在半導(dao)體科學技(ji)術的發(fa)展中，氣相外延(yan)發(fa)揮了重要作(zuo)用，該技(ji)術已廣泛用于Si半導(dao)體器件和集(ji)成(cheng)電(dian)路的工業化生產。
硅的外延生長 一個含有硅(gui)原子的(de)(de)氣體以適當(dang)的(de)(de)方式通過襯底，自(zi)反(fan)應劑分子釋放出(chu)的(de)(de)原子在襯底上運動直到(dao)它們到(dao)達適當(dang)的(de)(de)位置，并成為(wei)生長(chang)源的(de)(de)一部分，在適當(dang)的(de)(de)條件下(xia)就得到(dao)單一的(de)(de)晶(jing)向。所得到(dao)的(de)(de)外延層精確地為(wei)單晶(jing)襯底的(de)(de)延續。 它是(shi)在一定(ding)條件下，在經過切、磨、拋等仔細加工的單晶(jing)襯底(di)上，生長一層(ceng)合乎要求的單晶(jing)層(ceng)的方(fang)法。 硅外延生長其(qi)意義是在具(ju)有(you)一定晶(jing)向的(de)硅單(dan)晶(jing)襯底(di)上生長一層(ceng)具(ju)有(you)和襯底(di)相同(tong)晶(jing)向的(de)電阻率(lv)與厚度(du)不同(tong)的(de)晶(jing)格結構完整性好的(de)晶(jing)體。 半(ban)導體分(fen)立元器(qi)件(jian)和集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)制造工藝(yi)需(xu)要(yao)外(wai)延(yan)生長(chang)技術(shu)，因半(ban)導體其中所含的雜(za)質(zhi)有N型(xing)和P型(xing)，通(tong)過不同類型(xing)的組合，使半(ban)導體器(qi)件(jian)和集(ji)成(cheng)電(dian)路(lu)具有各種各樣的功能，應用(yong)外(wai)延(yan)生長(chang)技術(shu)就能容易地實現。 硅外延生長方法，又可分為氣(qi)相外延、液(ye)相外延、固相外延。目前國際上廣泛的采用化學氣相沉積生長方法滿足晶體的完整性、器件結構的多樣化，裝置可控簡便，批量生產、純度的保證、均勻性要求。 外延(yan)生長的特點： （1）低（高）阻(zu)襯底(di)上外延生(sheng)長(chang)高（低）阻(zu)外延層； （2）P（N）型(xing)襯底上外延(yan)生長N（P）型(xing)外延(yan)層； （3）與掩膜技(ji)術結合，在指定(ding)的區域進行選(xuan)擇(ze)外延生(sheng)長(chang)； （4）外延生長過(guo)程(cheng)中根(gen)據需(xu)要改變摻雜的種類及濃度； （5）生長異(yi)質(zhi)，多層，多組分(fen)化合物(wu)且組分(fen)可(ke)變的超薄層； （6）實(shi)現(xian)原(yuan)子級尺(chi)寸(cun)厚度的控(kong)制； （7）生長(chang)不能拉制(zhi)單晶的材料； 氣相外延生長 氣相硅(gui)(gui)外延生長(chang)(chang)是在高溫下使揮(hui)發(fa)性強的硅(gui)(gui)源與氫氣發(fa)生反應或熱解(jie)，生成的硅(gui)(gui)原(yuan)子淀(dian)積(ji)在硅(gui)(gui)襯底上長(chang)(chang)成外延層。 通常使(shi)用(yong)(yong)的硅(gui)源(yuan)是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和(he)SiCL4。SiHCl3和(he)SiCl4常溫(wen)下是液體，外延生長溫(wen)度(du)高(gao)，但生長速度(du)快，易(yi)提(ti)純，使(shi)用(yong)(yong)安全(quan)，所以它(ta)們是較通用(yong)(yong)的硅(gui)源(yuan)。