外延生长讲义
Ch.14 : Epitaxial Growth
CONTROL
BY Growth temperature Gas flow rate- Flowmeter Source temperature Flux cutoff – valves/shutters X-tal orientation Geometry/ Environment Source/Gas purity Precleaning OF Thickness Composition Throughput (growth rate) Uniformitiy Doping concentration Junctions (X-tal) Quality, defects Reproducibility
TYPE OF CONTROL MASS TRANSFER TYPE 1 Inpu Rate Limited Equilibrium Process MASS TRANSFER TYPE 2 Diffusion Controlled Mass Transfer Limited
RATE LIMITING STEPS Input rate of reactants to epitaxial growth region
Micro and Nano- Processing Technologies
EPITAXIAL GROWTH
Mahdad Sadeghi
mahdad.sadeghi@mc2.chalmers.se 031-7721902
VT 2004/5; Micro and NanoProcessing Technologies
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Major CVD Processes
• Reactants diffuse to surface • Chemical reaction(s) at surface • Film reformed at surface • Products desorbed and diffuse from surface
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CVD Applications
• Thin insulating films oxides, silicon nitride • Polysilicon (gates/conductors) • Epitaxial silicon (single crystal on wafer) • Silicide materials • III-V compounds
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CVD Important film parameters • Stoichiometery: exact composition of film • Physical parameters: hardness, optical density • Electrical parameters: dielectric constant, breakdown voltage • Purity of film: lack of contamination • Thickness and uniformity • Conformality and step coverage • pin hole and particle free • Adhesion
SURFACE DIFFUSION SRFACE REACTION SUBSTRATE
Sequence of events in thermal CVD or VPE reactor
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CARRIER GAS + REACTANTS CARRIER GAS + UNREACTED REACTANTS + PRODUCTS
TRANSFER OF REACTANTS TO SURFACE
ADSORPTION OF REACTANTS
DESORPTION OF PRODUCTS
TRANSFER OF PRODUCTS TO MAIN FLOW
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KINETICS (Chemical Control, Surface Limited) Rate increases exponentially with increasing temperature Independent
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Chemical Vapour Deposition (CVD)
Chemical reactions (Gas phase reactions) in a reactor to create a thin film layer at surface
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Four main CVD Reactions
• Pyrolysis: heat driven break down • Reduction: usually react with Hydrogen • Oxidation: react with oxygen to form oxides • Nitradation: create nitrides with nitrogen compounds
