《硅外延生长》PPT课件
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《硅外延生长》课件
硅外延生长的应用领域
现代半导体类产品如计算机 芯片、智能手机和光通信等 都需要硅外延生长技术。硅外延生Biblioteka 的原理与方法硅外延生长的原理
硅外延生长是核形成、晶核的成长与自发畴界移动 等复杂过程的综合表象。
硅外延生长的方法
• 气相外延法 • 液相外延法
气相外延法
1
原理与流程
气相外延法是指以光刻胶为模板，在硅片上生长SiGe薄膜的方法。
硅外延生长
本课程是关于硅外延生长的介绍，从定义、历史发展到应用领域，深入了解 硅外延生长的原理和方法。
硅外延生长概述
什么是硅外延生长？
硅外延生长是一种通过在硅 基底上沉积高品质单晶硅薄 膜的过程。
硅外延生长的历史发展
硅外延技术从二十世纪六十 年代就开始发展，并随着半 导体工业的高速发展一直得 到迅速发展。
硅外延生长的未来
发展趋势
硅外延生长技术将继续发展，主要趋势是提高生长效率和晶体质量。
发展方向
晶体质量控制、研究新的衬底材料以及外延材料和外延工艺的不断创新。
未来展望
硅外延生长技术将会在电子信息、新能源、生物医学等领域取得更广泛、更深入的应用。
2
工艺参数
气相外延生长的基本工艺参数有衬底温度、反应气体流量、反应时间和硅和外延 材料供应速率。
3
应用
用于光子集成芯片、高分辨率图像传感器和生物传感器等领域。
液相外延法
1
原理与流程
液相外延法是指用硅基底与融合锡（或石墨）作为液相反应体，在相应条件下长 出外延晶体。
2
工艺参数
液相外延法的工艺参数有溶液成分，溶液温度，外延晶体生长速率和升温速率等。
3
应用
用于太阳能电池电极、太阳能电池背反射层、光子晶体、一维纳米线等领域。
吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.1-5.3
按气体的物理特性分 气溶胶辅助CVD ：Aerosol assisted CVD (AACVD) 直 接 液 体 喷 射 CVD ： Direct liquid injection CVD
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
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硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
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半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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半导体材料
5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
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半导体材料
重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
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CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性
第五章 ---硅外延生长
外延生长的特点
(1)可以在低(高)阻衬底上外延生长高(低)阻外延层。 (2)可以在P(N)型衬底上外延生长N(P)型外延层，直接形成PN结 ，不存在用扩散法在单晶基片上制作PN结时的补偿的问题。 (3)与掩膜技术结合，在指定的区域进行选择外延生长，为集成 电路和结构特殊的器件的制作创造了条件。 (4)可以在外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及浓度，浓 度的变化可以是陡变的，也可以是缓变的。 (5)可以生长异质，多层，多组分化合物且组分可变的超薄层。 (6)可在低于材料熔点温度下进行外延生长，生长速率可控，可 以实现原子级尺寸厚度的外延生长。 (7)可以生长不能拉制单晶材料，如GaN，三、四元系化合物的 单晶层等。
气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反应式、生 长温度及所属反应类型
各种硅源优缺点：
SiHCL3,SiCL4 常温液体，外延生长温度高，但是生长速度快，易纯制，使用安 全。是较通用的硅源。 SiH2CL2,SiH4 常温气体， SiH2CL2使用方便，反应温度低,应用越来越广。SiH4 反应温度低，无腐蚀性气体，但是会因漏气产生外延缺陷。
衬底要求
在硅外延中使用的硅衬底是经过切、磨、抛等工艺仔细加工而 成的，外延生长前又经过严格的清洗、烘干，但表面上仍残存 有损伤、污染物及氧化物等。 为了提高外延层的完整性，在外延生长前应在反应室中进行 原位化学腐蚀抛光，以获得洁净的硅表面。常用的化学腐蚀剂 为干燥的HCl或HBr，在使SiH4外延生长时，由于SF6具有无毒和 非选择、低温腐蚀特点，所以可用它做腐蚀抛光剂。 为了控制外延层的电特性，通常使用液相或气相掺杂法。
5—2 硅的气相外延 5－2－1硅外延生长用的原料
气相硅外延生长是在高温下使挥发性强的硅源与氢气发生反应 或热解，生成的硅原子淀积在硅衬底上长成外延层。 对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、 位错和层错密度等。
硅外延生长PPT课件
3
第3页/共75页
4
第4页/共75页
5.2硅的气相外延
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 度及其均匀性、位错和层错密度等。
➢按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解 法。 氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行 外延生长。
直接热分解法，利用热分解得到Si。
19
第19页/共75页