早期(qi)多使(shi)用(yong)(yong)SiCl4，近來(lai)使(shi)用(yong)(yong)SiHCl3和(he)SiH2Cl2逐(zhu)漸增多。 SiH2Cl2在常溫(wen)(wen)下是氣(qi)體，使(shi)用方便并且反應溫(wen)(wen)度(du)低(di)，是近年(nian)來逐漸擴(kuo)大使(shi)用的(de)硅源。SiH4也(ye)是氣(qi)體，硅烷外延的(de)特點是反應溫(wen)(wen)度(du)低(di)，無(wu)腐(fu)蝕(shi)性(xing)氣(qi)體，可得到(dao)雜(za)質(zhi)分(fen)布陡峭(qiao)的(de)外延層(ceng)， 缺點(dian)： 1、要求(qiu)生(sheng)長系統具(ju)有(you)良(liang)好(hao)的(de)(de)氣密性，否則會因漏氣而(er)產生(sheng)大量的(de)(de)外(wai)延缺陷。 2、SiH4在高(gao)溫(wen)和(he)高(gao)濃(nong)度(du)下易發生氣相(xiang)分(fen)解(jie)而生成粉末狀硅使外(wai)延(yan)無法進行。 對襯底的要求 在硅外延中使用的(de)(de)硅襯底是(shi)經過切、磨(mo)、拋(pao)等工藝(yi)仔細加工而成的(de)(de)，外延生(sheng)長前又經過嚴格的(de)(de)清洗、烘(hong)干，但(dan)表面上仍殘存有損傷、污染物(wu)及氧化物(wu)等。 為(wei)(wei)了(le)(le)提高外(wai)(wai)(wai)延(yan)(yan)層(ceng)的完(wan)整性，在(zai)外(wai)(wai)(wai)延(yan)(yan)生(sheng)長前應(ying)在(zai)反應(ying)室中(zhong)進(jin)行(xing)原位化學腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)拋光，以(yi)獲得(de)潔凈的硅表(biao)面(mian)。常用(yong)的化學腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)劑(ji)為(wei)(wei)干燥的HCl或HBr，在(zai)使SiH4外(wai)(wai)(wai)延(yan)(yan)生(sheng)長時，由于SF6具有(you)無(wu)毒(du)和非選擇、低溫(wen)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)特(te)點，所以(yi)可(ke)用(yong)它做(zuo)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)(shi)(shi)拋光劑(ji)。為(wei)(wei)了(le)(le)控制(zhi)外(wai)(wai)(wai)延(yan)(yan)層(ceng)的電特(te)性，通常使用(yong)液相或氣(qi)相摻雜法。作(zuo)為(wei)(wei)N型摻雜劑(ji)的有(you)PCl3,PH3和AsCl3，而作(zuo)為(wei)(wei)P型摻雜劑(ji)的有(you)BCl3、BBr3和B2H6等。 氣(qi)相外延生(sheng)長過程包括(kuo)： （1）反應劑（SiCl4或SiHCl3+H2）氣體混合(he)物質量轉移到(dao)襯(chen)底(di)表面； （2）吸收反(fan)應(ying)劑分(fen)子在表面上（反(fan)應(ying)物(wu)分(fen)子穿過附面層向襯底(di)表面遷(qian)移）； （3）在表面上進行(xing)反應或(huo)一系列反應； （4）釋放出副產物分子； ; （5）副產物分(fen)子向主氣流質(zhi)量轉(zhuan)移；（排(pai)外） （6）原子(zi)加接到(dao)生長階梯上。 