半导体工艺原理-硅外延制备工艺(2013.3.25)(贵州大学)

硅外延制备工艺定义工艺目的外延设备外延工艺流程单晶半导体材料硅外延生长

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。

外延的分类

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。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(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。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。外延的作用

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。外延工艺解决的问题解决办法：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。

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，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。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。(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。硅的气相外延生长气相硅外延生长：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。通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCL4。

SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但生长速度快，易提纯，使用安全，所以它们是较通用的硅源。早期多使用SiCl4，近来使用SiHCl3和SiH2Cl2逐渐增多。SiH2Cl2在常温下是气体，使用方便并且反应温度低，是近年来逐渐扩大使用的硅源。SiH4也是气体，硅烷外延的特点是反应温度低，无腐蚀性气体，可得到杂质分布陡峭的外延层，缺点：1、要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而产生大量的外延缺陷。2、SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末状硅使外延无法进行。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，所以可用它做腐蚀抛光剂。为了控制外延层的电特性，通常使用液相或气相掺杂法。作为N型掺杂剂的有PCl3,PH3和AsCl3，而作为P型掺杂剂的有BCl3、BBr3和B2H6等。硅外延生长设备硅外延生长设备主要由四部分组成，即氢气净化系统、气体输运及控制系统、加热设备和反应室。根据反应室的结构，硅外延生长系统有水平式和立式两种，前者已很少使用，后者又分为平板式和桶式。立式外延炉，外延生长时基座不断转动，故均匀性好、生产量大。由于SiCl4等硅源的氢还原及SiH4的热分解反应的△H为正值，即提高温度有利于硅的淀积，因此反应器需要加热，加热方式主要有高频感应加热和红外辐射加热。通常在石英或不锈钢反应室内放有高纯石墨制的安放硅衬底的基座，为了保证硅外延层质量，石墨基座表面包覆着SiC或沉积多晶硅膜。我国目前最先进的硅外延设备中国最大的半导体相关应用研究院之一，有色金属研究总院(GRINM)向InternationalN.V.订购的300mm外延设备--Epsilon®3200。Epsilon3200主要用途是硅和锗化硅的外延生长。这是销售到中国大陆的首台300mm外延设备ASMInternationalN.V.(荷兰)和它的分支机构设计和制造用于生产半导体装置的设备和材料。公司通过他们在美国，欧洲，日本和亚洲的工厂既为硅晶片处理（前工序），也为集成和封装（后工序）提供生产解决方案。EpsilonSeriesSingle-WaferEpitaxialReactors

红外加热：AMC77007810MTC7700K高频感应加热：gemini2(180khz）低频感应加热：EPIPRO5000(25khz)MBE_STM联合系统

气相外延常用的基座桶形基座圆盘形基座（垂直基座）水平基座单片式外延反应基座硅外延生长基本工艺硅单晶定向

切割400-500μm磨平

抛光Si02胶体溶液清洗烘干置于基座抽高真空通高纯H2加热去除氧化层通氢气和硅源恒温反应

断硅源停止反应室温取出参数测试通刻蚀剂原位刻蚀通氢气排出刻蚀剂一、硅外延生长的基本原理和影响因素

采用不同的硅源其外延生长原理大致相同，以研究得较充分的sicl4为源的水平系统外延生长为例，生长时要考虑下列影响因素。1．SiCl4浓度对生长速率的影响2．温度对生长速率的影响3．气流速度对生长速率的影响4．衬底晶向的影响硅气相外延生长装置原理图反应原理：

SiCl4（气体）+2H2（气体）

Si+4HCl（气体）同时伴随着另一个竞争反应：

SiCl4（气体）

+Si

SiCl2（气体）因此，如果四氯化硅浓度太高，将发生硅的腐蚀而不是硅的生长。生长过程：硅外延生长动力学过程：1、气-固表面复相化学反应模型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。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2、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。

