半导体材料 ---硅外延生长

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1、第五章硅外延生长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）5.1外延生长概述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；外延生长分类只有体单晶材料不能满足日益发展的各种半导体器件制作的需要，1959年末开发了薄层单晶材料生长技术——外延生长。外延生长就是在一定条件下，在经过切、磨、抛等仔

2、细加工的单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层的方法。根据外延生长方法：直接外延间接外延是用加热、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（chemicalvapordeposition,CVD）正外延：器件制作在外延层上反外延：器件制作在衬底上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

3、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、液相外延根据相变过程气相外延、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。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

4、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。利用外延片制作半导体器件，特别是化合物半导体器件绝大多数是制作在外延层上，因此外延层的

5、质量直接影响器件的成品率和性能。一般来说外延层应满足下列要求：(1)表面应平整，光亮，没有亮点，麻坑，雾渍和滑移线等表面缺陷。(2)晶体完整性好，位错和层错密度低。对于硅外延来说，位错密度应低于1000个／cm2，层错密度应低于10个／cm2，同时经铬酸腐蚀液腐蚀后表面仍然光亮。(3)外延层的本底杂质浓度要低，补偿少。要求原料纯度高，系统密封性好，环境清洁，操作严格，避免外来杂质掺入外延层。(4)对于异质外延，外延层与衬底的组分间应突变(要求组分缓变的例外)并尽量降低外延层和衬底间组分互扩散。(5)掺杂浓度控制严格，分布均匀

6、，使得外延层有符合要求而均匀的电阻率。不仅要求一片外延片内，而且要求同一炉内，不同炉次生长的外延片的电阻率的一致性好。(6)外延层的厚度应符合要求，均匀性和重复性好。(7)有埋层的衬底上外延生长后，埋层图形畸变很小。(8)外延片直径尽可能大，利于器件批量生产，降低成本。(9)对于化合物半导体外延层和异质结外延热稳定性要好。5—2硅的气相外延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。按照反应类型可分

7、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。5－2－1硅外延生长用的原料气相外延法生长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

8、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