外延設備及所用的氣體 化學氣(qi)相外延生長使(shi)用的設備裝置通常稱(cheng)謂外延生長反(fan)應爐。一(yi)般(ban)主要由氣(qi)相控制(zhi)系(xi)(xi)統、電(dian)子控制(zhi)系(xi)(xi)統、反(fan)應爐主體、排氣(qi)系(xi)(xi)統四部分(fen)組(zu)成。 根(gen)據反應室的結構，硅外(wai)延生(sheng)長系統有(you)水平(ping)式(shi)和立(li)式(shi)兩(liang)種，前者已很少使用(yong)，后(hou)者又分為平(ping)板式(shi)和桶(tong)式(shi)。立(li)式(shi)外(wai)延爐，外(wai)延生(sheng)長時(shi)基座不(bu)斷轉動，故均勻性好(hao)、生(sheng)產量大。 由(you)于SiCl4等硅(gui)源的氫還原及(ji)SiH4的熱分(fen)解反(fan)應(ying)的△H為(wei)正(zheng)值，即提高溫度有利于硅(gui)的淀積(ji)，因此反(fan)應(ying)器(qi)需要加熱，加熱方式主要有高頻(pin)感應(ying)加熱和紅外(wai)輻射加熱。通(tong)常在(zai)石(shi)英或不(bu)銹鋼反(fan)應(ying)室內放(fang)有高純(chun)石(shi)墨制的安放(fang)硅(gui)襯底(di)的基(ji)(ji)座(zuo)，為(wei)了保證硅(gui)外(wai)延層質量，石(shi)墨基(ji)(ji)座(zuo)表面包覆著SiC或沉積(ji)多晶硅(gui)膜。 反應爐爐體(ti)它是(shi)在高純(chun)石英(ying)鐘罩中懸掛著一個(ge)多邊錐狀桶式經過特殊(shu)處理的高純(chun)石墨基座。基座上放置(zhi)硅片(pian)，利(li)用紅外燈快速(su)均勻加(jia)熱。九段溫控、中心軸(zhou)可以旋轉，進行嚴格雙(shuang)密封的耐(nai)熱防爆結構。 電源(yuan)(yuan)系統(tong)：獨立電源(yuan)(yuan)線(xian)(xian)、3相4線(xian)(xian)、50Hz、350A 氣(qi)體(ti)控(kong)制系(xi)統：高精度的質量流量計、傳動器(qi)氣(qi)動閥控(kong)制，無泄露、耐腐蝕的EP管、氫(qing)（H2）檢漏、報警系(xi)統 冷卻系統(tong)(tong)：足夠的水冷循(xun)環系統(tong)(tong)和(he)風冷循(xun)環系統(tong)(tong) 控(kong)制系統：微機程序(xu)控(kong)制、聯(lian)鎖(suo)方法，安(an)全可靠 爐體：石(shi)英鐘(zhong)罩、石(shi)英環、石(shi)英吊桿、護套(tao)、雙密封泵、高純石(shi)墨基座 溫度控制系統：獨特的紅外燈輻射加(jia)(jia)熱、9段溫控，均勻快速加(jia)(jia)熱，可調 氣相外(wai)延爐 硅外延生長基本工藝 工藝流程 ?單(dan)晶定向后(hou)，用內（外）圓/線(xian)切割機切成厚度為400~550 mm的薄片； ?磨(mo)片機上用(yong)金剛(gang)砂(sha)磨(mo)平(ping)（倒角(jiao)）后(hou)，再用(yong)SiO2膠體溶液拋光成鏡面，制成襯底;?清洗甩（烘）干后(hou)，放在基座(zuo)上； ?封閉(bi)反應室通(tong)高純(chun)H2排(pai)除(chu)反應室中的(de)空氣； ? 啟(qi)動加熱系統，調整溫度(du)到所需(xu)溫度(du)。? 反應(ying)所需的氫氣經凈(jing)化器提純, 一(yi)路通(tong)反應(ying)室，另一(yi)路通(tong)硅源容器, 攜帶(dai)硅源入(ru)反應(ying)室。 ?生(sheng)長前用干燥的(de)HCl或Br（HBr）在高(gao)溫下對襯底進行(xing)氣相拋光處理(li)； ?調整反應室溫(wen)度至生長溫(wen)度，按需要通入硅(gui)(gui)源和氫氣進(jin)行硅(gui)(gui)外延生長； ?