第5章 硅外延生长

高阻P型外延层，常用低阻P型衬底自掺杂效应实现掺杂。
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§5-3-2 外延中杂质的再分布
希望外延层和衬底界面处的掺杂浓度很陡； 衬底中的杂质会扩散进入外延层，致使外延层和衬底 之间界面处的杂质浓度梯度变平。 N1（x，t）：重掺杂衬底扩散造成的杂质浓度分布； N2（x，t）：外部掺入的杂质浓度分布曲线。 总的杂质浓度
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§5-3-4 外延层的夹层
外延层的夹层：外延层和衬底界面附近出现高阻层或反 型层。 两种类型：（1）导电类型混乱，击穿图形异常，用磨 角染色法观察，界面不清晰；
（2）导电类型异常，染色观察会看到一条清晰的带。
夹层产生的原因： （1）P型杂质沾污，造成N型外延层被高度补偿； （2）衬底中基硼的含量大于3×1016cm-3时，外延层容 易出现夹层。
（4）外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及浓度；
（5）生长异质，多层，多组分化合物且组分可变的超薄层； （6）实现原子级尺寸厚度的控制； （7）生长不能拉制单晶的材料；
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外延层应满足的条件：
（1）表面平整、光亮，没有表面缺陷；
（2）晶体完整性好，位错和层错密度低；
（3）外延层的本底杂质浓度低，补偿少。 （4）异质外延，外延层与衬底的组分间应突变，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，要求均匀的电阻率；
影响因素
• SiCl4的浓度 • 温度
• 生长动力学过程 • 边界层及其特性 • 动力学模型
• 气流速度
基本工艺
• 衬底晶向
生长机理
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§5-3-1 硅外延生长用的原料 气相硅外延生长：高温下挥发性强的硅源与氢气发生反应 （氢还原）或热解（热分解），生成的硅原子淀积在硅衬底 上长成外延层。 常使用的硅源: SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
外延片中的缺陷分两类：
（1）表面缺陷（宏观缺陷）。如云雾、划道、亮点、塌边、 角锥、滑移线等。 （2）内部结构缺陷（微观缺陷）。如：层错、位错等。 §5-4-1 外延片的表面缺陷
1.云雾状表面
表面呈乳白色条纹，肉眼即可看到。
起因：氢气纯度低，H2O过多或气相抛光浓度过大，生长温 度太低。
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2.角锥体（三角锥或乳突）
（6）外延层的厚度符合要求，均匀性、重复性好；
（7）衬底埋层图形因外延工艺发生畸变较小。 （8）外延片直径尽可能大。 （9）化合物半导体外延层和异质结外延热稳定性要好。
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§5-2 硅衬底制备
定向 切片
抛光 腐蚀
清洗 检测
倒角
研磨
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§5-3 硅的气相外延生长
• 硅外延生长的原料 • 硅外延生长设备 • 硅外延生长工艺
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§5-2-6 边界层及其特性 边界层（附面层或停滞层、滞流层） ：接近基座表面的 流体中出现一个流体速度受干扰而变化的薄层。 薄层厚度（ ）：贴近平板至流速为0.99 0的厚度。
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边界层厚度与流体流速、流体的粘滞系数、流体密度和 在平板的位置x有关。
x Ax Ax (x) A 0 v0 x / Re
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§5-3-3
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。 自掺杂造成的影响： 外延层电阻率的控制受到干扰； 衬底外延层界面处杂质分布变缓； 器件特性偏离，可靠性降低； 妨碍双极型集成电路提高速度和微波器件提高频率。
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抑制自掺杂的方法：1.尽量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。 （3）背面封闭技术。 （4）采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。 （5）二段外延生长技术。 2. 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。
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生长前用干燥的HCl或Br（HBr）在高温下对衬底进 行气相抛光处理； 调整反应室温度至生长温度，按需要通入硅源和氢气 进行硅外延生长；
按实验求得的生长速率和所需要的外延层厚度来确定 生长时间；
生长结束时，停止通硅源，但继续通氢气并降温至室 温，取出外延片进行参数测试。
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§5-2-4 硅外延生长的基本原理和影响因素