5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为： N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统
N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量
24
第24页/共75页
4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。 5.采用二段外延生长技术 即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源， 只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长 第二段外延层，直到达到预定厚度
二：采用减压生长技术
• 使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层 • 一般在1.3103～2104Pa的压力下进行。
28
第28页/共75页
5－4－1外延片的表面缺陷
• 云雾状表面 外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以
看到。 一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛 光浓度过大，生长温度太低等引起的。 • 角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘， 用肉眼可以看到。
29
第29页/共75页
雾状表面缺陷 ①雾圈
第3页/共75页
4
第4页/共75页
5.2硅的气相外延
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 度及其均匀性、位错和层错密度等。
➢按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解 法。 氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行 外延生长。
直接热分解法，利用热分解得到Si。
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5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为： N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统
N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量
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4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。 5.采用二段外延生长技术 即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源， 只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长 第二段外延层，直到达到预定厚度
二：采用减压生长技术
• 使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层 • 一般在1.3103～2104Pa的压力下进行。
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5－4－1外延片的表面缺陷
• 云雾状表面 外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以
看到。 一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛 光浓度过大，生长温度太低等引起的。 • 角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘， 用肉眼可以看到。
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雾状表面缺陷 ①雾圈
半导体材料分析第五章硅外延生长
19
气相均质反应模型
• 这个模型认为： 外延生长反应不是在固－气界面上，而是 在距衬底表面几微米的空间中发生。反 应生成的原子或原子团再转移到衬底表 面上完成晶体生长。
20
5－3硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同 的，这就需要在外延生长过程中，精确 控制外延层中的杂质浓度和分布来解决
5
6
5.2硅的气相外延
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 度及其均匀性、位错和层错密度等。
➢按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解 法。 氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行 外延生长。
直接热分解法，利用热分解得到Si。
7
气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反 应式、生长温度及所属反应类型
半导体材料分析 第五章硅外延生长
5.1外延生长概述
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：在一定条件下，在单晶衬底上，
生长一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
2
外延生长分类
• 根据外延层性质
同质外延：外延层与衬底同种材料 如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP;
3. 加热到氢气烘烤温度（1200 ℃ ）以除去氧化层 （该步骤能去除50-100A的SiO2层）
4. a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6) 以刻蚀表面的硅层；c)吹气以除去系统中的杂质 和HCl
