在半導(dǎo)體科學(xué)技術(shù)的發(fā)展中，氣相外延發(fā)揮了重要作用，該技術(shù)已廣泛用于Si半導(dǎo)體器件和集成電路的工業(yè)化生產(chǎn)。

硅的外延生長(zhǎng)

一個(gè)含有硅原子的氣體以適當(dāng)?shù)姆绞酵ㄟ^(guò)襯底，自反應(yīng)劑分子釋放出的原子在襯底上運(yùn)動(dòng)直到它們到達(dá)適當(dāng)?shù)奈恢?，并成為生長(zhǎng)源的一部分，在適當(dāng)?shù)臈l件下就得到單一的晶向。所得到的外延層精確地為單晶襯底的延續(xù)。

它是在一定條件下，在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上，生長(zhǎng)一層合乎要求的單晶層的方法。

硅外延生長(zhǎng)其意義是在具有一定晶向的硅單晶襯底上生長(zhǎng)一層具有和襯底相同晶向的電阻率與厚度不同的晶格結(jié)構(gòu)完整性好的晶體。

半導(dǎo)體分立元器件和集成電路制造工藝需要外延生長(zhǎng)技術(shù)，因半導(dǎo)體其中所含的雜質(zhì)有N型和P型，通過(guò)不同類(lèi)型的組合，使半導(dǎo)體器件和集成電路具有各種各樣的功能，應(yīng)用外延生長(zhǎng)技術(shù)就能容易地實(shí)現(xiàn)。

硅外延生長(zhǎng)方法，又可分為氣相外延、液相外延、固相外延。目前國(guó)際上廣泛的采用化學(xué)氣相沉積生長(zhǎng)方法滿(mǎn)足晶體的完整性、器件結(jié)構(gòu)的多樣化，裝置可控簡(jiǎn)便，批量生產(chǎn)、純度的保證、均勻性要求。

外延生長(zhǎng)的特點(diǎn)：

（1）低（高）阻襯底上外延生長(zhǎng)高（低）阻外延層；

（2）P（N）型襯底上外延生長(zhǎng)N（P）型外延層；

（3）與掩膜技術(shù)結(jié)合，在指定的區(qū)域進(jìn)行選擇外延生長(zhǎng)；

（4）外延生長(zhǎng)過(guò)程中根據(jù)需要改變摻雜的種類(lèi)及濃度；

（5）生長(zhǎng)異質(zhì)，多層，多組分化合物且組分可變的超薄層；

（6）實(shí)現(xiàn)原子級(jí)尺寸厚度的控制；

（7）生長(zhǎng)不能拉制單晶的材料；

氣相外延生長(zhǎng)

氣相硅外延生長(zhǎng)是在高溫下使揮發(fā)性強(qiáng)的硅源與氫氣發(fā)生反應(yīng)或熱解，生成的硅原子淀積在硅襯底上長(zhǎng)成外延層。

通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCL4。SiHCl3和SiCl4常溫下是液體，外延生長(zhǎng)溫度高，但生長(zhǎng)速度快，易提純，使用安全，所以它們是較通用的硅源。早期多使用SiCl4，近來(lái)使用SiHCl3和SiH2Cl2逐漸增多。

SiH2Cl2在常溫下是氣體，使用方便并且反應(yīng)溫度低，是近年來(lái)逐漸擴(kuò)大使用的硅源。SiH4也是氣體，硅烷外延的特點(diǎn)是反應(yīng)溫度低，無(wú)腐蝕性氣體，可得到雜質(zhì)分布陡峭的外延層，

缺點(diǎn)：

1、要求生長(zhǎng)系統(tǒng)具有良好的氣密性，否則會(huì)因漏氣而產(chǎn)生大量的外延缺陷。

2、SiH4在高溫和高濃度下易發(fā)生氣相分解而生成粉末狀硅使外延無(wú)法進(jìn)行。

對(duì)襯底的要求

在硅外延中使用的硅襯底是經(jīng)過(guò)切、磨、拋等工藝仔細(xì)加工而成的，外延生長(zhǎng)前又經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的清洗、烘干，但表面上仍殘存有損傷、污染物及氧化物等。