按實驗求得的(de)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)速率和所需(xu)要的(de)外延(yan)層厚度來確定(ding)生(sheng)(sheng)長(chang)(chang)時間； ?生長結束時，停止通硅源，但繼續通氫氣并降(jiang)溫(wen)至(zhi)室溫(wen)，取(qu)出(chu)外(wai)延片進行(xing)參數測試。 硅外延生長的基本原理和影響因素 以SiCl4源介紹其生長原理及(ji)影響(xiang)因素。 SiCl4氫(qing)還原的基(ji)本反應(ying)方程： SiCl4+2H2 = Si+4HCl 影響因素 1.SiCl4濃度對生長率的影響 2.溫度對生(sheng)長速(su)率的影(ying)響(xiang) 溫度較低時,生長速率(lv)隨溫度升(sheng)高呈指(zhi)數規(gui)律上升(sheng) 較高溫(wen)度區(qu),生長(chang)速率隨溫(wen)度變(bian)化較平緩。 3.氣流速度對(dui)生(sheng)長速率的影響 反應物(wu)濃度(du)和生長溫度(du)一(yi)定時，水平式(shi)反應器中的(de)生長速(su)率與總氫氣流速(su)的(de)平方(fang)根成正比。 立(li)式(shi)反應器(qi)，流速(su)較低時生長速(su)度與總氫氣流速(su)平(ping)方根成比例； 流速(su)超過一定值(zhi)后，生長速(su)率達到穩定的極限(xian)值(zhi)而不再(zai)增加。 4.襯底(di)晶向的影響 常壓外(wai)延生(sheng)長條(tiao)件下（SiCl4+H2源(yuan)，生(sheng)長溫度(du)T=1280℃，SiCl4濃度(du)0.1%） 晶向 〈100〉 〈110〉 〈111〉 生長速度μm/min 1.65 1.52 1.39 注意：偏離〈111〉晶向不同角度的襯底相應有一個最大允許生長速率（臨界生長速度），超過此速率生長外延層時會出現缺陷。 硅外延層電阻率的控制 不同(tong)器(qi)件對(dui)外延(yan)層的電參(can)數要(yao)求不同(tong)。 1 外延層中(zhong)的(de)雜(za)質及摻(chan)雜(za) 1.1外延層(ceng)中(zhong)雜質來源 外(wai)延層中總的載流子濃(nong)度N總可(ke)表(biao)示(shi)為 N總=N襯底±N氣±N鄰片(pian)±N擴(kuo)散±N基座±N系統 正負號(hao)由(you)雜質類(lei)型決定(ding)，與襯底中雜質同類(lei)型取正號(hao)，與襯底中雜質反(fan)型取負號(hao)。 雜(za)(za)質(zhi)不是來源于襯底片稱為外摻雜(za)(za)。 如：N氣、N基座、N系統(tong) 雜質來源于襯底片，稱(cheng)為自摻雜。 如(ru)：N擴散、N襯底、N鄰片(pian) 結論：盡管(guan)外延層(ceng)中的(de)雜質(zhi)來源于各方面，但決定外延層(ceng)電阻率的(de)主(zhu)(zhu)要原因還是人為控制的(de)摻雜劑(ji)的(de)多少；即N氣(qi)起主(zhu)(zhu)導(dao)作(zuo)用。 1.2外延生長的摻(chan)雜 N型(xing)摻雜劑(ji)：PCl3、AsCl3、SbCl3和AsH3； P型摻雜劑：BCl3、BBr3、B2H6。 SiCl4為源(yuan)，鹵化物(wu)作摻雜劑，使(shi)用兩(liang)個SiCl4揮(hui)發器。 調節揮發器的(de)氫氣流量(liang)和溫(wen)度(du)，控制外延片的(de)電(dian)阻率。 AsH3、B2H6等(deng)氫(qing)化物摻(chan)雜劑，純H2將它們(men)稀(xi)釋后裝鋼瓶，控制它和通過SiCl4揮發器的H2流量調整(zheng)外延(yan)層的電阻率。 