5. a)冷却到沉积温度；b)引入硅原料和掺杂剂以沉 积所要的薄膜；c)吹入氢气以去除硅原料和掺杂 剂
22
N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因此 称为外掺杂
气相均质反应模型
• 这个模型认为： 外延生长反应不是在固－气界面上，而是 在距衬底表面几微米的空间中发生。反 应生成的原子或原子团再转移到衬底表 面上完成晶体生长。
20
5－3硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同 的，这就需要在外延生长过程中，精确 控制外延层中的杂质浓度和分布来解决
5
6
5.2硅的气相外延
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 度及其均匀性、位错和层错密度等。
➢按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解 法。 氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行 外延生长。
直接热分解法，利用热分解得到Si。
7
气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反 应式、生长温度及所属反应类型
半导体材料分析 第五章硅外延生长
5.1外延生长概述
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：在一定条件下，在单晶衬底上，
生长一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
2
外延生长分类
• 根据外延层性质
同质外延：外延层与衬底同种材料 如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP;
3. 加热到氢气烘烤温度（1200 ℃ ）以除去氧化层 （该步骤能去除50-100A的SiO2层）
4. a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6) 以刻蚀表面的硅层；c)吹气以除去系统中的杂质 和HCl
5. a)冷却到沉积温度；b)引入硅原料和掺杂剂以沉 积所要的薄膜；c)吹入氢气以去除硅原料和掺杂 剂
22
N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因此 称为外掺杂
第5章 硅外延生长分析
A：常数；Re：雷诺数，无量纲，表示流体惯性力与 粘滞力大小之比； 由Re值的大小可判断系统中流体的状态。 Re大于一定值时流体为湍流，小于某一值时为层流， 介于两值之间时则湍流和层流两种状态共存。
28
扩散层（质量边界层或附面层）：具有反应物浓度梯 度的薄层。
c ( x) ( x) 3 3 / D Pr x 0
44
4.塌边（取向平面）
外延生长后片子边缘部分比中间部分低，形成一圈或一部 分宽1~2mm左右的斜平面，是无缺陷的完整的（111）面。
单晶定向后，用内（外）圆/线切割机切成厚度为 400~550 m的薄片； 磨片机上用金刚砂磨平（倒角）后，再用SiO2胶体 溶液抛光成镜面，制成衬底; 清洗甩（烘）干后，放在基座上； 封闭反应室通高纯H2排除反应室中的 空气； 启动加热系统，调整温度到所需温度。 反应所需的氢气经净化器提纯, 一路 通反应室，另一路通硅源容器, 携带硅 源入反应室。
影响因素
• SiCl4的浓度 • 温度
• 生长动力学过程 • 边界层及其特性 • 动力学模型
• 气流速度
基本工艺
• 衬底晶向
生长机理
8
§5-3-1 硅外延生长用的原料 气相硅外延生长：高温下挥发性强的硅源与氢气发生反应 （氢还原）或热解（热分解），生成的硅原子淀积在硅衬底 上长成外延层。 常使用的硅源: SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
1
第五章 硅外延生长
•外延生长概述 •硅衬底制备
•硅的气相外延生长
•硅外延层电阻率的控制 •硅外延层的缺陷
•硅的异质外延
2
§5-1 外延生长概述
外延生长：一定条件下，在经过切、磨、抛等仔细加 工的单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层方法。 •外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜（厚度为 几微米） 。
28
扩散层（质量边界层或附面层）：具有反应物浓度梯 度的薄层。
c ( x) ( x) 3 3 / D Pr x 0
44
4.塌边（取向平面）
外延生长后片子边缘部分比中间部分低，形成一圈或一部 分宽1~2mm左右的斜平面，是无缺陷的完整的（111）面。
单晶定向后，用内（外）圆/线切割机切成厚度为 400~550 m的薄片； 磨片机上用金刚砂磨平（倒角）后，再用SiO2胶体 溶液抛光成镜面，制成衬底; 清洗甩（烘）干后，放在基座上； 封闭反应室通高纯H2排除反应室中的 空气； 启动加热系统，调整温度到所需温度。 反应所需的氢气经净化器提纯, 一路 通反应室，另一路通硅源容器, 携带硅 源入反应室。
影响因素
• SiCl4的浓度 • 温度
• 生长动力学过程 • 边界层及其特性 • 动力学模型
• 气流速度
基本工艺
• 衬底晶向
生长机理
8
§5-3-1 硅外延生长用的原料 气相硅外延生长：高温下挥发性强的硅源与氢气发生反应 （氢还原）或热解（热分解），生成的硅原子淀积在硅衬底 上长成外延层。 常使用的硅源: SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
1
第五章 硅外延生长
•外延生长概述 •硅衬底制备
•硅的气相外延生长
•硅外延层电阻率的控制 •硅外延层的缺陷
•硅的异质外延
2
§5-1 外延生长概述
外延生长：一定条件下，在经过切、磨、抛等仔细加 工的单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层方法。 •外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜（厚度为 几微米） 。
外延ppt课件
反应室形状； 气体流速
;.
