第五章-硅外延生长.
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05章-硅外延生长解析
5.4 硅外延Байду номын сангаас电阻率的控制
• 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。
• 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。
2.外延生长的掺杂
外延用PCl3,ASCl3,SbCl3，AsH3做N型掺杂剂， 用BCl3,BBr3，B2H6做P型掺杂剂
5-4-2 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
• 两个模型: 气-固表面复相化学反应模型, 气相均质反应模型
5.4 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。 • 5-4-l 外延层中的杂质及掺杂 • 1．外延层中的杂质 •
吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.1-5.3
按气体的物理特性分 气溶胶辅助CVD ：Aerosol assisted CVD (AACVD) 直 接 液 体 喷 射 CVD ： Direct liquid injection CVD
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
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半导体材料
硅源要求
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
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
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。
第 5 章 硅外延生长
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半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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半导体材料
5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
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半导体材料
重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
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半导体材料
CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
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。
表5-1：常用硅源的特性
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
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硅源要求
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
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
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。
第 5 章 硅外延生长
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第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
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重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
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CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
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。
表5-1：常用硅源的特性
第五章硅外延生长
37
5-5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 :Silicon on Sapphire Silicon on Spinel 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: Silicon on Insulator Semiconductor On insulator
• 星形线（滑移线）：
35
5－4－2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。
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
5
6
5.2硅Байду номын сангаас气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚
40
2.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
5-5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 :Silicon on Sapphire Silicon on Spinel 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: Silicon on Insulator Semiconductor On insulator
• 星形线（滑移线）：
35
5－4－2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。
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
5
6
5.2硅Байду номын сангаас气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚
40
2.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
半导体材料第5章硅外延生长课后答案
第五章硅外延生长1、解释名词：①*自掺杂：外延生长时由衬底、基座和系统等带来的杂质进入到外延层中的非人为控制的掺杂称为自掺杂。
②外扩散：在外延生长中，由于是在高温条件下进行的，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的现象。
③外延夹层：外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反形层。
④双掺杂技术：在外延生长或扩散时，同时引入两种杂质。
因为原子半径不同而产生的应变正好相反。
当两种杂质原子掺入比例适当时，可以使应力互相得到补偿，减少或避免发生晶格畸变，从而消除失配位错的产生。
这种方法叫作双掺杂技术。
⑤SOS技术：在蓝宝石或者尖晶石衬底上外延生长硅。
⑥SOI技术：把器件制作在绝缘衬底上生长的硅单晶层上。
（当器件尺寸缩小到亚微米范围以内时，常规结构就不适应了，导致了SOI结构的发展）⑦SIMOX：氧注入隔离，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。
⑧SDB&BE：直接键合与背面腐蚀技术。
将两片硅片通过表面的S i O2层键合在一起,再把背面用腐蚀等方法减薄来获得SOI结构。
⑨ELTRAN：外延层转移，在多孔硅表面上可生长平整的外延层，并能以合理的速率将多孔硅区域彻底刻蚀掉，该技术保留了外延层所具有的原子平整性，在晶体形成过程中也不产生颗粒堆积或凹坑，因此具有比其它SOI技术更为优越的性能。
⑩Smart-Cut：利用H+注入Si片中形成气泡层，将注氢片与另一片支撑片键合，经适当的热处理，使注氢片从气泡层完整剥离形成SOI结构。
2、*(简述)详述影响硅外延生长速率的因素。
答：①S i CL4浓度：生长速率随浓度的增加增大并达到一个最大值，以后由于腐蚀作用增大，生长速率反而降低。
②*温度：当温度较低时，生长速率随温度升高而呈指数变化，在较高温度区，生长速率随温度变化比较平缓，并且晶体完整性比较好。
③气流速度：在反应物浓度和生长温度一定时，生长速率与总氢气流速平方根成比例关系，但到极限时不在增加。
第五章 ---硅外延生长
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。
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
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。
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。
5—2 硅的气相外延 5－2－1硅外延生长用的原料
气相硅外延生长是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。 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。
硅外延生长的原理及应用领域
感谢百度文库让我们在这里与你相见，您的下载就是我们最大的动力。
硅外延生长的原理及应用领域一、硅外延生长的原理嘿呀，咱来说说硅外延生长这事儿哈。
硅外延生长呢，简单来讲，就像是给硅原子找了个地方让它们按照一定的规则排队生长。
想象一下，硅原子就像是一群小士兵，在特定的条件下，它们会一个接一个地站好位置，然后一层一层地堆积起来，最后就形成了我们想要的硅外延层。
