓气态源，
GaAs气体生长较为复杂。
可控的薄外延层生长技术，常常是以异质结构的 形式进行，其中的一些工艺可把生长厚度控制在原子
级的水平。这些方法可分为物理性的分子束外延以及
外延生长可分为多种
① 按照衬底和外延层的化学成分不同，可分为同质 外延和异质外延； ② 按照反应机理可分为利用化学反应的外延生长和 利用物理反应的外延生长； ③ 按生长过程中的相变方式可分为气相外延、液相 外延和固相外延等。
等离子增强CVD （PECVD) 快速热处理CVD （RTCVD) 金属有机物CVD （MOCVD) 超高真空CVD （UHVCVD) 激光、可见光、X射线 辅助CVD
化学气相沉积 （CVD）技术
外延生长
非CVD技术
分子束外延 成簇离子束外延
离子束外延
液相外延
ห้องสมุดไป่ตู้ 外延生长的类型：
气相外延（VPE，也叫热CVD）：利用硅的气态化
合物或液态化合物的蒸汽在衬底表面进行化学反应
生成单晶硅。是一种在IC制造中最普遍采用的硅外 延工艺。
液相外延：由液相直接在衬底表面生长外延层的方
浸泡10-15min，再经去离子水漂洗，最后用压缩氮气
干燥。其结果是在硅表面留下一层薄的不含金属离子 和有机物杂质的氧化层。
（3）自然氧化层的去除： a：于1000℃以上的高温，在氢气中预热，使原生二氧
化硅形成可挥发性的一氧化硅和水气，再同氯化氢气
体反应去除一层薄的硅以清除可能残留的杂质。 SiO2（s）+H2（g）＝SiO（g）+H2O（g） Si（s）+2HCl（g）＝SiCl2（g）+H2（g）
共度 不共度
膺晶
当吸附原子与吸附原了之间的互作用能小于吸附 原子与衬底材料的互作用能时，发生共度生长，在反 过来的情形下发生不共度生长。当两种能量相当，发 生膺晶生长。
典型例子： 不共度外延生长 1）蓝宝石上的硅生长 2）硅上的GaAs生长
膺晶外延生长 硅上外延生长GexSi1－x层，
金属有机物CVD：
通常用于高质量的 GaAs 外延生长，能够生成薄 的，原子级成分突变的极佳外延层
国内的外延片生长技术主要来源于美国，基本上
是进口美国的有机金属化学气相沉积（ MOCVD）设
备，这些设备在美国就不是一流的设备。
分子束外延技术(MBE)：
分子束外延生长技术实际上是一种超高真空 “蒸发”方法。即在 10 -10 ～ 10 -11 Torr 的超高真空 环境下，加热外延层组分元素使之形成定向分子 流，即分子束(这时真空度降至10-9Torr)，该分子 束射向具有一定温度的衬底 (一般为400一 800℃ ) ， 就淀积于衬底表面形成单晶外延层。生长速度一 般在0.01～0.3m／min之间。 分子束外延的优点是：外延层质量好，杂质 分布及外延层厚度均受控；但其生长速度慢，且 设备相当昂贵。
外延生长设备必须采用局部加热的方法，即只 在放硅衬底的位置加热。生产中常用高频加热方法： 硅衬底片放在具有一定电阻率的石墨板上，在石英 管外通过高频线圈施加高领电场使石墨感应加热， 另外还有一种红外加热的方法，将红外辐射直接聚
焦到放置硅片的衬底材料上，使其加热达到要求的
温度。
本讲小结
气相外延硅生长技术，腔体和生长气体的洁净度
每一步操作以在去离子水中的清洗结束。
b ：在高于 850℃以上的温度，在超高真空中用 Ar 溅射
或 Ar/H2 蚀刻使原生二氧化硅脱附，再高温退火以消 除产生的缺陷。
c：在稀释或缓冲的HF溶液中漂洗，时间小于10秒。
硅表面氧化物的去除检验：
脱水性检验法：裸硅表面水会很快流掉， 如果硅表面有氧化层，水流走得较慢，会有几分
化学性的有机金属CVD等。
本讲重点
•基本概念 • 外延生长，同质外延，共度 •重点理解 • 硅外延的制作工艺
(2) 硅氯化物在加热的硅衬底表面与氢气反应还原出
硅原子淀积在硅表面上。其反应为： SiCl4十2H2＝Si十4HCl 气体分子中氯原子的数目越少，所需的反应温度 越低，现在 SiH2Cl2 （ DCS ）成为普遍使用的反应源。
硅氯化物外延生长的可能机理： （1）氢控制机理：淀积速率受限于氢从圆片表面 释放的过程。在此模型中，大部分硅表面被 H 附着， 这些H必须在硅原子彼此结合之前从表面释放出来。 （2）HCl控制机理：低温下是HCl，而不是H的 解吸附是限制生长速度的过程。 （3）SiCl2物理吸附机理
2）电学方法：四探针测量法，C-V分析法， 扩展电阻法，染色法等