1、生长速率与温度的关系式中，Cg

代表主气流中的反应剂浓度，N

代表硅的原子密度除以反应气体分子中的硅原子数。

外延膜的生长速率R

可表为硅外延生长的主要影响因素

当温度较低时，hg>>ks

，生长速率由表面反应速率常数ks

决定；当温度较高时，hg

<<ks

，生长速率由气相质量转移系数

hg

决定。

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。

实际生产中外延温度在高温区，生长速率由气相质量转移系数

hg

决定，这时温度的微小变动不会对生长速率造成显著的影响，因此外延对温度控制精度的要求不是太高。

在高温区进行外延生长时，到达硅片表面的硅原子有足够的能量和迁移能力，可在硅片表面运动而到达晶格位置，从而外延出单晶薄膜。温度太低或太高，都会形成多晶薄膜。温度太高还会导致杂质的扩散加重。

在一般的工艺条件下，外延生长速率约为

1

m

/min。

可以利用

SiH4

热分解法来进行硅的气相外延。但这种方法虽然温度较低

，却因

SiH4

会在气相中成核而产生较多的颗粒

，除非使用超高真空，否则外延层的质量很差。

硅的气相外延多利用硅氯化物SiHxCl4-x

(

x=0、1、2、3

)与

H2

的反应来淀积单晶硅。反应气体分子中氯原子数越少，所需的化学反应激活能就越小，反应温度就越低。最早使用的是

SiCl4，激活能为

1.6

~1.7

eV，反应温度在

1150oC

以上。现在普遍使用的是SiH2Cl2，激活能为

0.3~0.6

eV。

2、生长速率与反应剂浓度的关系

所有的氯硅烷都有相似的反应途径，先通过同质反应产生气态的次生反应物

SiCl2

和

HCl，然后再发生以下可逆反应

SiCl2+H2

Si+2

HCl

以

SiCl4

为例，当反应剂浓度较低时，SiCl2

和

HCl

的浓度都较低，正向反应占优势，进行外延生长，生长速率随反应剂浓度的提高而加快

。由于

HCl

浓度比

SiCl2

浓度提高得更快

，当反应剂浓度达到某值时，生长速率达到最大，之后随反应剂浓度的提高而变慢。当反应剂浓度继续提高到某值时，逆向反应占优势，发生对硅的腐蚀，且腐蚀速率随反应剂浓度的提高而加快。

生长速率太快也会导致形成多晶层。

定义气体的超饱和度为

当为正时发生外延生长，当为负时发生硅的腐蚀。

气体流速将影响滞流层的厚度。滞流层平均厚度与气体流速之间的关系是3、生长速率与气体流速的关系

一般的外延工艺条件下，生长速率由气相质量转移系数

hg决定，生长速率随气体流速的增加而增加。但当气体流速很大时，滞流层厚度很薄，hg

变得很大，使外延生长由反应剂输运限制过渡到化学反应速率限制，这时生长速率由化学反应速率常数ks

决定而与气体流速的关系不大。

二、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。为精确控制器件的电阻率，需要精确控制外延层中的杂质浓度和分布。外延层中的杂质及掺杂外延层中杂质的来源（1）主掺杂质：用于控制外延层的电阻率。常用磷烷、砷烷和乙硼烷作为主掺杂质源。它与硅源一道随主气流进入外延反应室，在外延生长过程中进入外延层。（2）固态外扩散杂质：（a）衬底中掺入的杂质在外延过程中，通过固态外扩散进入外延层；（b）对于同型外延，衬底中反型杂质通过固态扩散进入外延层形成外延夹层。（3）气相自掺杂：重掺衬底或重掺埋层中的杂质经蒸发后进入气流中在后又掺入外延层中。（4）系统自掺杂：吸附在外延反应室内壁和外延基座表面的杂质，解吸后进入气流形成新的掺杂源。（5）金属杂质：衬底硅片、外延基座和外延系统中沾污的金属杂质在外延过程中进入外延层。外延层中总的载流子浓度N总可表示为

N总=N衬底±N气±N邻片±N扩散±N基座±N系统

N衬底：为由衬底中挥发出来的杂质在外延生长时掺入外延层中的杂质浓度分量。

N气：为外延层中来自混合气体的杂质浓度分量。

N邻片：为外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量。

N扩散：为衬底中杂质经过固相扩散进入外延层中的杂质浓度分量。

N基座：为来自基座的杂质浓度分量。

N系统：为来自除上述因素以外整个生长系统引入的杂质浓度分量。式中的正负号由杂质类型决定，与衬底中杂质同类型者取正号，与衬底中杂质反型者取负号。式中的正负号由杂质类型决定，与衬底中杂质同类型者取正号，与衬底中杂质反型者取负号。