这其中的原理啊，和很多化学和物理的知识都有关系呢。
比如说，温度、压力还有反应气体的浓度这些因素，就像是指挥小士兵的指挥官，它们决定了硅原子生长的速度和方式。
如果温度高一点，硅原子可能就会更活跃，长得就快一些；要是反应气体的浓度变了，那硅原子的排列可能也会跟着改变。
二、硅外延生长的应用领域硅外延生长的应用那可太广泛啦。
在半导体领域里，它就像是个超级明星。
大家都知道芯片吧，芯片里面就用到了硅外延生长技术哦。
芯片可是现代电子设备的大脑，没有硅外延生长，芯片就不能很好地工作啦。
比如说我们的手机，里面的芯片要处理各种各样的信息，要是没有硅外延生长让硅原子乖乖听话形成合适的结构，手机可能就会变得很笨笨，什么游戏、视频都玩不了看不了啦。
还有在太阳能电池方面，硅外延生长也起着重要的作用。
太阳能电池是把光能转化成电能的小能手，硅外延生长可以让硅的结构变得更有利于吸收太阳光，这样就能提高太阳能电池的发电效率啦。
再说说在光电器件方面，像发光二极管（LED）这些，硅外延生长也能帮助它们更好地发光，让我们的灯光更亮更节能呢。
硅外延生长就像一把神奇的钥匙，打开了很多高科技领域的大门，让我们的生活变得更加智能和方便。
希望以后能有更多的小伙伴来研究这个超有趣的硅外延生长技术呢！第 1 页共 1 页。
第5章 硅外延生长
下易发生气相分解，生成粉末状硅使外延无法进行。
10
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。
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
8
§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。
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。
28
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
（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。
6
§5-2 硅衬底制备
定向 切片
抛光 腐蚀
清洗 检测
倒角
研磨
7
§5-3 硅的气相外延生长
05章-硅外延生长讲解
• （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
• 气相硅外延生长是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。
5.2.4 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。
第5章 硅外延生长
• 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
• 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
• 5-4-l 外延层中的杂质及掺杂 • 1．外延层中的杂质 •
外延层中杂质的来源
• 外延层中杂质的来源是： • （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。
• （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
• 气相硅外延生长是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。
5.2.4 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。
第5章 硅外延生长
• 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
• 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
• 5-4-l 外延层中的杂质及掺杂 • 1．外延层中的杂质 •
外延层中杂质的来源
• 外延层中杂质的来源是： • （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。
第五章 硅的外延薄膜的生长
第五章硅的外延薄膜的生长外延生长工艺是一种在单晶衬底的表面上淀积一个单晶薄层(0.5∼20微米)的方法。
如果薄膜与衬底是同一种材料该工艺被称为同质外延，但常常就被简单地称为外延。
在硅衬底上淀积硅是同质外延最重要的在技术上的应用，并且是本章的基本主题。
在另一方面，如果在化学成分不同的衬底上进行淀积，则称为异质外延。
这种工艺已在被称为SOS的在蓝宝石(Al2O3)上淀积硅的工艺中得到应用。
外延起源于两个希腊字，意思是整理安排。
外延生长可以从气相(VPE)、液相(LPE)或固相(SPE)中获得。
在硅工艺中，气相外延得到了最广泛的接受，因为它对杂质浓度有良好的控制以及能获得晶体的完整性。
液相淀积在制造Ⅲ−Ⅴ族化合物外延层时得到广泛使用。
正如在第九章“非晶层损伤的退火”中讲到的，固相外延可用于离子注入的非晶层的再结晶。
发展硅外延的主要动机是为了改善双极型晶体管及后来的双极型集成电路的性能。
通过在重掺杂的硅衬底上生长一层轻掺杂的外延层，双极型器件得到优化：在维持低集电区电阻的同时，获得高的集电极－衬底击穿电压。
低的集电区电阻提供了在中等电流时的高的器件工作速度。
最近外延工艺已被用于制造先进的CMOS大规模集成电路。
这些电路中，器件被做在重掺杂的衬底上的一层很薄的(3∼7微米)轻掺杂的外延层中。
这种结构减少了在功率增加或在遭到辐射脉冲时CMOS电路可能经受的闩锁效应。
在外延层中制造器件(双极型和MOS)的其他优点还有：器件掺杂浓度的精确控制，并且这层中可以不含氧和碳。
但外延工艺并不是没有缺点，包括：a)增加了工艺复杂性和硅片成本；b)在外延层中产生缺陷；c)自掺杂以及d)图形改变和冲坏。
在这一章中，我们介绍了：a)外延淀积基础；b)外延层的掺杂；c)外延膜中的缺陷；d)对大规模集成电路的外延淀积的工艺考虑；e)外延淀积设备；f)外延膜的表征；g)硅外延的选择性淀积；和h)硅的分子束外延。
外延淀积基础这部分讨论了用于硅的气相外延的化学气相淀积(CVD)工艺的基础理论。
第五章 硅外延生长
边界层及特性
流体力学研究表明，当流体以速度υ0流过一平板上 时，由于流体与平板间的摩擦力，在外延的情况下 就是气流与基座之间的摩擦力，使紧贴基座表面的 流体的流速为零，而离开表面时，基座表面的影响 逐渐减弱，达到某一距离后，流体仍以速度υ0继续 向前流动。 在接近基座表面的流体中就出现一个流体速度受到 干扰而变化的薄层，而在此薄层外的流速则不受影 响，称此薄层为边界层（停止层、滞留层） 边界层的厚度 x ( x ) A （5-1）
第五章 硅外延生长
5.1外延生长的概述
定义: 外延 (epitaxy)：是在单晶衬底上，按衬 底晶向生长一层单晶层的技术。 新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称此为 外延层。 长了外延层的衬底称为外延片。
分类
根据结构 同质外延:外延层材料与衬底材料是同种材料， Si –Si,GaAs-GaAs 异质外延:外延层材料与衬底材料不是是同种材料 蓝宝石上生长Si，GaAs—GaAlAs 器件的应用 正向外延：器件制作在外延层上 反向外延：器件制作在衬底上，外延层起支撑作用
为了使基座上所有的衬底都能均匀淀积，埃威 斯登提出将基座倾斜一个小的角度。（图5-10） ( x ) A x υ0 ↑ δ ↓ G ↑ Φ=2.9°时，实验结果表明： 气流速度较低时，生长速率仍然沿其基座长 度方向降低，如气流适当，在基座80%的位置 上生长速率波动小于2%
上述反应是依次进行的，而总的生长速率将由最 慢的一步决定
低温时，在固—气表面上的反应慢，决定整 个生长过程的速率——表面反应控制过程 在正常条件下，表面反应很快，这时主气流 中的反应物以扩散的方式输运到表面的过程 最慢——质量输运控制过程
动力学模型
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边界层厚度与流速平方根成反比
2021/2/6
18
• 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
4
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
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。
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
半导体材料
2021/2/6
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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）
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外延生长分类
• 根据外延层性质
同质外延：外延层与衬底同种材料
7
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
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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
1. 把干净的硅片装入反应室
2. 吹入惰性气体并充入氢气（LPVCD:抽真空）
3. 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）
4. 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 HCl
5. a)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
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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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3.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>
