第五章-硅外延生长

半导体材料

2第五章硅外延生长

5.1外延生长概述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）3外延生长分类根据外延层性质正外延：器件制作在外延层上反外延：器件制作在衬底上同质外延：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；4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）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5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。6

75.2硅的气相外延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8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9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。10四部分组成：氢气净化系统、气体输运及净化系统、加热设备和反应室根据反应室的结构，由水平式和立式，后者又分为平板式和桶式加热反应器，提高温度，有利于硅的淀积，加热方式有高频感应加热和红外辐射加热。

5－2－2硅外延生长设备115-2-3外延工艺顺序把干净的硅片装入反应室吹入惰性气体并充入氢气（LPVCD：抽真空）加热到氢气烘烤温度（1200℃）以除去氧化层（该步骤能去除50-100A的SiO2层）a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6)以刻蚀表面的硅层；c)吹气以除去系统中的杂质和HCla)冷却到沉积温度；b)引入硅原料和掺杂剂以沉积所要的薄膜；c)吹入氢气以去除硅原料和掺杂剂冷却到室温吹走氢气并重新充入氮气取出硅片12原理：SiCl4+2H2

Si+4HCl5-2-4硅外延生长的基本原理和影响因素以SiCl4为例13生长过程：141.SiCl4浓度对生长速率的影响随着浓度增加,生长速率先增大后减小.152.温度对生长速率的影响温度较低时,生长速率随温度升高呈指数规律上升较高温度区,生长速率随温度变化较平缓.163.气流速度对生长速率的影响生长速率与总氢气流速的平方根成正比4.衬底晶向的影响生长速率<100>><110>><111>175-2-5硅外延生长动力学过程两个模型:气-固表面复相化学反应模型,气相均质反应模型18边界层：P110在接近基座表面的流体中出现一个流体速度受到干扰而变化的薄层，而在薄层外的流速不受影响，称此薄层为边界层，也叫附面层，停滞层，滞流层。边界层厚度与流速平方根成反比

气-固表面复相化学反应模型19此模型认为硅外延生长包括下列步骤:1.反应物气体混合向反应区输运2.反应物穿过边界层向衬底表面迁移3.反应物分子被吸附在高温衬底表面上4.在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体的原子和气体副产物，原子进入晶格格点位置形成晶格点阵，实现晶体生长5.副产物气体从表面脱附并穿过边界层向主气流中扩散6.气体副产物和未反应的反应物，离开反应区被排出系统20

气相均质反应模型

这个模型认为：外延生长反应不是在固－气界面上，而是在距衬底表面几微米的空间中发生。反应生成的原子或原子团再转移到衬底表面上完成晶体生长。215－3硅外延层电阻率的控制不同器件对外延层的电参数要求是不同的，这就需要在外延生长过程中，精确控制外延层中的杂质浓度和分布来解决225－3－1外延层中的杂质及掺杂1.外延层中的杂质外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为：N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量N基座：来自基座的杂质浓度分量N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量23N气，N基座，N系统，杂质不是来源衬底片，因此称为外掺杂N扩散，N衬底，N邻片的杂质来源于衬底片，通称为自掺杂2.外延生长的掺杂外延用PCL3,ASCI3,SbCI3，AsH3做N型掺杂剂，用BCL3,BBr3，B2H6做P型掺杂剂245-3-2外延中杂质的再分布外延层中含有和衬底中的杂质不同类型的杂质，或者是同一种类型的杂质，但是其浓度不同。通常希望外延层和衬底之间界面处的掺杂浓度梯度很陡，但是由于高温下进行外延生长，衬底中的杂质会进入外延层，使得外延层和衬底处的杂质浓度变平25注意：外延层的实际界面外延层中杂质分布是两者的总和衬底扩散造成的杂质分布外部掺入的杂质浓度分布265－3－3外延层生长中的自掺杂自掺杂效应：衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层抑制自掺杂的途径：一：减少杂质由衬底逸出

1.使用蒸发速度较小的杂质做衬底和埋层中的杂质

2.外延生长前高温加热衬底，使硅衬底表面附近形成一杂质耗尽层，再外延时杂质逸出速度减少可降低自掺杂3.采用背面封闭技术，即将背面预先生长高纯SiO2或多晶硅封闭后再外延，可抑制背面杂质的蒸发而降低自掺杂。

27二：采用减压生长技术使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层一般在1.3103～2104Pa的压力下进行。4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。

5.采用二段外延生长技术即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源，只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长第二段外延层，直到达到预定厚度285－3－4外延层的夹层外延层的夹层指的是外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反型层。分为两种类型：

一是在检测时导电类型混乱，击穿图形异常，用染色法观察界面不清晰

二是导电类型异常，染色观察会看到一条清晰的带29外延层产生的原因也有两种：第一种夹层情况认为P型杂质沾污，造成N型外延层被高度补偿

解决办法：P型杂质主要来源于SiCL4，只要提高SiCL4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。