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LPE GaAs/AlGaAs InP+related 750825oC 600660oC
VPE 500650oC
MBE 600700oC 480560oC
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EXPERIMENTAL PARAMETERS Growth temperature
MASS TRANSPORT TYPE 1 (Eqm. process) Dependence predicted by thermodynamics Rate increases with total flow rate due to increase in total mass input rate Independent Independent Independent Total amount deposited independent of surface area
Epitaxy techniques - the spectrum of options
Chemical Vapour Deposition (CVD) • Atmospheric pressure – APCVD • Low pressure CVD – LPCVD • Plasma enhanced CVD – PECVD Vapor phase Epitaxy (hydrodynamic flow) • Hydride • Chlorine Metallo-Organic CVD (MOCVD) Liquid Phase Epitaxy Molecular Beam Epitaxy (MBE) (ballistic flow) • Solid source • Gas source • Chemical beam • Organo-metallic source
Transfer of reactants or products between main gas streaqm and sbstrate surface by physical processes such as diffusion or convection Adsorption of reactants Desorption of products Surface reaction Site incorporation
MASS TRANSPORT TYPE 2 (Diffusion control) Slight dependence due to concentration gradient changes Rate increases with flow rate increase Rate increases with increasing veocity Independent Dependent Dependent on apparent or geometrical surface area
Kinetics Control Surface Limited Chemically Controlled
After D.W. Shaw, Mechanisms in Vapour Phase epitaxy of Semiconducors, Crystal Growth Vol1, Ed. C.H.L. Goodman, Plenum press, NY, 174 VT 2004/5; Micro and NanoProcessing Technologies
第六章外延生长
3、超饱和度（supersaturation）模型 超饱和度（supersaturation）
(1) 超饱和度的定义： 超饱和度的定义：
当超饱和度为正 当超饱和度为正时，系统为超饱和，—— 外延生长； 外延生长； 系统为超饱和， 当超饱和度为负 当超饱和度为负时，系统不饱和， 系统不饱和， —— 刻蚀过程。 刻蚀过程。
d. 其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、离子束外延等等 其他：RTCVD外延 UHVCVD外延 外延、 外延、
3、 外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构（组分）、厚度、 外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构 组分）、厚度、 晶体结构（ ）、厚度
杂质种类及掺杂分布
(1) 双极工艺：器件隔离、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾 双极工艺：器件隔离、 (2) CMOS工艺：减小闩锁（Latch-up）效应 CMOS工艺 减小闩锁（Latch-up） 工艺： (3) GaAs工艺：形成特定的器件结构层 GaAs工艺 形成特定的器件结构层 工艺： (4) 其他：制作发光二极管、量子效应器件等 其他：制作发光二极管 量子效应器件等 发光二极管、
超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气 超饱和度模型未能预测， 相质量输运限制的。 质量输运限制的
c. 超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式 超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（
有关）。 有关）。
4、薄膜生长的三种模式： 薄膜生长的三种模式：
(1) 逐层生长（ 逐层生长（Layer Growth） 理想的外延生长模式 Growth）
该临界尺寸可写为： 该临界尺寸可写为：