N气、N基座、N系统由于杂质不是来源于衬底片故被称为外掺杂。N系统主要与系统的清洁度有关，N基座主要与基座的纯度有关，而N气主要由掺杂决定，如果清洁处理良好，并采用高纯的基座，则外掺杂主要由人为的掺杂条件来决定。

N散、N衬底、N邻片的杂质来源于衬底片，所以又通称为自掺杂。尽管外延层中的杂质来源于各方面，但决定外延层电阻率的主要因素还是人为控制的掺杂剂的多少；即N气起主导作用(不掺杂的高阻外延层，如生长很薄，主要由自掺杂决定，如生长很厚应由SiCl4源的纯度决定。)其他杂质分量因变化多端，它们会干扰外延层电阻率的精确控制，所以在外延时应采取各种办法来抑制它们，或减少其影响。要降低衬底杂质外扩散的影响有两个途径：一是降低外延生长的温度；二是选择扩散系数小的杂质作为衬底或埋层的掺杂剂。常用杂质扩散系数大小的顺序：P>B>As>Sb。其中As和Sb在外延温度1100℃-1200℃内的扩散系数是差不多的。抑制自掺杂应尽量减少杂质从衬底或埋层中逸出；清除滞留层中储存的杂质；阻止蒸发的杂质再结合进外延层。实现减少杂质从衬底或埋层中逸出的途径是：（1）降低外延预热和外延生长的温度；（2）选择蒸汽压低的杂质作为衬底或埋层的掺杂剂；（3）衬底背封（这对埋层上的外延效果不大）。如果用某种阻挡层来封闭衬底背面就能抑制背面杂质的蒸发从而减少自掺杂。低温外延尚未大量用于外延生产降低系统自掺杂方法降低系统自掺杂的有效方法是对石墨基座进行HCl

高温处理，处理的温度应该高于外延生长温度。所谓高温处理就是用HCl

在高温下把基座上淀积的硅腐蚀掉，在腐蚀后立即在基座上包一层本征硅用来封闭基座。在高温处理时吸附在反应室内壁的杂质也会被解吸，然后被主气流带走。对于以易蒸发的重掺

衬底的外延，在批量生产时更应该在每炉生长前对基座进行高温HCl

处理。主掺杂质

主掺杂质是硅外延层中主要的掺杂剂，用于控制外延层的导电类型和电阻率。目前硅外延生产中常用的主掺杂质源是磷烷（PH3）、砷烷（AsH3）和乙硼烷（B2H6）等，它们以气相形式与硅源及H2组成外延的主气流进入外延反应室，在外延生长的同时一道掺入外延层。通过控制主掺杂质源的流量就能控制硅外延层中的掺杂量，即控制外延层的电阻率。外延生长的掺杂

外延用PCl3、AsCl3、SbCl3和AsH3做N型掺杂剂，用BCl3、BBr3、B2H6做P型掺杂剂。以SiCl4为源，用卤化物掺杂剂时，使用两个SiCl4挥发器。一个装含掺杂剂量为SiCl4量的1/104-1/105的SiCl4，另一个装纯SiCl4。掺杂生长时，调节通过两个挥发器的氢气流量和挥发器的温度，就可以灵活地控制外延片的电阻率。对于AsH3、B2H6这类氢化物掺杂剂，常用纯H2将它们稀释后装入钢瓶中，控制它和通过SiCl4挥发器的H2流量来调整外延层的电阻率。这是目前应用比较广泛的掺杂方法。以SiH4为源，其掺杂剂使用的是AsH3,B2H6。生长高阻P型硅外延层时，常用低阻P型衬底的自掺杂效应来实现掺杂。掺杂原理：AsH3As+3/2H256三、硅外延层的缺陷分类：

表面缺陷，也叫宏观缺陷如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，滑移线等内部结构缺陷，也叫微观缺陷如层错，位错57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。58雾状表面缺陷①雾圈②白雾③