第二种情况是由于衬底引起的当衬底中硼的含量大于31016cm－3时，外延层中就容易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快，结果使得硼扩散到外延层中补偿了N型杂质，形成了一个高阻层或反型层。解决办法：一是提高重掺杂单晶质量；二是在工艺中防止引入P型杂质，降低单晶中B的含量；三是在外延生长时可以先长一层N型低阻层作为过渡层，控制夹层。305－4硅外延层的缺陷分类：

一：表面缺陷，也叫宏观缺陷如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移线等

二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷如层错，位错315－4－1外延片的表面缺陷云雾状表面外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以看到。

一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛光浓度过大，生长温度太低等引起的。角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘，用肉眼可以看到。32雾状表面缺陷①雾圈

②白雾

③残迹④花雾①雾圈②白雾③残迹④花雾33角锥体34亮点：外形为乌黑发亮的小圆点塌边：又叫取向平面，它是外延生长后在片子边缘部分比中间部分低形成一圈或一部分宽1～2mm左右的斜平面。形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏离衬底片晶向。35划痕：由机械损伤引起星形线（滑移线）：

365－4－2外延层的内部缺陷层错

层错形貌分为单线，开口，正三角形，套叠三角形和其他组态位错

外延层中的位错主要是由于原衬底位错延伸引入的另外可能是由于掺杂和异质外延时，由于异类原子半径的差异或两种材料晶格参数差异引入内应力。例如在Si中掺B,P,它们的半径比Si小，它们占据硅的位置时，Si的点阵会发生收缩；当掺入AL,Sb等比Si半径大的原子时，Si点阵会发生扩张。也就是产生晶格点阵的失配。37晶格点阵的失配会使外延片呈现弯曲。当弯曲程度超过弹性范围，为缓和内应力就会出现位错，称之为失配位错。为了消除应力，采用应力补偿法，即在外延或扩散时，同时引入两种杂质，使它们产生的应变正好相反。当两种杂质原子掺入的比例适当时，可以使应力相互得到补偿，减少或避免晶格畸变。从而消除失配位错的产生。这种方法称为“双掺杂技术”。385-5硅的异质外延在蓝宝石、尖晶石衬底上进行硅的SOS外延生长和在绝缘衬底上进行硅的SOI异质外延。SOS:SilicononSapphireSilicononSpinel

在单晶绝缘衬底蓝宝石（α－AI2O3）或尖晶石(MgO.AI2O3)上外延生长硅

SOI:SilicononInsulator

SemiconductorOninsulator395－5－1SOS技术蓝宝石和尖晶石是良好的绝缘体，以它们作为衬底外延生长硅制作集成电路，可以消除集成电路元器件之间的相互作用，不但可以减少漏电流和寄生电容，增强抗辐射能力和降低功耗，还可以提高集成度和双层布线，是大规模、超大规模集成电路的理想材料。401.衬底的选择选择异质外延衬底材料时，需要考虑的因素：1.考虑外延层和衬底材料之间的相容性。包括晶体结构，熔点，蒸汽压、热膨胀系数等。2.考虑衬底对外延层的沾污问题。目前最适合硅外延的异质衬底是蓝宝石和尖晶石。当前工业生产上广泛使用蓝宝石做衬底。412.SOS外延生长存在问题：自掺杂效应衬底表面的反应：AL2O3+2HCL+H2=2ALCL↑+3H2O

铝的低价氯化物为气体，它使衬底被腐蚀，导致外延层产生缺陷。氢气和淀积的硅也会腐蚀衬底2H2+AL2O3=AL2O+2H2O5Si＋2AL2O3=AL2O＋5SiO+2ALSiCL4对衬底的腐蚀大于SiH4,所以SOS外延生长，采用SiH4热分解法更有利。在衬底尚未被Si完全覆盖之前，上述腐蚀反应都在进行为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用双速率生长和两步外延等外延生长方法。42双速率生长：先用高的生长速率(1～2um/min),迅速将衬底表面覆盖(生长100～200nm)。然后再以低的生长速率(约0.3um/min)长到所需求的厚度。

两步外延法是综合利用SiH4/H2和SiCI4/H2两个体系的优点。即第一部用SiH4/H2体系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用SiCI4/H2体系接着生长到所要求的厚度。43SOS技术的缺点及需要解决的问题缺点：1）由于晶格失配（尖晶石为立方结构，蓝宝石为六角晶系）问题和自掺杂效应，外延质量缺陷多，但厚度增加，缺陷减小。2）成本高，一般作低功耗器件，近来用SOI代替，可降低成本。需要解决的问题:提高SOS外延层的晶体完整性,降低自掺杂,使其性能接近同质硅外延层的水平并且有良好的热稳定性445-5-2SOI技术SOI技术是IBM公司首先开发成功的芯片制造技术在1998年研制成功，于2000年正式应用于其PowerPCRS64IV芯片上的半导体制造技术。SOI硅绝缘技术是指在半导体的绝缘层（如二氧化硅）上，通过特殊工艺，再附着非常薄的一层硅，在这层SOI层之上再制造电子设备。