23
外延速率的影响因素（一）
温度对生长速率的影响
质量传递控 制
实际外延选 此区
表面反应 控制
-1
;.
24
外延速率的影响因素(二)
硅源对生长速率的影响 含氯的Si-Cl-H体系 无氯的Si-H体系
硅源不同，外延温度不同,由高到低排序的硅源为：SiCl4>SiHCl3>SiH2Cl2>SiH4； 而外延生长速率正相反。
成核，再高温下生长外延层 气相外延工艺成熟，可很好的控制薄膜厚 按电阻率高低划分：正外延--低度阻，衬杂底质上浓外度延和高晶阻格层的；完反整外性延，--在高硅阻工衬艺底上外延低阻层 按外延层结构分类: 普通外延，中选一择直外占延主，导多地层位外延 其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等
;.
异质外延生长工艺的两种类型
;.
5
晶格失配 lattice mismatch 失配率
aa'
f
100%
a'
其中：a外延层晶格参数； a′衬底晶格参数。有热膨胀失配系数和晶格常数失配率。
热失配影响单晶 薄膜物理和电学
性质
晶格失配导致外延膜 中缺陷密度非常高
;.
6
特点
外延生长时掺入杂质的类型、浓度都可以与衬底不同，增加了微电子器件和电 路工艺的灵活性。
;.
12
外延工艺常用的硅源
四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也是研究最多的硅源--------主要应用于传统 外延工艺
三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和 SiCl4类似但温度有所降低----常规外延生长 二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) ----更低温度，选择外延 硅烷SiH4，更适应薄外延层和低温生长要求，得到广泛应用。 新硅源：二硅烷Si2H6-----低温外延
;.
23
外延速率的影响因素（一）
温度对生长速率的影响
质量传递控 制
实际外延选 此区
表面反应 控制
-1
;.
24
外延速率的影响因素(二)
硅源对生长速率的影响 含氯的Si-Cl-H体系 无氯的Si-H体系
硅源不同，外延温度不同,由高到低排序的硅源为：SiCl4>SiHCl3>SiH2Cl2>SiH4； 而外延生长速率正相反。
成核，再高温下生长外延层 气相外延工艺成熟，可很好的控制薄膜厚 按电阻率高低划分：正外延--低度阻，衬杂底质上浓外度延和高晶阻格层的；完反整外性延，--在高硅阻工衬艺底上外延低阻层 按外延层结构分类: 普通外延，中选一择直外占延主，导多地层位外延 其它划分方法：按结构划分；按外延层厚度划分等
;.
异质外延生长工艺的两种类型
;.
5
晶格失配 lattice mismatch 失配率
aa'
f
100%
a'
其中：a外延层晶格参数； a′衬底晶格参数。有热膨胀失配系数和晶格常数失配率。
热失配影响单晶 薄膜物理和电学
性质
晶格失配导致外延膜 中缺陷密度非常高
;.
6
特点
外延生长时掺入杂质的类型、浓度都可以与衬底不同，增加了微电子器件和电 路工艺的灵活性。
;.