為了提高外延層的完整性，在外延生長(zhǎng)前應(yīng)在反應(yīng)室中進(jìn)行原位化學(xué)腐蝕拋光，以獲得潔凈的硅表面。常用的化學(xué)腐蝕劑為干燥的HCl或HBr，在使SiH4外延生長(zhǎng)時(shí)，由于SF6具有無(wú)毒和非選擇、低溫腐蝕特點(diǎn)，所以可用它做腐蝕拋光劑。為了控制外延層的電特性，通常使用液相或氣相摻雜法。作為N型摻雜劑的有PCl3,PH3和AsCl3，而作為P型摻雜劑的有BCl3、BBr3和B2H6等。

氣相外延生長(zhǎng)過(guò)程包括：

（1）反應(yīng)劑（SiCl4或SiHCl3+H2）氣體混合物質(zhì)量轉(zhuǎn)移到襯底表面；

（2）吸收反應(yīng)劑分子在表面上（反應(yīng)物分子穿過(guò)附面層向襯底表面遷移）；

（3）在表面上進(jìn)行反應(yīng)或一系列反應(yīng)；

（4）釋放出副產(chǎn)物分子；

（5）副產(chǎn)物分子向主氣流質(zhì)量轉(zhuǎn)移；（排外）

（6）原子加接到生長(zhǎng)階梯上。

外延設(shè)備及所用的氣體

化學(xué)氣相外延生長(zhǎng)使用的設(shè)備裝置通常稱(chēng)謂外延生長(zhǎng)反應(yīng)爐。一般主要由氣相控制系統(tǒng)、電子控制系統(tǒng)、反應(yīng)爐主體、排氣系統(tǒng)四部分組成。

根據(jù)反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)，硅外延生長(zhǎng)系統(tǒng)有水平式和立式兩種，前者已很少使用，后者又分為平板式和桶式。立式外延爐，外延生長(zhǎng)時(shí)基座不斷轉(zhuǎn)動(dòng)，故均勻性好、生產(chǎn)量大。

由于SiCl4等硅源的氫還原及SiH4的熱分解反應(yīng)的△H為正值，即提高溫度有利于硅的淀積，因此反應(yīng)器需要加熱，加熱方式主要有高頻感應(yīng)加熱和紅外輻射加熱。通常在石英或不銹鋼反應(yīng)室內(nèi)放有高純石墨制的安放硅襯底的基座，為了保證硅外延層質(zhì)量，石墨基座表面包覆著SiC或沉積多晶硅膜。

反應(yīng)爐爐體它是在高純石英鐘罩中懸掛著一個(gè)多邊錐狀桶式經(jīng)過(guò)特殊處理的高純石墨基座。基座上放置硅片，利用紅外燈快速均勻加熱。九段溫控、中心軸可以旋轉(zhuǎn)，進(jìn)行嚴(yán)格雙密封的耐熱防爆結(jié)構(gòu)。

電源系統(tǒng)：獨(dú)立電源線、3相4線、50Hz、350A

氣體控制系統(tǒng)：高精度的質(zhì)量流量計(jì)、傳動(dòng)器氣動(dòng)閥控制，無(wú)泄露、耐腐蝕的EP管、氫（H2）檢漏、報(bào)警系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)：足夠的水冷循環(huán)系統(tǒng)和風(fēng)冷循環(huán)系統(tǒng)

控制系統(tǒng)：微機(jī)程序控制、聯(lián)鎖方法，安全可靠

爐體：石英鐘罩、石英環(huán)、石英吊桿、護(hù)套、雙密封泵、高純石墨基座

溫度控制系統(tǒng)：獨(dú)特的紅外燈輻射加熱、9段溫控，均勻快速加熱，可調(diào)

氣相外延爐

硅外延生長(zhǎng)基本工藝

工藝流程

?單晶定向后，用內(nèi)（外）圓/線切割機(jī)切成厚度為400~550 mm的薄片；

?磨片機(jī)上用金剛砂磨平（倒角）后，再用SiO2膠體溶液拋光成鏡面，制成襯底;?清洗甩（烘）干后，放在基座上；

?封閉反應(yīng)室通高純H2排除反應(yīng)室中的空氣；

?