选择性生长 不问类型的衬底，外延生长晶粒的成核速 度遵循这样的次序，SiO2<Si3N4<Si
低压，SiH2Cl2与HCl的混合气体生长
GaAs外延生长：
条件：衬底温度650～800℃ 固体As＋H2需要800～850℃
异质外延：
3）缺陷将引起额外的杂质扩散，改变晶体管的特性。
缺陷种类 堆垛层错：最常见的外延硅生长缺陷，可以 通过清洗的改善而降低。 尖峰(Spike)：是外延层表面的突起 缺陷的数目和密度受生长过程个的各种条件影 响，如衬底温度，反应腔气压，反应生长物及圆片 表面清洗过程。
外延层厚度的测量
1）博里叶变换红外光谱法：常用方法
种在晶体基片上生长高质量的晶体薄膜的新技术。在超高真
空条件下，由装有各种所需组分的炉子加热而产生的蒸气， 经小孔准直后形成的分子束或原子束，直接喷射到适当温度
的单晶基片上，同时控制分子束对衬底扫描，就可使分子或
原子按晶体排列一层层地“长”在基片上形成薄膜。该技术 的优点是：使用的衬底温度低 (400-800℃) ，膜层生长速率 慢，束流强度易于精确控制，膜层组分和掺杂浓度可随源的 变化而迅速调整。用这种技术已能制备薄到几十个原子层的 单晶薄膜，以及交替生长不同组分、不同掺杂的薄膜而形成 的超薄层量子阱微结构材料。
钟的含水状态。对于有图形的圆片，若裸硅的面
积足够大，也可以用此法检验
• 硅外延（Epitaxial Si）生长
特点：缺陷少，性质佳，但制备温度最高，难度最高， 因此在工业应用上受限。 应用：生长较厚的膜（ 1-10μ m ）以在膜中制造二极 元件和CMOS元件，一般用在IC的最前段 。
反应器：依反应气体流通方向相对于硅片方向可以分 为水平式、垂直式、柱形。
外延生长分类
同质外延：外延层和衬底为同一材料。 异质外延：外延层和衬底是不同的材料。
外延层质量要求
外延生长与掺杂技术的目的类似，都是形成具 有一定导电类型和杂质浓度的半导体层，其质量 要求主要有下面几条： 1、具有一定的厚度，且厚度均匀。 2、掺杂浓度 ( 表现为电阻率 )均匀并符合设计 要求。 3 、位错、层错、麻坑、雾状缺陷、伤痕等缺 陷尽量少 4、杂质分布满足要求。
• 外延生长【epitaxial growth】 在单晶衬 底（基片）上生长一层有一定要求的、与 衬底晶向相同的一薄层单晶层的方法。 • 外延生长技术发展于20世纪50年代末60年 代初，为了制造高频大功率器件，需要减 小集电极串联电阻。
外延生长的最终目的是：沉积一层缺陷少， 且可控制厚度及掺入杂质的单晶薄膜
物，刻蚀产生的聚合物，一些金属颗粒，
氧化层等
衬底清洁方法：
湿法化学清洗（RCA清洗）：在一系列的溶液中浸泡。
（1）去除有机残留物：在氧化/缓冲溶液中去除，典型
的溶液是氨水、双氧水、水按5:1:1的体积比混合，在 清洗槽中70-80℃下进行。 （ 2 ）去除重碱离子和阳离子：在含卤素溶液中去除， 通常将水、盐酸、双氧水按 6:1:1混合加热到 75-80℃
法。一种比较粗糙的方法是把熔融的半导体物质注 入底层上，经过一段时间后结晶，然后把多于的液
体去除。 wafer 的表面可以重新研磨抛光形成外延
层。很明显这个liquid-phase epitaxy的缺点是重新 研磨的高成本和外延层厚度精确控制的难度。
分子束外延（MBE：molecular beam epitaxy ）：这是一
硅氯化物生长外延的技术难点： （1）外延生长与蚀刻的竞争
Si(s) 2HCl( g ) SiCl2 ( g ) H 2 ( g )
（2）均匀性问题：二维生长和三维生长
掺杂的引入：
有意识掺杂：可通过 在反应气体中增加氢 化物杂质掺杂源得到 掺杂外延层。
外延掺杂
无意识掺杂：衬底表 面的固态扩散和气相 中的自掺杂
原子层外延技术 采用分子束外延技术，虽然可以根据生长速度， 通过控制生长时间实现原子层膜厚的控制。但在这种 方法中，由于温度、气流、分子束强度等因素不可避 免地存在随机起伏，生长速度也随之变化，很难通过 控制时间来实现原子层级的膜厚控制。近几年出现的 原子层外延则比较好地解决了这一问题。该方法的核 心是实现了以原子层为单位的自限制生长机构。具体 做法是：在生长过程中，交替向外延反应室中提供Ⅲ 族和Ⅴ族气体源，使外延层只能以单层原子层的速率 生长，通过控制这种交替提供Ⅲ族和Ⅴ族气体源的次 数也就控制了生长的外延层中原子层的层数。