12
外延工艺常用的硅源
四氯化硅 SiCl4(sil.tet)，是应用最广泛，也是研究最多的硅源--------主要应用于传统 外延工艺
三氯硅烷 SiHCl3(TCS)，和 SiCl4类似但温度有所降低----常规外延生长 二氯硅烷SiH2Cl2( DCS) ----更低温度，选择外延 硅烷SiH4，更适应薄外延层和低温生长要求，得到广泛应用。 新硅源：二硅烷Si2H6-----低温外延
5硅的气相外延生长
气体输运
吸附
反应
停滞层
副产物向外扩散
表面迁移 成核/生长
副产物解吸附
§4.2 硅的气相外延生长
§4.2 硅的气相外延生长
边界层及其特性 一定流速v0的流体经过表面时，由于气流与衬底的摩擦力导致固体表面出现 一个流体速度受到干扰而变化的薄层，称为边界层或滞流层。 一般定义薄层厚度δ为流速为0.99v0处的厚度。 v
§4.2 硅的气相外延生长
1. APCVD（Atmospheric pressure） - 高淀积速率,简单,高效; - 均匀性差,纯度低; - 常用于生长厚氧化层. - 易二维成核，一般不用于IC制造.
2. LPCVD (0.2~20 torr) - 均匀性和纯度高; - 淀积速率较APCVD低; - 常用于生长多晶硅, 掺杂和非掺
F1 hG (CG CS ), F2 KsCs
hG D / c , ks k0 exp Ea / kBT
F1 F2
F2
CG 1 1
hG ks
薄膜生长速率V f
F2 N
, N :原子密度
§4.2 硅的气相外延生长
hG
D /c
1 L
D
L
c (x)dx
0
3 2
D3/
2
v0 L
1/ 2
…… PNV=NNkT
§4.1 真空基础
4. 分子平均速率 分子速率服从Maxwell-Boltzman
速率分布，则平均速率
§4.1 真空基础
5. 分子平均自由程
－ 分子密度：n=N/V； － 分子直径d0； 例：300K的空气，
§4.1 真空基础
6. 入射速率 － 单位时间单位面积内与固体表面发生碰撞的分子数.
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气相均质反应模型
• 这个模型认为： 外延生长反应不是在固－气界面上，而是在距衬底表面几微米的空间中发 生。反应生成的原子或原子团再转移到衬底表面上完成晶体生长。
20
5－3硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同的，这就需要在外延生长过程中， 精确控制外延层中的杂质浓度和分布来解决
26
4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。 5.采用二段外延生长技术 即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源， 只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长 第二段外延层，直到达到预定厚度
二：采Байду номын сангаас减压生长技术
• 使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层 • 一般在1.3103～2104Pa的压力下进行。
方式有高频感应加热和红外辐射加热。
10
5-2-3 外延工艺顺序
1. 把干净的硅片装入反应室
2. 吹入惰性气体并充入氢气（LPVCD：抽真空）
3. 加热到氢气烘烤温度（1200 ℃ ）以除去氧化层 （该步骤能去除50-100A的SiO2层）
4. a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6) 以刻蚀表面的硅层；c)吹气以除去系统中的杂质 和HCl
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。
21
5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为： N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统
N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量
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硅的气相外延
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 度及其均匀性、位错和层错密度等。
1.反应物气体混合向反应区输运 2.反应物穿过边界层向衬底表面迁移 3.反应物分子被吸附在高温衬底表面上 4.在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体的原
子和气体副产物，原子进入晶格格点位置形成 晶格点阵，实现晶体生长 5.副产物气体从表面脱附并穿过边界层向主气流 中扩散 6.气体副产物和未反应的反应物，离开反应区被 排出系统
27
5－3－4外延层的夹层
• 外延层的夹层指的是外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反型层。 • 分为两种类型：
一是在检测时导电类型混乱，击穿图形异常，用染色法观察界面不清 晰
二是导电类型异常，染色观察会看到一条清晰的带
28
外延层产生的原因也有两种：
• 第一种夹层情况认为P型杂质沾污，造成N型外延层被 高度补偿 解决办法：P型杂质主要来源于SiCL4，只要提高 SiCL4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。
CVD生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。 CVD设备简单，生长参数容易控制，重复性好， 是目前硅外延生长的主要方法
4
根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同
• 真空外延、气相外延、液相外延
液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里， 降低温度析出硅膜。
根据相变过程
