1、 外延生长外延生长【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外延生长的最终目的是：沉积一层缺陷少，是：沉积一层缺陷少，且可控制厚度及掺入杂质的单晶薄膜且可控制厚度及掺入杂质的单晶薄膜生长外延层有多种方法，但采用最多的是气相采用最多的是气相外延工艺外延工艺，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
2、，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。外延生长可分为多种 按照按照衬底和外延层的化学成分不同衬底和外延层的化学成分不同，可分为，可分为同质同质外延外延和和异质外延异质外延； 按照按照反应机理反应机理可分为可分为利用化学反应的外延生长利用化学反应的外延生长和和利用利用物理反应的外延生长物理反应的外延生长； 按按生长过程中的相变方式生长过程中的相变方式可分为可分为气相外延气相外延、液相液相外延外延和和固相外延固相外延等。等。非非CVD技术技术等离子增强CVD（PECVD)化学气相沉积化学气相沉积（CVD）技术技术外延生长外延生长快速热处理CVD（RT
3、CVD)金属有机物CVD（MOCVD)超高真空CVD（UHVCVD)激光、可见光、X射线辅助CVD分子束外延分子束外延离子束外延成簇离子束外延液相外延外延生长的类型：v 气相外延（气相外延（VPE，也叫热，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。v 液相外延：液相外延：由液相直接在衬底表面生长外延层的方法。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-phaseepitaxy的缺点是重新研磨
4、的高成本和外延层厚度精确控制的难度。v 分子束外延（分子束外延（MBE：molecular beam epitaxy ）：）：这是一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
5、薄膜而形成的超薄层量子阱微结构材料。外延生长分类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。外延生长与掺杂技术的目的类似，都是形成具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：要求主要有下面几条：1 1、具有一定的厚度，且厚度均匀。、具有一定的厚度，且厚度均匀。2 2、掺杂浓度、掺杂浓度( (表现为电阻率表现为电阻率) )均匀并符合设计均匀并符合设计要求。要求。3 3、位错、层错、麻坑、雾状缺陷、伤痕等缺、位错、层错、麻坑、雾状缺陷、伤痕等缺陷尽量少陷尽量少
6、4 4、杂质分布满足要求。、杂质分布满足要求。外延层质量要求 外延生长前处理外延生长前处理衬底清洗衬底清洗 硅外延（硅外延（Epitaxial Si）生长生长 掺杂引入掺杂引入 外延生长缺陷外延生长缺陷 GaAs外延生长外延生长 金属有机物金属有机物CVD 分子束外延生长分子束外延生长 小结小结本讲内容本讲内容衬底清洁：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：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：）去除有机残留物：在氧化/
7、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：）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。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）b：在高于
8、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。（3）自然氧化层的去除：）自然氧化层的去除：v每一步操作以在去离子水中的清洗结束。每一步操作以在去离子水中的清洗结束。脱水性检验法：裸硅表面水会很快流掉，如脱水性检验法：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，会有几分钟果硅表面有氧化层，水流走得较慢，会有几分钟的含水状态。对于有图形的圆片，若裸硅的面积的含水状态。对于有图形的圆片，若裸硅的面积足够大，也可以用此法检验足够大，也可以用此法检验硅表面氧化物的去除检验：硅表面氧化物
9、的去除检验：特点：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：应用：生长较厚的膜较厚的膜（1-10m）以在膜中制造二极元件和CMOS元件，一般用在IC的最前段。 硅外延硅外延（Epitaxial Si）生长生长反应器：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。生长过程：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：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SiH4Si十2H2 优点：温度较低，可以在低达600下进
10、行 缺点：均匀性差，无法避免均相成核形成的颗粒 (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：SiCl4十2H2Si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：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物理吸附机理硅氯化物生长外延的技术难点：硅氯化物生
11、长外延的技术难点：（1）外延生长与蚀刻的竞争（2）均匀性问题：二维生长和三维生长)()()(2)(22gHgSiClgHClsSi掺杂的引入：掺杂的引入：外延掺杂外延掺杂有意识掺杂有意识掺杂：可通过可通过在反应气体中增加氢在反应气体中增加氢化物杂质掺杂源得到化物杂质掺杂源得到掺杂外延层。掺杂外延层。无意识掺杂：无意识掺杂：衬底表衬底表面的固态扩散和气相面的固态扩散和气相中的自掺杂中的自掺杂 掺杂气源掺杂气源：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
12、稀释。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。3）缺陷将引起额外的杂质扩散，改变晶体管的特性。外延生长缺陷：外延生长缺陷：缺陷的危害性堆垛层错：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。缺陷种类外延层厚度的测量外延层厚度的测量1）博里叶变换红外光谱法：常用方法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 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，SiO2Si3N4Si
13、选择性生长选择性生长 低压，SiH2Cl2与HCl的混合气体生长GaAs外延生长：外延生长：条件：衬底温度650800固体AsH2需要800850异质外延：异质外延： 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。共度不共度膺晶不共度外延生长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GexSi1x层，典型例子：金属有机物金属有机物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
14、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。 分子束外延生长技术实际上是一种超高真空“蒸发”方法。即在10-1010-11Torr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0.010.3mmin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。分子束外延技术分子束外延技术(MBE)： 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
15、。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族和族气体源，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族和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。原子层外延技术原子层外延技术 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。本讲小结本讲小结气相外延硅生长技术，腔体和生长气体的洁净度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化学性的有机金属CVD等。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本讲重点本讲重点
