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半导体材料第5章—硅外延生长

2026-01-01

半导体材料学习

半导体材料

第5章硅外延生长#

外延生长概述#

外延生长的定义：
- 在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并使这些原子有规则地排列在衬底上
- 在排列时控制有关工艺条件，使排列的结果形成具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度的晶格完美的新单晶层（0.5~20mm）的生成过程。
- 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。
- 新生单晶层按衬底晶相延伸生长，称为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。
外延生长的分类：
- 衬底类型：
  - 同质外延：外延层与衬底为同种材料
  - 异质外延：外延层和衬底为不同种材料
- 生长方法：
  - 直接外延：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
  - 间接外延(硅外延生长主要利用的方法)：利用气体化合物间化学反应在衬底表面上沉积生长外延层
- 相变过程：
  - 气相外延
  - 液相外延
  - 固相外延
外延生长的特点（优势）
1. 可在**低（高）阻衬底上外延高（低）**阻外延层
2. 可在**P（N）型衬底上外延N（P）**型外延层
3. 利用掩膜技术可在指定区域选择外延生长
4. 可根据需要改变掺杂的种类及浓度，突变或缓变
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. 可在低于熔点温度下外延生长，速率可控，可实现原子级尺寸厚度外延生长
7. 可生长无法拉制单晶的材料，如GaN，三四元系化合物单晶层等

硅衬底制备#

过

硅的气相外延生长#

气相硅外延生长的定义：
- 在高温下，使挥发性强的硅源与氢气发生反应或热解，生成的硅原子沉积在硅衬底上长成外延层
气相外延生长的前提条件：
1. 在沉积温度下，反应物有足够高的蒸气压（气态对液态的压强）
2. 生成物中，除了一种所需要的沉积物为固态外，其余必须是气态
3. 沉积物本身的蒸气压应足够低，以保证在整个沉积反应过程中能使其保持在加热的衬底上
4. 衬底本身的蒸气压在沉积温度下也应足够低，不易挥发

硅外延生长用的原料#

通常使用的硅源是 $S i H 4 、 S i H 2 Cl 2 、 S i H Cl 3 和 S i Cl 4$

硅外延生长设备#

过

硅外延生长基本工艺#

基本原理和影响因素#

硅外延生长速率的影响因素#

外延层的生长速率取决于
1. 化学源
2. 反应物的摩尔分数
3. 沉积温度
4. 气流速度
5. 衬底晶向
生长速率受两个过程控制
1. 反应物向衬底表面输运的过程：质量输运控制过程
2. 硅源反应析出硅原子的过程：表面化学反应控制过程
※ 外延生长的速率决定于速率慢的过程。

硅外延生长动力学过程#

两种模型猜想：（都确定了边界层的存在）

气相均质反应模型：反应生成物通过边界层达到衬底表面
气-固表面复相化学反应模型：反应物通过边界层达到衬底表面

边界层及其特性#

边界层：是一个气体速度为零的固体表面（衬底或支架）和气体速度（平行于衬底）为气流场v0的自由气流之间的过渡层。是一个速度迅速改变的区域。

硅外延层电阻率的控制#

外延层中的杂质及掺杂#

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： $N_{总} ＝ N_{衬底} \pm N_{扩散} \pm N_{邻片} \pm N_{基座} \pm N_{系统} \pm N_{气}$

$N_{衬底}$ ：衬底挥发的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量

$N_{扩散}$ ：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量

$N_{邻片}$ ：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量

$N_{基座}$ ：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

$N_{气}$ ：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量

杂质类型与衬底相同取“+”，相反取“-”

外延生长的掺杂（主动掺杂）#

常见掺杂剂
- 外延N型掺杂剂： $PC l_{3} ， A s C l_{3} ， S b C l_{3} ， A s H_{3}$
- 外延P型掺杂剂： $BC l_{3} ， BB r_{3} ， B_{2} H_{6}$
固态扩散（外扩散）和气相自掺杂
- 固态扩散：高温时杂质从衬底扩散到正在生长的外延层中
- 自掺杂效应：杂质从衬底及基座中蒸发出来进入气相中继而再次掺入外延层中，也包括由于衬底基座被腐蚀而进入气相中进而掺入外延层中