正外延：器件制作在外延层上 反外延：器件制作在衬底上
3
根据外延生长方法：
直接外延 是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得 能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长.如真空淀积， 溅射，升华等
间接外延 是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上 称为化学气相淀积（chemical vapor deposition,CVD）
37
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
为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用 双速率生长和两步外延等外延生长方法。
41
双速率生长：先用高的生长速率(1～ 2um/min),迅速将衬底表面覆盖(生长100～
200nm)。然后再以低的生长速率(约 0.3um/min)长到所需求的厚度。
两步外延法是综合利用SiH4/H2和SiCI4/H2两个体系的优点。即第一部用SiH4/H2体 系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用SiCI4/H2体系接着生长到所要求的厚度。
• SiH2CL2,SiH4
常温气体， SiH2CL2使用方便，反应温度低,应用越 来越广。SiH4反应温度低，无腐蚀性气体，但是会 因漏气产生外延缺陷。
9
5－2－2 硅外延生长设备
• 四部分组成： 氢气净化系统、气体输运及净化系统、加热设
备和反应室 • 根据反应室的结构，由水平式和立式，后者又
分为平板式和桶式 • 加热反应器，提高温度，有利于硅的淀积，加热
• 两个模型: 气-固表面复相化学反应模型, 气相均质反应模型
17
气-固表面复相化学反应模型
边界层：P110
• 在接近基座表面的流体中出现一个流体速度受到干扰而变化的薄层，而在薄 层外的流速不受影响，称此薄层为边界层，也叫附面层，停滞层，滞流层。
边界层厚度与流速平方根成反比
18
• 此模型认为硅外延生长包括下列步骤:
29
5－4 硅外延层的缺陷
• 分类： 一：表面缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移线等 二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错
30
5－4－1外延片的表面缺陷
• 云雾状表面 外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以看到。 一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛光浓度过大，生长温度太低等引起的。 • 角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘，用肉眼可以看到。
Semiconductor On insulator
38
5－5－1 SOS 技术
• 蓝宝石和尖晶石是良好的绝缘体，以它们作为衬底外延生长硅制作集成电路， 可以消除集成电路元器件之间的相互作用，不但可以减少漏电流和寄生电容， 增强抗辐射能力和降低功耗，还可以提高集成度和双层布线，是大规模、超 大规模集成电路的理想材料。
半导体材料
第五章硅外延生长 5.1外延生长概述
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：在一定条件下，在单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
2
外延生长分类
• 根据外延层性质 同质外延：外延层与衬底同种材料 如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP; 异质外延：外延层与衬底不同材料 如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；
36
• 晶格点阵的失配会使外延片呈现弯曲。当弯曲程度超过弹性范围，为缓 和内应力就会出现位错，称之为失配位错。
为了消除应力，采用应力补偿法，即在外延 或扩散时，同时引入两种杂质，使它们产生 的应变正好相反。当两种杂质原子掺入的比 例适当时，可以使应力相互得到补偿，减少 或避免晶格畸变。从而消除失配位错的产生。 这种方法称为“双掺杂技术”。
31
雾状表面缺陷 ①雾圈
②白雾
③残迹
④花雾
①雾圈
②白雾
③残迹
④花雾
32
角锥体
33
• 亮点：外形为乌黑发亮的小圆点 • 塌边：又叫取向平面，它是外延生长后在片子边缘部分比中间部分低形
成一圈或一部分宽1～2mm左右的斜平面。 形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏离衬底片晶向。
34
• 划痕：由机械损伤引起 • 星形线（滑移线）：
• 第二种情况是由于衬底引起的 当衬底中硼的含量大于31016cm－3时，外延层中就容 易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快，结果 使得硼扩散到外延层中补偿了N型杂质，形成了一个 高阻层或反型层。 解决办法：一是提高重掺杂单晶质量；二是在工艺中 防止引入P型杂质，降低单晶中B的含量；三是在外延 生长时可以先长一层N型低阻层作为过渡层，控制夹 层。
42
SOS 技术的缺点及需要解决的问题
缺点：1）由于晶格失配（尖晶石为立方结构，蓝宝石为六角 晶系）问题和自掺杂效应，外延质量缺陷多，但厚度增加，缺 陷减小。2）成本高，一般作低功耗器件，近来用SOI代替， 可降低成本。
• 通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂浓度梯度很陡，但是由于高温下 进行外延生长，衬底中的杂质会进入外延层，使得外延层和衬底处的杂质 浓度变平
24
N1 x
1 2 NSUb
exp
2
x Dt
N2 x
1 2
Nf
exp
x 2 Dt
衬底扩散造成的杂质分布 外部掺入的杂质浓度分布
注意：外延层的实 际界面
气相均质反应模型