晶向
生长速度m/min
〈100〉 〈110〉 〈111〉 1.65 1.52 1.39
注意：偏离〈111〉晶向不同角度的衬底相应有一个最大 允许生长速率（临界生长速度），超过此速率生长外延 层时会出现缺陷。
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§5-2-5 硅外延生长动力学过程 硅外延生长动力学模型主要有两种：
i)气-固表面复相化学反应；ii）气相均质反应。
决定速率的步骤称速率控制步骤。
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低温时，固-气表面上的反应最慢 整个生长过程的速度。
决定
过程称表面反应控制过程或动力学控制过程。
正常条件下，表面反应很快，主气流中的反 应物以扩散方式输运到表面的过程最慢，过程 称质量输运控制过程。
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均质反应模型：
外延生长反应是在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； 反应浓度很大，温度较高时可能在气相中成核并长大； 例，高浓度SiH4高温热分解。 结论：复相反应和均质反应， 都认为反应物或反应生成 物要通过体系中的边界层达到衬底表面。
下易发生气相分解，生成粉末状硅使外延无法进行。
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硅衬底的处理： 衬底经切、磨、抛等工艺仔细加工而成； 外延前要严格的清洗、烘干； 为提高外延层的完整性，生长前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（硅烷用SF6）。 控制外延层的电特性，通常使用液相或气相掺杂法。 N型掺杂剂：PCl3、PH3和AsCl3； P型掺杂剂：BCl3、BBr3和B2H6等。
N（x，t）=N1（x，t）±N2（x，t）
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N1 x
x 1 N SUb exp 2 2 Dt
衬底扩散造成的杂质分布
N 2 x
x 1 N f e xp 2 2 Dt
外部掺入的杂质浓度分布
注意：外延层的实 际界面
外延层中杂质分布是 两者的总和
A：常数；Re：雷诺数，无量纲，表示流体惯性力与 粘滞力大小之比； 由Re值的大小可判断系统中流体的状态。 Re大于一定值时流体为湍流，小于某一值时为层流， 介于两值之间时则湍流和层流两种状态共存。
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扩散层（质量边界层或附面层）：具有反应物浓度梯 度的薄层。
c ( x) ( x) 3 3 / D Pr x 0
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杂质不是来源于衬底片称为外掺杂。
如： N气、N基座、N系统
杂质来源于衬底片，称为自掺杂。
如： N扩散、N衬底、N邻片
结论：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原因还是人为控制的掺杂剂的 多少；即N气起主导作用。
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二、外延生长的掺杂 N型掺杂剂：PCl3、AsCl3、SbCl3和AsH3； P型掺杂剂：BCl3、BBr3、B2H6。 SiCl4为源，卤化物作掺杂剂，使用两个SiCl4挥发器。 调节挥发器的氢气流量和温度，控制外延片的电阻率。 AsH3、B2H6等氢化物掺杂剂，纯H2将它们稀释后装钢瓶， 控制它和通过SiCl4挥发器的H2流量调整外延层的电阻率。 SiH4为源, 掺杂剂使用AsH3、B2H6。
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pr
Pr D ：普兰特数，无量纲数。D：反应物的扩散系 数。
流体Pr ＞1， c<（x）；气体， Pr=0.6~0.8, (x)<c。
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发热的平板上方, 气体中存在着一个温度变化的薄 层，叫温度边界层(附面层)。
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§5-3 硅外延层电阻率的控制 不同器件对外延层的电参数要求不同。 §5-3-1 外延层中的杂质及掺杂 一、外延层中杂质来源 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 正负号由杂质类型决定，与衬底中杂质同类型取正号， 与衬底中杂质反型取负号。
单晶定向后，用内（外）圆/线切割机切成厚度为 400~550 m的薄片； 磨片机上用金刚砂磨平（倒角）后，再用SiO2胶体 溶液抛光成镜面，制成衬底; 清洗甩（烘）干后，放在基座上； 封闭反应室通高纯H2排除反应室中的 空气； 启动加热系统，调整温度到所需温度。 反应所需的氢气经净化器提纯, 一路 通反应室，另一路通硅源容器, 携带硅 源入反应室。
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SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高。但生长速 度快，易纯制，使用安全，是较通用的硅源。 SiH2Cl2常温下是气体，使用方便并且反应温度低。 SiH4是气体，外延特点：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: 要求生长系统具有良好的