啟動(dòng)加熱系統(tǒng)，調(diào)整溫度到所需溫度。?

反應(yīng)所需的氫氣經(jīng)凈化器提純, 一路通反應(yīng)室，另一路通硅源容器, 攜帶硅源入反應(yīng)室。

?生長(zhǎng)前用干燥的HCl或Br（HBr）在高溫下對(duì)襯底進(jìn)行氣相拋光處理；

?調(diào)整反應(yīng)室溫度至生長(zhǎng)溫度，按需要通入硅源和氫氣進(jìn)行硅外延生長(zhǎng)；

?按實(shí)驗(yàn)求得的生長(zhǎng)速率和所需要的外延層厚度來(lái)確定生長(zhǎng)時(shí)間；

?生長(zhǎng)結(jié)束時(shí)，停止通硅源，但繼續(xù)通氫氣并降溫至室溫，取出外延片進(jìn)行參數(shù)測(cè)試。

硅外延生長(zhǎng)的基本原理和影響因素

以SiCl4源介紹其生長(zhǎng)原理及影響因素。

SiCl4氫還原的基本反應(yīng)方程：

SiCl4+2H2 = Si+4HCl

影響因素

1.SiCl4濃度對(duì)生長(zhǎng)率的影響

2.溫度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響

溫度較低時(shí),生長(zhǎng)速率隨溫度升高呈指數(shù)規(guī)律上升

較高溫度區(qū),生長(zhǎng)速率隨溫度變化較平緩。

3.氣流速度對(duì)生長(zhǎng)速率的影響

反應(yīng)物濃度和生長(zhǎng)溫度一定時(shí)，水平式反應(yīng)器中的生長(zhǎng)速率與總氫氣流速的平方根成正比。

立式反應(yīng)器，流速較低時(shí)生長(zhǎng)速度與總氫氣流速平方根成比例；

流速超過(guò)一定值后，生長(zhǎng)速率達(dá)到穩(wěn)定的極限值而不再增加。

4.襯底晶向的影響

常壓外延生長(zhǎng)條件下（SiCl4+H2源，生長(zhǎng)溫度T=1280℃，SiCl4濃度0.1%）

晶向	〈100〉	〈110〉	〈111〉
生長(zhǎng)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(yīng)有一個(gè)最大允許生長(zhǎng)速率（臨界生長(zhǎng)速度），超過(guò)此速率生長(zhǎng)外延層時(shí)會(huì)出現(xiàn)缺陷。

硅外延層電阻率的控制

不同器件對(duì)外延層的電參數(shù)要求不同。

1 外延層中的雜質(zhì)及摻雜

1.1外延層中雜質(zhì)來(lái)源

外延層中總的載流子濃度N總可表示為

N總=N襯底±N氣±N鄰片±N擴(kuò)散±N基座±N系統(tǒng)

正負(fù)號(hào)由雜質(zhì)類(lèi)型決定，與襯底中雜質(zhì)同類(lèi)型取正號(hào)，與襯底中雜質(zhì)反型取負(fù)號(hào)。

雜質(zhì)不是來(lái)源于襯底片稱(chēng)為外摻雜。

如：N氣、N基座、N系統(tǒng)