SiH4為(wei)源, 摻雜劑使用AsH3、B2H6。 高阻P型外延層，常(chang)用低(di)阻P型襯底自摻雜(za)效應實現摻雜(za)。 2 外延中雜質的再(zai)分(fen)布 希(xi)望外延層和襯底界(jie)面處(chu)的摻雜(za)濃(nong)度很陡； 襯底中的雜質(zhi)會擴散進入外(wai)(wai)延(yan)層(ceng)，致(zhi)使(shi)外(wai)(wai)延(yan)層(ceng)和襯底之間界面處的雜質(zhi)濃(nong)度梯度變平。 N1（x，t）：重摻(chan)雜(za)襯底擴(kuo)散(san)造成的(de)雜(za)質(zhi)濃度分布； N2（x，t）：外部(bu)摻(chan)入的雜(za)質濃度分布曲線。 總的雜質濃度 N（x，t）=N1（x，t）±N2（x，t） 3 外(wai)延層(ceng)生(sheng)長中的自摻雜(za) 自摻雜效應：襯(chen)底中(zhong)的雜質進入(ru)(ru)氣相中(zhong)再摻入(ru)(ru)外延層。 自摻雜造成的(de)影響： 外延層電阻率的控制受到(dao)干擾； 襯底外(wai)延層界面處雜質分布變緩(huan)； 器(qi)件(jian)特(te)性偏離，可(ke)靠性降低； 妨礙雙極型集成電(dian)路提高(gao)(gao)速度(du)和微波(bo)器件提高(gao)(gao)頻率。 抑(yi)制自摻雜(za)的方法： 1.盡量(liang)減少雜(za)質由襯底逸出。 （1）使(shi)用蒸發速度較小的雜質做襯底(di)和埋層(ceng)中的雜質。 （2）外延生(sheng)長(chang)前高溫加(jia)熱襯底。 （3）背(bei)面封閉(bi)技術。 （4）采用低溫外延(yan)技術(shu)和不含(han)有鹵原子的(de)硅源。 （5）二段外延生長技術。 2. 減壓生長技術, 使(shi)已蒸發(fa)到氣(qi)相中的雜質盡量不再進入外(wai)延(yan)層(ceng)。 4 外延層的夾層 外(wai)延層(ceng)(ceng)(ceng)的夾層(ceng)(ceng)(ceng)：外(wai)延層(ceng)(ceng)(ceng)和襯(chen)底界面(mian)附近出現高阻層(ceng)(ceng)(ceng)或反型層(ceng)(ceng)(ceng)。 兩種類型： （1）導電類型混亂，擊穿圖形異(yi)常，用磨角染色法觀察(cha)，界面不清(qing)晰； （2）導電類型異常，染色觀察會(hui)看到一條清晰的帶。 夾層產生的原(yuan)因： （1）P型雜(za)質沾污，造成N型外延(yan)層被高度補償； （2）襯底中(zhong)基硼的含量大于(yu)3×1016cm-3時，外(wai)延層容(rong)易出現夾層。 防止(zhi)夾層出現的方(fang)法： （1）提高(gao)重摻(chan)單(dan)晶質(zhi)量，絕(jue)不能用復拉(la)料或反型(xing)料拉(la)重摻(chan)單(dan)晶； （2）工藝中防止引入P型雜質，降(jiang)低(di)單(dan)晶中B的含(han)量， （3）外(wai)延生長(chang)時先長(chang)一(yi)層(ceng)(ceng)(ceng)N型低阻層(ceng)(ceng)(ceng)（如0.1W×cm）作為過渡層(ceng)(ceng)(ceng)，可控制夾層(ceng)(ceng)(ceng)。 由于硅單晶質量和外(wai)延生(sheng)長技術水(shui)平的提高(gao)，夾層已很少出現(xian)。 硅外延層的缺陷 外(wai)延(yan)片中的缺陷分(fen)兩類(lei)： （1）表(biao)面(mian)缺陷（宏觀缺陷）。如云霧、劃道(dao)、亮點、塌邊、角錐、滑(hua)移線等(deng)。 （2）內部結構缺(que)陷（微觀缺(que)陷）。如(ru)：層(ceng)錯、位錯等。 1 外延(yan)片的表面缺陷 1.1云(yun)霧狀表面 表面呈乳白(bai)色條紋(wen)，肉眼即可(ke)看(kan)到。 