半導(dǎo)體材料 ---硅外延生長

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1、第五章硅外延生長外延生長用來生長薄層單晶材料，即薄膜外延生長：在一定條件下，在單晶襯底上，生長一層合乎要求的單晶層的方法。生長的這層單晶叫外延層。（厚度為幾微米）5.1外延生長概述根據(jù)外延層性質(zhì)同質(zhì)外延：外延層與襯底同種材料如Si/Si、GaAs/GaAs、GaP/GaP;異質(zhì)外延：外延層與襯底不同材料如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；外延生長分類只有體單晶材料不能滿足日益發(fā)展的各種半導(dǎo)體器件制作的需要，1959年末開發(fā)了薄層單晶材料生長技術(shù)——外延生長。外延生長就是在一定條件下，在經(jīng)過切、磨、拋等仔

2、細加工的單晶襯底上，生長一層合乎要求的單晶層的方法。根據(jù)外延生長方法：直接外延間接外延是用加熱、電子轟擊或外加電場等方法使生長的材料原子獲得能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外延生長.如真空淀積，濺射，升華等是利用化學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積生長外延層，廣義上稱為化學(xué)氣相淀積（chemicalvapordeposition,CVD）正外延：器件制作在外延層上反外延：器件制作在襯底上CVD生長的薄膜未必是單晶，所以嚴格講只有生長的薄膜是單晶的CVD才是外延生長。CVD設(shè)備簡單，生長參數(shù)容易控制，重復(fù)性好，是目前硅外延生長的主要方法

3、根據(jù)向襯底輸運外延材料的原子的方法不同真空外延、氣相外延、液相外延根據(jù)相變過程氣相外延、液相外延、固相外延、對于硅外延，應(yīng)用最廣泛的是氣相外延以SiH2Cl2、SiHCl3、SiCl4或SiH4,為反應(yīng)氣體,在一定的保護氣氛下反應(yīng)生成硅原子并沉積在加熱的襯底上，襯底材料一般選用Si、SiO2、Si3N4等液相外延（LPE）法的原理是通過將硅熔融在母體里，降低溫度析出硅膜。外延生長的特點(1)可以在低(高)阻襯底上外延生長高(低)阻外延層。(2)可以在P(N)型襯底上外延生長N(P)型外延層，直接形成PN結(jié)，不存在用擴散法在單

4、晶基片上制作PN結(jié)時的補償?shù)膯栴}。(3)與掩膜技術(shù)結(jié)合，在指定的區(qū)域進行選擇外延生長，為集成電路和結(jié)構(gòu)特殊的器件的制作創(chuàng)造了條件。(4)可以在外延生長過程中根據(jù)需要改變摻雜的種類及濃度，濃度的變化可以是陡變的，也可以是緩變的。(5)可以生長異質(zhì)，多層，多組分化合物且組分可變的超薄層。(6)可在低于材料熔點溫度下進行外延生長，生長速率可控，可以實現(xiàn)原子級尺寸厚度的外延生長。(7)可以生長不能拉制單晶材料，如GaN，三、四元系化合物的單晶層等。利用外延片制作半導(dǎo)體器件，特別是化合物半導(dǎo)體器件絕大多數(shù)是制作在外延層上，因此外延層的

5、質(zhì)量直接影響器件的成品率和性能。一般來說外延層應(yīng)滿足下列要求：(1)表面應(yīng)平整，光亮，沒有亮點，麻坑，霧漬和滑移線等表面缺陷。(2)晶體完整性好，位錯和層錯密度低。對于硅外延來說，位錯密度應(yīng)低于1000個／cm2，層錯密度應(yīng)低于10個／cm2，同時經(jīng)鉻酸腐蝕液腐蝕后表面仍然光亮。(3)外延層的本底雜質(zhì)濃度要低，補償少。要求原料純度高，系統(tǒng)密封性好，環(huán)境清潔，操作嚴格，避免外來雜質(zhì)摻入外延層。(4)對于異質(zhì)外延，外延層與襯底的組分間應(yīng)突變(要求組分緩變的例外)并盡量降低外延層和襯底間組分互擴散。(5)摻雜濃度控制嚴格，分布均勻

6、，使得外延層有符合要求而均勻的電阻率。不僅要求一片外延片內(nèi)，而且要求同一爐內(nèi)，不同爐次生長的外延片的電阻率的一致性好。(6)外延層的厚度應(yīng)符合要求，均勻性和重復(fù)性好。(7)有埋層的襯底上外延生長后，埋層圖形畸變很小。(8)外延片直徑盡可能大，利于器件批量生產(chǎn)，降低成本。(9)對于化合物半導(dǎo)體外延層和異質(zhì)結(jié)外延熱穩(wěn)定性要好。5—2硅的氣相外延氣相硅外延生長是在高溫下使揮發(fā)性強的硅源與氫氣發(fā)生反應(yīng)或熱解，生成的硅原子淀積在硅襯底上長成外延層。對外延片的質(zhì)量要求：電阻率及其均勻性、厚度及其均勻性、位錯和層錯密度等。按照反應(yīng)類型可分

7、為氫氣還原法和直接熱分解法。氫還原法，利用氫氣還原產(chǎn)生的硅在基片上進行外延生長。直接熱分解法，利用熱分解得到Si。5－2－1硅外延生長用的原料氣相外延法生長Si半導(dǎo)體膜所用原料氣體、反應(yīng)式、生長溫度及所屬反應(yīng)類型各種硅源優(yōu)缺點：SiHCL3,SiCL4常溫液體，外延生長溫度高，但是生長速度快，易純制，使用安全。是較通用的硅源。SiH2CL2,SiH4常溫氣體，SiH2CL2使用方便，反應(yīng)溫度低,應(yīng)用越來越廣。SiH4反應(yīng)溫度低，無腐蝕性氣體，但是會因漏氣產(chǎn)生外延缺陷。襯底要求在硅外延中使用的硅襯底是經(jīng)過切、磨、拋等工藝仔細加

8、工而成的，外延生長前又經(jīng)過嚴格的清洗、烘干，但表面上仍殘存有損傷、污染物及氧化物等。為了提高外延層的完整性，在外延生長前應(yīng)在反應(yīng)室中進行原位化學(xué)腐蝕拋光，以獲得潔凈的硅表面。常用的化學(xué)腐蝕劑為干燥的HCl或HBr，在使SiH4外延生長時，由于SF6具有無毒和非選擇、低溫腐蝕特點，所以可用它