其中，U 是表面的界面自由能，V 是原子体 其中， 是表面的界面自由能， 积， σ0 是反应剂的分气压与平衡气压的比 值（称为饱和度）。 称为饱和度 饱和度）。
外延生长讲义
KINETICS (Chemical Control, Surface Limited) Rate increases exponentially with increasing temperature Independent
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Four main CVD Reactions
• Pyrolysis: heat driven break down • Reduction: usually react with Hydrogen • Oxidation: react with oxygen to form oxides • Nitradation: create nitrides with nitrogen compounds
TYPE OF CONTROL MASS TRANSFER TYPE 1 Inpu Rate Limited Equilibrium Process MASS TRANSFER TYPE 2 Diffusion Controlled Mass Transfer Limited
RATE LIMITING STEPS Input rate of reactants to epitaxial growth region
液相外延实验讲义
液相外延实验外延生长是半导体材料和器件制造的重要工艺。
从饱和溶液中在单晶衬底上生长外延层的方法称液相外延（Liquid Phase Epitaxy，LPE）。
例如，GaAs外延层就可从以Ga为溶剂、As为溶质的饱和溶液中生长出来。
液相外延方法是在1963年由纳尔逊（Nelson）提出的。
与其他外延技术相比，液相外延有以下优点：1．生长设备比较简单；2．生长速率快；3．外延材料纯度比较高；4．掺杂剂选择范围较广泛；5．外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低；6．成分和厚度都可以比较精确的控制，重复性好；7．操作安全，没有汽相外延中反应气体和反应产物所造成的高毒、易燃、易爆和强腐蚀等危险。
液相外延技术的出现，对于化合物半导体材料和器件的发展起了重要的推动作用。
目前这一技术已广泛用于生长GaAs、GaAlAs、GaP、InP、GaInAsP等半导体材料和制作发光二极管、激光二极管、太阳能电池、微波器件等。
液相外延的最大缺点是当外延层与衬底的晶格失配大于1%时生长发生困难。
其次，由于生长速率较快，难以得到纳米厚度的外延材料。
此外，外延层的表面形貌一般不如汽相外延的好。
一、实验目的：1．了解液相外延生长技术的基本原理和设备构成；2．学会使用液相外延生长装置制备适用于光电子器件制作的多层化合物半导体材料；二、实验仪器：1．TG332-A型微量天平。
用于生长源称量，使用说明书见附件1；2．由UJ31型低电势直流电位差计、AC15/1型直流复射式检流计、标准电池和甲电池以及铂铑热电偶组成的测温装置，用以生长温度监测；3．J WC-10型精密液相外延系统，由以下主要部分组成：1）可编程精密自动温控仪；2）轨道滑动炉体及支撑架；3）石英生长室（反应管）；4）水平滑动石墨生长舟和石英舟托；5）不锈钢密封接口和推动装置；6）有机玻璃操作箱及支撑架；7）机械真空泵；8）氢气管路及控制阀；9）B G-5型氢气净化仪。
整套系统配置示意图如图1所示，使用说明书见附件2。
外延生长原理概述
外延生长原理概述1. 引言外延生长原理是材料科学与工程领域一个重要的概念，它在材料的生长和形态控制方面起着关键作用。
本文将对外延生长原理进行概述，从基本原理到应用案例，以帮助读者更全面、深刻地理解这个概念。
2. 外延生长原理的基本概念外延生长是指在固体表面上沉积出与基底晶体结构相同的新晶体层的过程。
这种生长方式通常需要在高温条件下进行，通过在基底表面提供适当的气氛和材料源，使新晶体层的原子能够以正确的方式沉积在基底上。
外延生长可以实现单晶材料的制备，并且具有高结晶质量和较低的缺陷密度。
3. 外延生长的关键影响因素外延生长的过程受到多种因素的影响。
其中，温度、气氛、材料源和基底表面的结构是影响外延生长质量和形态控制的关键因素。
适当的温度控制可以提供足够的能量使原子沉积，同时避免过快或过慢的生长。
气氛和材料源的组成和流量可以调节原子的供应和表面反应速率，从而影响沉积速度和杂质控制。
基底表面的结构和取向对晶体生长的方向和取向有重要影响。
4. 外延生长的应用案例外延生长在半导体器件和光电子器件制造中具有广泛的应用。
外延生长被用于制备各种半导体材料如硅、镓化合物和氮化物等的薄膜和异质结构。
通过控制外延生长的条件和参数，可以实现不同的材料和结构，从而满足不同器件的需求。
外延生长还用于制备纳米材料、量子结构和超晶格等功能材料，以及太阳能电池、激光器和传感器等光电子器件。
5. 总结和回顾外延生长是一种重要的材料生长技术，具有广泛的应用前景。
本文概述了外延生长原理的基本概念、关键影响因素和应用案例。
通过深入探讨这些方面，我希望读者能够更全面、深刻地理解外延生长原理，并认识到它在材料科学与工程中的重要性和潜力。
意见和观点：外延生长技术作为一种重要的材料制备技术，在现代科技发展中发挥着关键的作用。
通过外延生长，可以获得高质量和精密控制的薄膜和异质结构，为各种器件的制备和性能提升提供了重要手段。
随着新材料的不断涌现和对功能材料的需求增加，外延生长技术将继续发展壮大，并为科学研究和技术创新提供更广阔的空间。
第六章外延生长ppt课件
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