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N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
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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。
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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
因漏气产生外延缺陷。
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5－2－2 硅外延生长设备
• 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。
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5-2-3 外延工艺顺序
16
5-2-5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
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气-固表面复相化学反应模型
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。
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5－3－1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
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 称为化学气相淀积（chemical vapor deposition,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
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5.2硅的气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
➢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。
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6. 冷却到室温
7. 吹走氢气并重新充入氮气
8. 取出硅片 2021/2/6
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5-2-4硅外延生长的基本原理和影
响因素
以SiCl4为例
• 原理:SiCl4+2H2 Si+4HCl
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生长过程:
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1. 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.
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； 正外延:器件制作在外延层上
反外延:器件制作在衬底上
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根据外延生长方法:
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 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
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• 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
4
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
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。
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
半导体材料
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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）
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外延生长分类
• 根据外延层性质
同质外延：外延层与衬底同种材料
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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
2021/2/6
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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
1. 把干净的硅片装入反应室
2. 吹入惰性气体并充入氢气（LPVCD:抽真空）
3. 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）
4. 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 HCl
5. a)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
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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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3.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>
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N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
6.021/2/6
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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。
2021/2/6
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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
因漏气产生外延缺陷。
2021/2/6
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5－2－2 硅外延生长设备
• 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。
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5-2-3 外延工艺顺序
16
5-2-5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
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气-固表面复相化学反应模型
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。
2021/2/6
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5－3－1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
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 称为化学气相淀积（chemical vapor deposition,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
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5.2硅的气相外延
5－2－1硅外延生长用的原料
➢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。
2021/2/6
6. 冷却到室温
7. 吹走氢气并重新充入氮气
8. 取出硅片 2021/2/6
11
5-2-4硅外延生长的基本原理和影
响因素
以SiCl4为例
• 原理:SiCl4+2H2 Si+4HCl
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生长过程:
2021/2/6
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1. 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.
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； 正外延:器件制作在外延层上
反外延:器件制作在衬底上
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根据外延生长方法:
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 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