气密性，漏气会产生大量的外延缺陷；SiH4在高温和高浓度
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§ 5-2-2 硅外延生长设备 设备组成：氢气净化系统、气体输运及控制系统、加 热设备和反应室。 系统分水平式和立式两种。 立式外延炉，外延生长时基座不断转动，外延层均匀性 好，生产量大。 加热方式: 高频感应加热和红外辐射加热。
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水平式反应器
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立式反应器
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§ 5-3-3
硅外延生长基本工艺
3.气流速度对生长速率的影响
反应物浓度和生长温度一定时，水平式反应器中的生长速率与 总氢气流速的平方根成正比。 立式反应器，流速较低时生长速度与总氢气流速平方根成比例； 流速超过一定值后，生长速率达到稳定的极限值而不再增加。
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4.衬底晶向的影响
常压外延生长条件下 （SiCl4+H2源，生长温度T=1280℃，SiCl4浓度0.1%）
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4.塌边（取向平面）
外延生长后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，是无缺陷的完整的（111）面。
•生长的这层单晶层叫外延层，沿着原来的结晶方向
生长，是衬底晶格的延伸。 •合乎要求：导电类型、电阻率、厚度和晶格结构、 完整性等。
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外延生长的特点：
（1）低（高）阻衬底上外延生长高（低）阻外延层； （2）P（N）型衬底上外延生长N（P）型外延层； （3）与掩膜技术结合，在指定的区域进行选择外延生长；
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第五章 硅外延生长
•外延生长概述 •硅衬底制备
•硅的气相外延生长
•硅外延层电阻率的控制 •硅外延层的缺陷
•硅的异质外延
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§5-1 外延生长概述
外延生长：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方法。 •外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜（厚度为 几微米） 。
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防止夹层出现的方法： （1）提高重掺单晶质量，绝不能用复拉料或反型料拉 重掺单晶； （2）工艺中防止引入P型杂质，降低单晶中B的含量， （3）外延生长时先长一层N型低阻层（如0.1cm）作 为过渡层，可控制夹层。 由于硅单晶质量和外延生长技术水平的提高，夹层已 很少出现。
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§5-4 硅外延层的缺陷
复相化学反应模型：
（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；
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（4）衬底表面发生化学反应。 （5）副产物气体从表面脱附并穿过边界层向气流中扩 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。
过程依序进行，总的生长速率由其中最慢的一步决定。
形状象沙丘，用肉眼可看见。
防止角锥体产生采取的措施： ①选择与（111）面朝〈110〉偏离3~4°的晶向切片， 提高临界生长速度； ②降低生长速度；
③防止尘埃及碳化物沾污，注意清洁等。
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雾状表面缺陷 ①雾圈 ②白雾
①雾圈 ②白雾
③残迹
④花雾
③残迹
④花雾
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角锥体
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3.亮点
外形为乌黑发亮的小圆点。 40~60倍显微镜下呈发亮的 小突起。 大者为多晶点，可因系统沾污，反应室硅粉，SiO2粒脱 落，气相抛光不当或衬底装入反应室前表面有飘落的灰 尘等引起。 细小的亮点多半由衬底抛光不充分或清洗不干净造成。
以SiCl4源介绍其生长原理及影响因素。
SiCl4氢还原的基本反应方程
SiCl4+2H2
Si+4HCl
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1.SiCl4浓度对生长率的影响
随着浓度增加,生长速率先增大后减小.
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2.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.
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