四、硅的气相外延工艺
1、 反应原理：
外延工艺一般在常压下进行
氢还原反应：
硅烷分解反应：
2、 影响外延生长速率的主要因素：
反应温度、反应剂浓度、气体流速、反应腔形状结构、 衬底晶向等。
（以硅外延为例）
1、Deal 模型： 与氧化模型类似，假设粒子穿过气体边界层的流量
与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。
其中，hg是质量传输系数，Ks是表面反应速率系数，Cg和Cs分别是 气流中和圆片表面的反应剂浓度。
外延薄膜生长速率可写为：
其中，N是硅原子密度（5×1023cm-3）除以反应剂分子中的硅原子数。
杂质种类及掺杂分布
(1) 双极工艺：器件隔离、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾 (2) CMOS工艺：减小闩锁（Latch-up）效应 (3) GaAs工艺：形成特定的器件结构层 (4) 其他：制作发光二极管、量子效应器件等
二、气相外延生长的热动力学 篮球比赛是根据运动队在规定的比赛时间里得分多少来决定胜负的，因此，篮球比赛的计时计分系统是一种得分类型的系统
2)
篮球比赛是根据运动队在规定的比赛 时间里 得分多 少来决 定胜负 的，因 此，篮 球比赛 的计时 计分系 统是一 种得分 类型的 系统
硅烷热分解（600～800℃）中的同质化学反应
a. 总反应式：
优点：可在低温下进行反应 缺点：气相成核严重，严重影响薄膜质量
b. 气相成核速率：随SiH4分气压提高而急剧上升。
c. 生长速率(在反应速率限制区)，
其中的c1和c2分别是正向反应速率系数
第五章--硅和硅基薄膜的外延生长上课讲义
第五章硅和硅基薄膜的外延生长5．1 概述外延生长(通常亦简称外延)是半导体材料和器件制造的重要工艺之一，它的应用和发展对于提高半导体材料的质量和器件的性能，对于新材料、新器件的开发，对于半导体科学的发展都具有重要意义。
所谓外延生长就是在一定条件下，在经过仔细制备的单晶衬底上，沿着原来的结晶方向生长出一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构、完整性等都符合要求的新单晶层的工艺过程。
所生长的单晶层称为外延层。
外延生长同从熔体中直接生长一样都是制备半导体材料单晶的方法，但相比之下外延生长有它一些特殊的优点：(1)利用外延生长可以在一块低电阻率的衬底上生长出一层很薄的高电阻率的外延层，然后把器件制作在外延层上，解决了高频大功率晶体管要求高的击穿电压和低的饱和压降之间的矛盾。
(2)可进行选择性外延生长，为集成电路和某些特殊结构器件的研制提供了便利条件。
(3)外延技术可以控制外延层中的杂质分布。
(4)采用适当的外延技术可以生长异质、薄层、超薄层组分可变的外延层，为制造多层异质结构器件提供了条件。
(5)可在低于衬底熔点的温度下制备半导体薄膜。
外延生长分类的方法很多，从不同的角度有不同的分类方法，主要有以下四种分类方法：(1)根据外延层在器件制作过程中的作用可分为正外延和反外延。
如果器件直接制作在外延层上，则这种外延技术称为正外延；如果器件制作在衬底上，而外延层只起支撑和隔离作用，则这种外延技术称为反外延。
(2)根据衬底和外延层材料是否相同又可分为同质外延和异质外延。
如果衬底和外延层属于同一种材料则称为同质外延，否则称为异质外延。
(3)根据在生长过程中向衬底输送原子的方法不同可分为气相处延、液相外延和固相外延。
(4)根据生长机理的不同可分为直接外延生长和间接外延生长。
不经过中间化学反应，原子从源直接转移到衬底上形成外延层的外延生长称为直接外延生长；生长外延层所需要的原子或分子是由含有该组分的化合物，通过还原、热分解、歧化等化学反应而得，则这种外延生长称为间接外延生长。
第五章硅外延生长
5-5硅的异质外延
• 在蓝宝石、尖晶石衬底上进行硅的SOS外延生长 和在绝缘衬底上进行硅的SOI异质外延。 • SOS :Silicon on Sapphire Silicon on Spinel 在单晶绝缘衬底蓝宝石（α－AI2O3）或尖晶石 (MgO. AI2O3)上外延生长硅 • SOI: Silicon on Insulator Semiconductor On insulator
• 星形线（滑移线）：
35
5－4－2外延层的内部缺陷
• 层错
层错形貌分为单线，开口，正三角形，套叠三角形 和其他组态
• 位错
外延层中的位错主要是由于原衬底位错延伸引入的 另外可能是由于掺杂和异质外延时，由于异类原 子半径的差异或两种材料晶格参数差异引入内应力。 例如在Si中掺B,P,它们的半径比Si小，它们占据硅的位 置时，Si的点阵会发生收缩；当掺入AL,Sb等比Si半 径大的原子时，Si点阵会发生扩张。也就是产生晶格 点阵的失配。
气相外延、液相外延、固相外延、
对于硅外延，应用最广泛的是气相外延
以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体, 在一定的保护气氛下反应生成硅原子并沉积在 加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等
5
6
5.2硅Байду номын сангаас气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚
40
2.SOS外延生长
• 存在问题：自掺杂效应 衬底表面的反应：AL2O3+2HCL+H2=2ALCL↑+3H2O
铝的低价氯化物为气体，它使衬底被腐蚀，导致外延层产 生缺陷。 氢气和淀积的硅也会腐蚀衬底
半导体材料外延生长精品PPT课件
不同厂家和研究者所生产或组装的MOVPE设备往往是不同的，但 一般来说，都由以下几部分组成：