外延层中杂质的再分布#

外延层与衬底之间杂质的固态扩散及气相自掺杂效应导致杂质再分布
外延生长速度远大于杂质扩散速度
过渡层：从重掺杂衬底到均匀掺杂外延层的厚度

外延层生长中的自掺杂#

自掺杂效应#

衬底背面自掺杂模型

外延生长开始时，衬底正面的杂质蒸发受抑制，引起自掺杂的杂质主要由衬底内扩散到背面，以元素形式蒸发而来。

杂质从硅表面蒸发速度

$v = C_{衬} K exp [K \frac{t}{D}]^{2} erfc [K \frac{t}{D}]$

C衬为衬底中原来杂质浓度

K为硅表面蒸发速度常数

D杂质在硅中的扩散系数

erfc:余误差函数

物理过程通常由“最慢”的一环决定。根据公式中的无量纲因子 $K \frac{t}{D}$ 的大小，可以分为两种情况：
- 表面蒸发控制(这通常发生在生长初期或者杂质很难挥发（K很小）)
  
  数学条件： $K \frac{t}{D} < 0.1$
- 杂质固态扩散控制(这发生在生长较长时间后（t很大），或者杂质极易挥发（K 很大）)
  
  数学条件： $K \frac{t}{D} ≫ 0.1$
卤化物硅源外延生长，腐蚀反应，衬底中杂质生成相应的卤化物进入停滞层中，一部分被还原掺入外延层.
基座、反应室、气流系统的污染也能造成自掺杂

抑制自掺杂与外扩散#

尽量减少杂质由衬底逸出
使已蒸发到气相中的杂质不再进入外延层

外延层的夹层#

外延层的夹层：外延层和衬底界面附近出现的高阻层或反型层(主要出现在N型外延层中)
分为两种类型：
- P型杂质沾污
- 衬底基硼浓度高引起

硅外延层的缺陷#

有两种缺陷类型
- 表面缺陷（宏观缺陷）
- 内部缺陷（微观缺陷）

外延片的表面缺陷#

各种表面缺陷主要来源于沾污和硅片的预处理过程

来源：
1. 角锥体
2. 云雾状表面
3. 划痕
4. 亮点
5. 塌边
6. 滑移线

外延层的内部缺陷#

层错
- 利用层错法测量厚度
位错
- 抑制位错产生的方法
  - 选择无位错衬底
  - 双掺杂技术：同时引入两种原子半径不同的杂质原子，使它们产生的应变正好相反。
微缺陷

硅的异质外延#

如何实现SOI？

SOS外延生长技术#

定义
- SOI称绝缘层上硅，是一种新型结构的硅材料
- SOS是在蓝宝石或尖晶石衬底上外延生长的硅材料
  - SOS是SOI材料中的一种，蓝宝石和尖晶石是良好的绝缘体
异质外延衬底材料的选择
- 蓝宝石和尖晶石是硅异质外延理想的衬底材料
SOS外延生长
- 为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用双速率生长法和两步外延法等外延生长方法。

SOI外延生长技术#

SOI材料制备技术
1. 熔化横向生长技术
2. 侧向铺伸外延生长技术(ELO)实现选择性生长的工艺
3. 氧离子注入隔离（SIMOX）
  - 过程参数影响
    - 注入剂量
    - 注入能量
    - 退火温度
    - 退火气氛
    - 硅片温度
4. 硅片直接键合和背腐蚀（SDB&BESOI）技术
  - SDB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。
    
    a. 使用键合技术将两片硅片通过表面的SiO2层键合在一起
    
    b.再把背面用腐蚀BE（BackEtching）等方法减薄到所要求的厚度获得SOI结构。
    - 上面两个过程分三步完成
      - 第一步是在室温的环境下使一热氧化圆片在另一非氧化圆片上键合
      - 第二步是经过退火增强两个圆片的键合力度
      - 第三步通过研磨、抛光及腐蚀来减薄其中一个圆片到所要求的厚度
5. 智能剥离（Smart-Cut）技术
  1. 氧化
  2. 离子注入
  3. 低温键合
  4. 退火-剥离
  5. 高温退火-抛光
6. 外延层转移ELTRAN (Epitaxial Layer Transfer) 技术
四种制备SOI材料的方法比较