起(qi)因：氫氣純度(du)低，H2O過(guo)多(duo)或氣相拋光濃度(du)過(guo)大，生長(chang)溫度(du)太低。 霧(wu)(wu)狀表(biao)面缺陷(xian)①霧(wu)(wu)圈 ②白霧(wu)(wu) ③殘跡 ④花霧(wu)(wu) 1.2角(jiao)錐體(ti)（三角(jiao)錐或(huo)乳突） 形狀象沙丘，用肉眼可看見。 防(fang)止角(jiao)錐(zhui)體產生采取的措施： ①選擇與(yu)（111）面朝(chao)〈110〉偏(pian)離(li)3~4°的(de)晶向切(qie)片，提高臨界生長速(su)度； ②降低生長速度； ③防止塵(chen)埃及(ji)碳化物沾污，注意清潔等。 角錐體 1.3亮點(dian) 外形為烏黑發亮的小(xiao)圓點。 40~60倍顯微鏡下呈(cheng)發亮的小(xiao)突起(qi)。 大(da)者為多晶點(dian)，可因系統沾污，反應室(shi)硅粉(fen)，SiO2粒脫(tuo)落，氣(qi)相拋光(guang)不當或襯底裝入反應室(shi)前表面有飄落的灰塵等引起(qi)。 細小的(de)亮(liang)點多半由襯底拋光不充分或清(qing)洗不干凈造成。 1.4塌(ta)邊（取向平面） 外延(yan)生(sheng)長后(hou)片子(zi)邊緣部(bu)分(fen)比(bi)中間部(bu)分(fen)低(di)，形成(cheng)一圈或一部(bu)分(fen)寬1~2mm左右的斜平面，是(shi)無缺陷(xian)的完整的（111）面。 形成塌邊(bian)的原因：襯(chen)底(di)加工時造成片(pian)邊(bian)磨(mo)損而偏離襯(chen)底(di)片(pian)晶向。 如傾斜(xie)面為(wei)（111）面，在外(wai)延時它會擴(kuo)展而長成（111）取向小(xiao)平面。 1.5劃痕(hen) 一般(ban)由機械損傷引起(qi)，用鉻酸腐(fu)(fu)蝕(shi)液腐(fu)(fu)蝕(shi)時會在其兩旁出(chu)現成行排列的層錯(cuo)。 1.6星(xing)形(xing)線(xian)（滑(hua)移線(xian)） 外延層表面出現平(ping)行的或順〈110〉方向伸展的線條，高低不平(ping)肉(rou)眼(yan)可見(jian)。 鉻酸(suan)腐蝕(shi)液腐蝕(shi)后在線的一側出現(xian)位錯(cuo)排。 起(qi)因：與硅(gui)片在加熱過程(cheng)中受到的熱應力(li)有關，采(cai)用襯底邊(bian)緣(yuan)倒角的辦(ban)法來消除(chu)。 2 外(wai)延(yan)層的內(nei)部缺陷 2.1層(ceng)錯 硅外延生長時(shi)，外延層常(chang)常(chang)含(han)有大(da)量的(de)層錯。 外延層層錯(cuo)形貌分為單線、開口、正三角形、套(tao)疊三角形和(he)其他組態(tai)。 2.2位(wei)錯 處(chu)理好(hao)的(de)襯底上用(yong)正常方法(fa)生長的(de)外延層中，位(wei)錯密度大(da)致與襯底的(de)位(wei)錯密度相近或稍少一(yi)些。 基座上溫度分布不好，片子直徑又大，片子內將形成一個溫度梯度，摻雜或(huo)異質(zhi)外延時引(yin)入位錯(cuo)。 3 微缺(que)陷 微缺(que)陷：硅外延(yan)層經(jing)鉻酸腐(fu)蝕液腐(fu)蝕后呈現淺(qian)三角(jiao)坑(keng)或(huo)(huo)丘(qiu)狀(zhuang)物的(de)缺(que)陷，宏觀(guan)看是一種“霧狀(zhuang)”或(huo)(huo)“漬狀(zhuang)”。 起因：多種雜質(zhi)沾污引起，Fe、Ni等影響最大。 Fe的濃度達到1015cm-3時(shi)，明(ming)顯地產生這(zhe)種云霧狀缺陷。 消除方法：工藝中注意基座及工具的清潔處理，應(ying)用“吸雜技術(shu)”。
