半导体材料第6讲-外延1

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1、半导体材料陈易明e-mail:mpcyjs@gdut.edu.cn第5章硅外延生长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、抛等仔细加工的单晶衬底上,生长一层合乎要求的单晶层的方法。由于所生长的单晶层是衬底晶格的延伸,所以所生长的材料层叫做外延层。根据外延层的性质,生长方法和器件制作方式不同,可以把外延分成不同的种类。外延的分类1、按外延层的性质分类同质外延:外延层与衬底是同种材料,例如在硅上外延生长硅,在GaAs上外延生长GaAs均属

2、于同质外延。异质外延:衬底材料和外延层是不同种材料,例如在蓝宝石上外延生长硅,在GaAs上外延生长GaAlAs等属于异质外延。2、按器件位置分类正外延:器件制作在外延层上反外延:器件制作在衬底上,外延层只起支撑作用外延的分类3、按外延生长方法分类直接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得足够能量,直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长的方法,如真空淀积、溅射、升华等。但此类方法对设备要求苛刻。薄膜的电阻率、厚度的重复性差,因此一直未能用于硅外延生产中。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沉积(

3、chemicalvapordeposition,CVD))。但CVD所生长的薄膜不一定是单晶,因此严格地讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。这种方法设备简单,外延层的各种参数较容易控制,重复性好。目前硅外延生长主要是利用这种方法。外延的分类4、按向衬底输运外延材料的原子的方法不同又分为真空外延、气相外延、液相外延等。5、按相变过程,外延又可分为气相外延、液相外延、固相外延。对于硅外延,应用最广泛的是气相外延。硅外延生长技术开始的时候,正是硅高频大功率晶体管制做遇到困难的时刻。从晶体管原理来看,要获得高频大功率,必须做到集电极击穿电压要

4、高,串联电阻要小,即饱和压降要小。前者要求集电极区材料电阻率要高,而后者要求集电区材料电阻率要低,两者互相矛盾。如果采用将集电区材料厚度减薄的方法来减少串联电阻,会使硅片太薄易碎,无法加工。若降低材料的电阻率,则又与第一个要求矛盾,外延技术则成功地解决了这一困难。解决办法:在电阻率极低的衬底上生长一层高电阻率外延层,器件制做在外延层上,这样高电阻率的外延层保证管子有高的击穿电压,而低电阻率的衬底又降低了基片的电阻,降低了饱和压降,从而解决了二者的矛盾。外延工艺解决的问题不仅如此,GaAs等Ⅲ一V族、Ⅱ一Ⅵ族以及其他化合物半导体材料的气相外延,

5、液相外延,分子束外延,金属有机化合物气相外延等外延技术也都得到很大的发展,已成为绝大多数微波、光电器件等制做不可缺少的工艺技术。特别是分子束、金属有机气相外延技术在超薄层、超晶格、量子阱、应变超晶格、原子级薄层外延方面成功的应用,为半导体研究的新领域“能带工程”的开拓打下了基础。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

6、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。外延生长的特点(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

7、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。外延层应满足的要求(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,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

8、。(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

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1、半导体材料陈易明e-mail:mpcyjs@gdut.edu.cn第5章硅外延生长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、抛等仔细加工的单晶衬底上,生长一层合乎要求的单晶层的方法。由于所生长的单晶层是衬底晶格的延伸,所以所生长的材料层叫做外延层。根据外延层的性质,生长方法和器件制作方式不同,可以把外延分成不同的种类。外延的分类1、按外延层的性质分类同质外延:外延层与衬底是同种材料,例如在硅上外延生长硅,在GaAs上外延生长GaAs均属

2、于同质外延。异质外延:衬底材料和外延层是不同种材料,例如在蓝宝石上外延生长硅,在GaAs上外延生长GaAlAs等属于异质外延。2、按器件位置分类正外延:器件制作在外延层上反外延:器件制作在衬底上,外延层只起支撑作用外延的分类3、按外延生长方法分类直接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得足够能量,直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长的方法,如真空淀积、溅射、升华等。但此类方法对设备要求苛刻。薄膜的电阻率、厚度的重复性差,因此一直未能用于硅外延生产中。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沉积(

3、chemicalvapordeposition,CVD))。但CVD所生长的薄膜不一定是单晶,因此严格地讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。这种方法设备简单,外延层的各种参数较容易控制,重复性好。目前硅外延生长主要是利用这种方法。外延的分类4、按向衬底输运外延材料的原子的方法不同又分为真空外延、气相外延、液相外延等。5、按相变过程,外延又可分为气相外延、液相外延、固相外延。对于硅外延,应用最广泛的是气相外延。硅外延生长技术开始的时候,正是硅高频大功率晶体管制做遇到困难的时刻。从晶体管原理来看,要获得高频大功率,必须做到集电极击穿电压要

4、高,串联电阻要小,即饱和压降要小。前者要求集电极区材料电阻率要高,而后者要求集电区材料电阻率要低,两者互相矛盾。如果采用将集电区材料厚度减薄的方法来减少串联电阻,会使硅片太薄易碎,无法加工。若降低材料的电阻率,则又与第一个要求矛盾,外延技术则成功地解决了这一困难。解决办法:在电阻率极低的衬底上生长一层高电阻率外延层,器件制做在外延层上,这样高电阻率的外延层保证管子有高的击穿电压,而低电阻率的衬底又降低了基片的电阻,降低了饱和压降,从而解决了二者的矛盾。外延工艺解决的问题不仅如此,GaAs等Ⅲ一V族、Ⅱ一Ⅵ族以及其他化合物半导体材料的气相外延,

5、液相外延,分子束外延,金属有机化合物气相外延等外延技术也都得到很大的发展,已成为绝大多数微波、光电器件等制做不可缺少的工艺技术。特别是分子束、金属有机气相外延技术在超薄层、超晶格、量子阱、应变超晶格、原子级薄层外延方面成功的应用,为半导体研究的新领域“能带工程”的开拓打下了基础。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

6、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。外延生长的特点(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

7、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。外延层应满足的要求(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,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

8、。(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

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