雜質(zhì)來(lái)源于襯底片，稱(chēng)為自摻雜。

如：N擴(kuò)散、N襯底、N鄰片

結(jié)論：盡管外延層中的雜質(zhì)來(lái)源于各方面，但決定外延層電阻率的主要原因還是人為控制的摻雜劑的多少；即N氣起主導(dǎo)作用。

1.2外延生長(zhǎng)的摻雜

N型摻雜劑：PCl3、AsCl3、SbCl3和AsH3；

P型摻雜劑：BCl3、BBr3、B2H6。

SiCl4為源，鹵化物作摻雜劑，使用兩個(gè)SiCl4揮發(fā)器。

調(diào)節(jié)揮發(fā)器的氫氣流量和溫度，控制外延片的電阻率。

AsH3、B2H6等氫化物摻雜劑，純H2將它們稀釋后裝鋼瓶，控制它和通過(guò)SiCl4揮發(fā)器的H2流量調(diào)整外延層的電阻率。

SiH4為源, 摻雜劑使用AsH3、B2H6。

高阻P型外延層，常用低阻P型襯底自摻雜效應(yīng)實(shí)現(xiàn)摻雜。

2 外延中雜質(zhì)的再分布

希望外延層和襯底界面處的摻雜濃度很陡；

襯底中的雜質(zhì)會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入外延層，致使外延層和襯底之間界面處的雜質(zhì)濃度梯度變平。