此工艺可以使晶体管的充放电速度大大加快，提高数字电路的开关速度。SOI与传统的半导体生产工艺（一般称为bulkCMOS）相比可使CPU的性能提高性能25%-35%，降低功耗1.7-3倍。SOI：SiliconOnInsulator绝缘体上的硅45体硅CMOS技术46SOI(Silicon-On-Insulator:

绝缘衬底上的硅)技术47低压SOI器件体硅SOI双栅SOI48SOI的结构特点是在有源层和衬底层之间插入埋氧层来隔断二者的电连接。

SOI和体硅在电路结构上的主要差别在于：硅基器件或电路制作在外延层上，器件和衬底直接产生电连接，高低压单元之间、有源层和衬底层之间的隔离通过反偏PN结完成，而SOI电路的有源层、衬底、高低压单元之间都通过绝缘层完全隔开，各部分的电气连接被完全消除。

49为其带来了寄生效应小、速度快、功耗低、集成度高、抗辐射能力强等诸多优点。SOI的结构特点和相同条件下的体硅电路相比，SOI电路的速度可提高25-35%，功耗可下降2/350SOI技术的挑战1、SOI材料是SOI技术的基础SOI技术发展有赖于SOI材料的不断进步，材料是SOI技术发展的主要障碍之一这个障碍目前正被逐渐清除SOI材料制备目前最常用的方法：

SDBSIMOXSmart-CutELTRAN51SDB(SiliconDirectBonding)直接键合技术SIMOX(SeparatingbyImplantingOxide)氧注入隔离SmartCut智能切割ELTRAN(EpoxyLayerTransfer)外延层转移52

SDB(SiliconDirectBonding)直接键合技术，是采用键合技术形成SOI结构的核心技术之一。1.SDB将两片硅片通过表面的SiO2层键合在一起,再把背面用腐蚀等方法减薄来获得SOI结构53当两个平坦的具有亲水性表面的硅片（如被氧化的硅片）相对放置在一起时，即使在室温下亦回自然的发生键合。亲水性是指材料表面与水分子之间有较强的亲和力.通常表现为洁净固体表面能被水所润湿通常认为，键合是由吸附在两个硅片表面上的OH-在范德瓦尔斯力作用下相互吸引所引起的在室温下实现的键合通常不牢固，所以键合后还要进行退火，键合的强度随退火温度的升高而增加。键合后采用机械研磨或化学抛光的方法，将器件层的硅片减薄到预定厚度。54键合(Bonded)技术优缺点：硅膜质量高埋氧厚度和硅膜厚度可以随意调整适合于大功率器件及MEMS技术硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍键合要用两片体硅片制成一片SOI衬底，成本至少是体硅的两倍5556SDB57SIMOX(SeparatingbyImplantingOxide)氧注入隔离，是通过氧离子注入到硅片，再经高温退火过程消除注入缺陷而成.2.SIMOX

58O2O259采用SIMOX技术制备的硅膜均匀性较好，调整氧离子注入剂量可使厚度控制在50～400nm的范围。但由于需要昂贵的高能大束流离子注入机，还要经过高温退火过程，所以制备成本很高，价格非常贵。

采用SIMOX技术制备的顶层硅膜通常较薄，为此，人们采用在SIMOX基片上外延的方法来获得较厚的顶层硅，即所谓的ESIMOX（EpoxySIMOX）技术。但是厚外延将在硅膜中引起较多的缺陷，因此SIMOX技术通常用于制备薄硅膜、薄埋氧层的SOI材料。

6061各层性能20世纪90年代今后上层Si的均匀性/埃＜±100

＜±25SiO2埋层厚度/um0.3~0.50.05~0.5SiO2埋层的均匀性±3%±1%平均缺陷密度/cm-2105~104103~102样品表面的粒子数注入后/cm-2(粒子大小)＜0.75＜0.016退火后/cm-2(粒子大小)＜0.016＜0.016SIMOX材料现在的水平和今后的需要62SIMOX材料：最新趋势是采用较小的氧注入剂量显著改善顶部硅层的质量降低SIMOX材料的成本低注入剂量(~41017/cm2)的埋氧厚度薄：800～1000Å退火温度高于1300℃，制备大面积(300mm)SIMOX材料困难63

SmartCut智能切割兼具有SDB和SIMOX的特点，工艺流程包括热氧化、注氢、低温键合、热处理剥离、精密抛光等。这种方法制得的硅片顶部硅膜的均匀性相当好，单片厚度偏差和片间偏差可控制在10nm以内，另外生产成本也可降低，因为不需要昂贵的专用大束流离子注入机和长时间的高温退火，所以这是一种极有前途的SOI制备技术。特别适用于制备薄硅膜、厚埋氧层材料