• 这个模型认为： 外延生长反应不是在固－气界面上，而是在距衬底表面几微米的空间中发 生。反应生成的原子或原子团再转移到衬底表面上完成晶体生长。
20
5－3硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同的，这就需要在外延生长过程中， 精确控制外延层中的杂质浓度和分布来解决
26
4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。 5.采用二段外延生长技术 即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源， 只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长 第二段外延层，直到达到预定厚度
二：采Байду номын сангаас减压生长技术
• 使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层 • 一般在1.3103～2104Pa的压力下进行。
方式有高频感应加热和红外辐射加热。
10
5-2-3 外延工艺顺序
1. 把干净的硅片装入反应室
2. 吹入惰性气体并充入氢气（LPVCD：抽真空）
3. 加热到氢气烘烤温度（1200 ℃ ）以除去氧化层 （该步骤能去除50-100A的SiO2层）
4. a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6) 以刻蚀表面的硅层；c)吹气以除去系统中的杂质 和HCl
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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。
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5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为： N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统
N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量
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
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5.2硅的气相外延
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 度及其均匀性、位错和层错密度等。
1.反应物气体混合向反应区输运 2.反应物穿过边界层向衬底表面迁移 3.反应物分子被吸附在高温衬底表面上 4.在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体的原
子和气体副产物，原子进入晶格格点位置形成 晶格点阵，实现晶体生长 5.副产物气体从表面脱附并穿过边界层向主气流 中扩散 6.气体副产物和未反应的反应物，离开反应区被 排出系统
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5－3－4外延层的夹层
• 外延层的夹层指的是外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反型层。 • 分为两种类型：
一是在检测时导电类型混乱，击穿图形异常，用染色法观察界面不清 晰
二是导电类型异常，染色观察会看到一条清晰的带
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外延层产生的原因也有两种：
• 第一种夹层情况认为P型杂质沾污，造成N型外延层被 高度补偿 解决办法：P型杂质主要来源于SiCL4，只要提高 SiCL4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。
CVD生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。 CVD设备简单，生长参数容易控制，重复性好， 是目前硅外延生长的主要方法
4
根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同
• 真空外延、气相外延、液相外延
液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里， 降低温度析出硅膜。
根据相变过程
正外延：器件制作在外延层上 反外延：器件制作在衬底上
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根据外延生长方法：
直接外延 是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得 能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长.如真空淀积， 溅射，升华等
间接外延 是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上 称为化学气相淀积（chemical vapor deposition,CVD）
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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
为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用 双速率生长和两步外延等外延生长方法。
41
双速率生长：先用高的生长速率(1～ 2um/min),迅速将衬底表面覆盖(生长100～
200nm)。然后再以低的生长速率(约 0.3um/min)长到所需求的厚度。
两步外延法是综合利用SiH4/H2和SiCI4/H2两个体系的优点。即第一部用SiH4/H2体 系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用SiCI4/H2体系接着生长到所要求的厚度。