N1（x，t）：重?fù)诫s襯底擴(kuò)散造成的雜質(zhì)濃度分布；

N2（x，t）：外部摻入的雜質(zhì)濃度分布曲線。

總的雜質(zhì)濃度

N（x，t）=N1（x，t）±N2（x，t）

3外延層生長(zhǎng)中的自摻雜

自摻雜效應(yīng)：襯底中的雜質(zhì)進(jìn)入氣相中再摻入外延層。

自摻雜造成的影響：

外延層電阻率的控制受到干擾；

襯底外延層界面處雜質(zhì)分布變緩；

器件特性偏離，可靠性降低；

妨礙雙極型集成電路提高速度和微波器件提高頻率。

抑制自摻雜的方法：

1.盡量減少雜質(zhì)由襯底逸出。

（1）使用蒸發(fā)速度較小的雜質(zhì)做襯底和埋層中的雜質(zhì)。

（2）外延生長(zhǎng)前高溫加熱襯底。

（3）背面封閉技術(shù)。

（4）采用低溫外延技術(shù)和不含有鹵原子的硅源。

（5）二段外延生長(zhǎng)技術(shù)。

2. 減壓生長(zhǎng)技術(shù), 使已蒸發(fā)到氣相中的雜質(zhì)盡量不再進(jìn)入外延層。

4外延層的夾層

外延層的夾層：外延層和襯底界面附近出現(xiàn)高阻層或反型層。

兩種類(lèi)型：

（1）導(dǎo)電類(lèi)型混亂，擊穿圖形異常，用磨角染色法觀察，界面不清晰；

（2）導(dǎo)電類(lèi)型異常，染色觀察會(huì)看到一條清晰的帶。

夾層產(chǎn)生的原因：

（1）P型雜質(zhì)沾污，造成N型外延層被高度補(bǔ)償；

（2）襯底中基硼的含量大于3×1016cm-3時(shí)，外延層容易出現(xiàn)夾層。

防止夾層出現(xiàn)的方法：

（1）提高重?fù)絾尉з|(zhì)量，絕不能用復(fù)拉料或反型料拉重?fù)絾尉В?/p>

（2）工藝中防止引入P型雜質(zhì)，降低單晶中B的含量，

（3）外延生長(zhǎng)時(shí)先長(zhǎng)一層N型低阻層（如0.1W×cm）作為過(guò)渡層，可控制夾層。

由于硅單晶質(zhì)量和外延生長(zhǎng)技術(shù)水平的提高，夾層已很少出現(xiàn)。

硅外延層的缺陷

外延片中的缺陷分兩類(lèi)：

（1）表面缺陷（宏觀缺陷）。如云霧、劃道、亮點(diǎn)、塌邊、角錐、滑移線等。

（2）內(nèi)部結(jié)構(gòu)缺陷（微觀缺陷）。如：層錯(cuò)、位錯(cuò)等。

1外延片的表面缺陷

1.1云霧狀表面

表面呈乳白色條紋，肉眼即可看到。

起因：氫氣純度低，H2O過(guò)多或氣相拋光濃度過(guò)大，生長(zhǎng)溫度太低。

霧狀表面缺陷①霧圈②白霧③殘跡④花霧

1.2角錐體（三角錐或乳突）

形狀象沙丘，用肉眼可看見(jiàn)。

防止角錐體產(chǎn)生采取的措施：

①選擇與（111）面朝〈110〉偏離3~4°的晶向切片，提高臨界生長(zhǎng)速度；

②降低生長(zhǎng)速度；

③防止塵埃及碳化物沾污，注意清潔等。

角錐體

1.3亮點(diǎn)

外形為烏黑發(fā)亮的小圓點(diǎn)。40~60倍顯微鏡下呈發(fā)亮的小突起。

大者為多晶點(diǎn)，可因系統(tǒng)沾污，反應(yīng)室硅粉，SiO2粒脫落，氣相拋光不當(dāng)或襯底裝入反應(yīng)室前表面有飄落的灰塵等引起。

細(xì)小的亮點(diǎn)多半由襯底拋光不充分或清洗不干凈造成。

1.4塌邊（取向平面）

外延生長(zhǎng)后片子邊緣部分比中間部分低，形成一圈或一部分寬1~2mm左右的斜平面，是無(wú)缺陷的完整的（111）面。

形成塌邊的原因：襯底加工時(shí)造成片邊磨損而偏離襯底片晶向。

如傾斜面為（111）面，在外延時(shí)它會(huì)擴(kuò)展而長(zhǎng)成（111）取向小平面。

1.5劃痕

一般由機(jī)械損傷引起，用鉻酸腐蝕液腐蝕時(shí)會(huì)在其兩旁出現(xiàn)成行排列的層錯(cuò)。

1.6星形線（滑移線）

外延層表面出現(xiàn)平行的或順〈110〉方向伸展的線條，高低不平肉眼可見(jiàn)。

鉻酸腐蝕液腐蝕后在線的一側(cè)出現(xiàn)位錯(cuò)排。

起因：與硅片在加熱過(guò)程中受到的熱應(yīng)力有關(guān)，采用襯底邊緣倒角的辦法來(lái)消除。

2外延層的內(nèi)部缺陷

2.1層錯(cuò)

硅外延生長(zhǎng)時(shí)，外延層常常含有大量的層錯(cuò)。

外延層層錯(cuò)形貌分為單線、開(kāi)口、正三角形、套疊三角形和其他組態(tài)。

2.2位錯(cuò)

處理好的襯底上用正常方法生長(zhǎng)的外延層中，位錯(cuò)密度大致與襯底的位錯(cuò)密度相近或稍少一些。

基座上溫度分布不好，片子直徑又大，片子內(nèi)將形成一個(gè)溫度梯度，摻雜或異質(zhì)外延時(shí)引入位錯(cuò)。

3微缺陷

微缺陷：硅外延層經(jīng)鉻酸腐蝕液腐蝕后呈現(xiàn)淺三角坑或丘狀物的缺陷，宏觀看是一種“霧狀”或“漬狀”。

起因：多種雜質(zhì)沾污引起，F(xiàn)e、Ni等影響最大。

Fe的濃度達(dá)到1015cm-3時(shí)，明顯地產(chǎn)生這種云霧狀缺陷。

消除方法：工藝中注意基座及工具的清潔處理，應(yīng)用“吸雜技術(shù)”。

氣相外延提高了硅材料的完美性和高集成度，減少儲(chǔ)存單元的漏電流，提高了電路的速度，改變電路的功率特性以及頻率特性，解決CMOS電路的鎖定，實(shí)現(xiàn)各種材質(zhì)的多種薄膜外延。