Ⅱ族金属有机化合物一般使用它们的烷基化合物，如Ga、 Al、In、Zn、Cd等的甲基或乙基化合物：Ga(CH3)3、 Ga(C2H5)3等，
金属有机化合物的名称及其英文缩写
三甲基镓 三甲基铟 三甲基铝 三乙基镓 三乙基铟 二甲基锌 二乙基锌 二甲基镉 二乙基镉
Tri-methyl-gallium TMG．TMGa
卤化物法外延生长GaAs
Ga/AsCl3/H2体系气相外延原理及操作
高纯H2经过AsCl3鼓泡器，把AsCl3蒸气携带入反应室中，它们在 300~500℃的低温就发生还原反应，
4AsCl3 + 6H2 = As4 + 12 HCl 生成的As4和HCI被H2带入高温区(850℃)的Ga源(也称源区)处，As4 便溶入Ga中形成GaAs的Ga溶液，直到Ga饱和以前，As4不流向后 方。
半导体材料
III-V族化合物半导体的外延生长
第七章 III-V族化合物半导体的外延生长
内容提要：
气相外延生长VPE 卤化物法 氢化物法 金属有机物气相外延生长MOVPE
液相外延生长LPE 分子束外延生长MBE
气相外延生长
气相外延生长(vapor phase epitaxy, VPE) 发展较早，主要有以下三种方法： 卤化物法 (Ga/AsCl3/H2体系) 氢化物法 (Ga/HCl/AsH3/H2体系) 金属有机外延法
金属有机物化学气相沉积(Metal Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)自20世 纪60年代首次提出以来，经过70年代至80年代的 发展，90年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子 材料外延片制备的核心生长技术，特别是制备氮 化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法。
微细加工技术06外延生长
第六章 外延生长（epitaxy growth）§6.1引言6.1.1外延生长外延生长实质上是一种材料科学的薄膜加工方法，其含义是：在一个单晶的衬底上，定向地生长出与基底晶态结构相同或类似的晶态薄层。
外延生长过程中，一般要求能控制生长的结晶取向和杂质的含量，是产生具有特殊物理性质的半导体薄膜层的重要方法。
在硅IC集成技术中，与扩散方法相比，它不需很长的扩散时间，还能产生均匀的掺杂层。
在GaAs等新IC和集成光学技术中，它更是产生特殊的纳米厚度多层结构，包括异质结、超晶格、量子阱等的重要手段。
下图为外延生长技术制备的单量子阱和多量子阱激光器的结构原理图例。
图6.1 外延技术形成的单量子阱和多单量子阱结构根据外延生长物质的来源，外延分汽相外延与液相外延两种。
在微电子与光电子技术中，以汽相外延为主。
又可根据汽相外延过程的性质，分为以物理过程为主的（典型例子是分子束外延－MBE ），和以基于化学反应过程的化学汽相外延（典型例子是金属有机物化学汽相外延生长－MOVPE ）。
现代的外延生长主要是汽相生长。
在汽相外延生长过程中，汽相原子的凝结（淀积）与蒸发是相逆的两个环节。
沉积到固体表面的原子经历的不是一个简单的过程。
它可能被固体表面粘附、沿表面扩散和迁移，还可能从固体表面再蒸发出去。
如果一个原子入射到表面，并且没有足够的、向外运动的动量，它就停留在表面上，称为粘附。
否则，这个原子具有足够的能量和向外运动的动量，则发生再蒸发。
粘附的原子可能再蒸发，其间有一个停留时间。
在此时间范围，它可能迁徙运动到合适的晶格位置，自由粘附的原子才对薄膜的生长做出贡献。
粘附原子数目与入射原子的数目比值，称为粘附系数。
在温度高于某个临界的温度，或基片表面前汽相原子的密度低于某个临界值时，以再蒸发为主，就不可能淀积成膜。
临界温度和临界密度的关系是：()224.710exp 2800/c c n T =×−基片的温度低于临界温度，或蒸汽密度高于临界密度时，以凝结为主，但一般也不是100％凝结，有一个小于1的凝结（粘附）系数α。
精选工艺晶体外延生长技术课件
第8章： 晶体外延生长技术
第9章：薄膜物理淀积技术
第10章：薄膜化学汽相淀积
第8章： 晶体外延生长技术
为什么需要外延？1）双极分离器件（如：大功率器件的串联电阻问题）2）双极IC（隔离与埋层问题）3）化合物半导体器件及超晶格的异质结问题4）MOS集成电路 Chapter 14
配以RHEED、Auger（AES）进行原位监测；是一超高真空（UHV）系统（10-12~ 10-6 Torr）；衬底温度低<500°C精度高，但生长速率低，成本高
可以控制到单原子层
2)MOVPE(Metal-organic vapor phase epitaxy) 金属氧化物分解 (375~380) 如：三甲基铟、镓（ＴＭＩ、ＴＭＧａ） 三乙基铟（ＴＥＩ）MR3（金属烷基）+XH3（氢化物）=MX+3RH如：Ga（CH3）3+AsH3=GaAs+3CH4又如：xAlCH3）3+（1-x）Ga（CH3）3+AsH3= GaAs+3CH4特点：低温分解（ <500°C）、生长速率易于控制、杂质易于控制、生产效率远高于MBE
因而，气相外延是由下述步骤组成的多相过程 1）反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层 表面 2）反应剂分子在生长层表面吸附； 3）被吸附的反应剂分子在生长层的表面完成化 学反应，产生硅原子及其它副产物； 4）副产物分子丛表面解吸； 5）解吸的副产物以扩散的形式转移到气相，随 主气流排出反应腔； 6）反应所生成的硅原子定位于晶格点阵，形成 单晶外延层；
SiCl4（气）+Si（固）2SiCl2（气）
2）生长速率与外延温度的关系 对于SiCl4，Ea~1.9eV SiH4，Ea~ 1.6eV DG0：0.1~1cm2s-1 a：1.75~2