• SiH2CL2,SiH4
常温气体， SiH2CL2使用方便，反应温度低,应用越 来越广。SiH4反应温度低，无腐蚀性气体，但是会 因漏气产生外延缺陷。
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5－2－2 硅外延生长设备
• 四部分组成： 氢气净化系统、气体输运及净化系统、加热设
备和反应室 • 根据反应室的结构，由水平式和立式，后者又
分为平板式和桶式 • 加热反应器，提高温度，有利于硅的淀积，加热
• 两个模型: 气-固表面复相化学反应模型, 气相均质反应模型
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气-固表面复相化学反应模型
边界层：P110
• 在接近基座表面的流体中出现一个流体速度受到干扰而变化的薄层，而在薄 层外的流速不受影响，称此薄层为边界层，也叫附面层，停滞层，滞流层。
边界层厚度与流速平方根成反比
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• 此模型认为硅外延生长包括下列步骤:
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5－4 硅外延层的缺陷
• 分类： 一：表面缺陷，也叫宏观缺陷 如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移线等 二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷 如层错，位错
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5－4－1外延片的表面缺陷
• 云雾状表面 外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以看到。 一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛光浓度过大，生长温度太低等引起的。 • 角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘，用肉眼可以看到。
Semiconductor On insulator
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5－5－1 SOS 技术
• 蓝宝石和尖晶石是良好的绝缘体，以它们作为衬底外延生长硅制作集成电路， 可以消除集成电路元器件之间的相互作用，不但可以减少漏电流和寄生电容， 增强抗辐射能力和降低功耗，还可以提高集成度和双层布线，是大规模、超 大规模集成电路的理想材料。
半导体材料
第五章硅外延生长 5.1外延生长概述
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：在一定条件下，在单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
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外延生长分类
• 根据外延层性质 同质外延：外延层与衬底同种材料 如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP; 异质外延：外延层与衬底不同材料 如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；
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• 晶格点阵的失配会使外延片呈现弯曲。当弯曲程度超过弹性范围，为缓 和内应力就会出现位错，称之为失配位错。
为了消除应力，采用应力补偿法，即在外延 或扩散时，同时引入两种杂质，使它们产生 的应变正好相反。当两种杂质原子掺入的比 例适当时，可以使应力相互得到补偿，减少 或避免晶格畸变。从而消除失配位错的产生。 这种方法称为“双掺杂技术”。
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雾状表面缺陷 ①雾圈
②白雾
③残迹
④花雾
①雾圈
②白雾
③残迹
④花雾
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角锥体
33
• 亮点：外形为乌黑发亮的小圆点 • 塌边：又叫取向平面，它是外延生长后在片子边缘部分比中间部分低形
成一圈或一部分宽1～2mm左右的斜平面。 形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏离衬底片晶向。
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• 划痕：由机械损伤引起 • 星形线（滑移线）：
• 第二种情况是由于衬底引起的 当衬底中硼的含量大于31016cm－3时，外延层中就容 易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快，结果 使得硼扩散到外延层中补偿了N型杂质，形成了一个 高阻层或反型层。 解决办法：一是提高重掺杂单晶质量；二是在工艺中 防止引入P型杂质，降低单晶中B的含量；三是在外延 生长时可以先长一层N型低阻层作为过渡层，控制夹 层。
42
SOS 技术的缺点及需要解决的问题
缺点：1）由于晶格失配（尖晶石为立方结构，蓝宝石为六角 晶系）问题和自掺杂效应，外延质量缺陷多，但厚度增加，缺 陷减小。2）成本高，一般作低功耗器件，近来用SOI代替， 可降低成本。
• 通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂浓度梯度很陡，但是由于高温下 进行外延生长，衬底中的杂质会进入外延层，使得外延层和衬底处的杂质 浓度变平
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N1 x
1 2 NSUb
exp
2
x Dt
N2 x
1 2
Nf
exp
x 2 Dt
衬底扩散造成的杂质分布 外部掺入的杂质浓度分布
注意：外延层的实 际界面