第五章硅和硅基薄膜的外延生长祥解.doc

第五章 硅和硅基薄膜的外延生长 5．1 概述 外延生长(通常亦简称外延)是半导体材料和器件制造的重要工艺之一，它的应用和发展对于提高半导体材料的质量和器件的性能，对于新材料、新器件的开发，对于半导体科学的发展都具有重要意义。 所谓外延生长就是在一定条件下，在经过仔细制备的单晶衬底上，沿着原来的结晶方向生长出一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构、完整性等都符合要求的新单晶层的工艺过程。所生长的单晶层称为外延层。 外延生长同从熔体中直接生长一样都是制备半导体材料单晶的方法，但相比之下外延生长有它一些特殊的优点： (1)利用外延生长可以在一块低电阻率的衬底上生长出一层很薄的高电阻率的外延层，然后把器件制作在外延层上，解决了高频大功率晶体管要求高的击穿电压和低的饱和压降之间的矛盾。 (2)可进行选择性外延生长，为集成电路和某些特殊结构器件的研制提供了便利条件。 (3)外延技术可以控制外延层中的杂质分布。 (4)采用适当的外延技术可以生长异质、薄层、超薄层组分可变的外延层，为制造多层异质结构器件提供了条件。 (5)可在低于衬底熔点的温度下制备半导体薄膜。 外延生长分类的方法很多，从不同的角度有不同的分类方法，主要有以下四种分类方法： (1)根据外延层在器件制作过程中的作用可分为正外延和反外延。如果器件直接制作在外延层上，则这种外延技术称为正外延；如果器件制作在衬底上，而外延层只起支撑和隔离作用，则这种外延技术称为反外延。 (2)根据衬底和外延层材料是否相同又可分为同质外延和异质外延。如果衬底和外延层属于同一种材料则称为同质外延，否则称为异质外延。 (3)根据在生长过程中向衬底输送原子的方法不同可分为气相处延、液相外延和固相外延。 (4)根据生长机理的不同可分为直接外延生长和间接外延生长。不经过中间化学反应，原子从源直接转移到衬底上形成外延层的外延生长称为直接外延生长；生长外延层所需要的原子或分子是由含有该组分的化合物，通过还原、热分解、歧化等化学反应而得，则这种外延生长称为间接外延生长。 5．1．1 硅外延技术发展历史 外延技术是在60年代初开始逐渐发展起来的。外延技术的出现解决了半导体器件制造中的许多原来难以解决的问题，大大提高了器件的性能。这种方法被应用于硅高频大功率晶体管的生产，解决了击穿电压与串联电阻之间的矛盾[l]。利用外延层能较精确地控制其厚度和掺杂的特点，促使 正处于迅速发展的半导体集成电路技术进入比较完善的阶段。此后在应用的推动下硅外延技术得 到了很大的发展。 为了提高器件的成品率和性能，降低成本，研制新器件，对硅外延提出了多种要求：产量大，外延片尺寸尽量大，外延层厚度和电阻率分布均匀，自掺杂小，掺杂浓度的精确控制，衬底与外延层界面处杂质分布陡峭，外延层晶体完整性好等。有的特殊要求包括生长亚微米厚的薄层外延，进行选择外延生长等。 为此外延工作者做了大量的研究工作，发展了外延生长技术。如依据边界层理论开展了低压外延等一系列研究，改善了外延层厚度和电阻率的均匀性[2]；采用SiCl4 +SiH4混合源 [3]和SiH2Cl2源等降低了外延生长温度；采用二步外延生长法[4，5]可有效地抑制自掺杂，提高界面处杂质过渡分布的陡度；通过HCl、Br2抛光，红外加热，完美硅外延技术等的应用，提高了外延层的晶体完整性；开展了吸杂技术的研究，进一步提高外延片的质量；最近，提出利用补偿效应有效地控制了外延生长过程中外延层边缘翘突，自掺杂和外扩散效应，使硅外延层的厚度一致性、掺杂的均匀性和材料完美性都有了明显的改善[6]；为了达到降低外延生长温度、抑制自掺杂、生长薄层外延片等目的正在研究硅的分子束外延、等离子增强、光能增强和超高真空化学气相淀积等新的外延生长技术。 5．1．2 外延技术在器件工艺中的应用 随着外延技术的发展，外延已成为器件制作中的重要工艺之一。在制作分立器件和功率器件时采用外延层结构可得到更好的器件性能。例如外延三极管是在制作过程中增加了一步在低阻衬底上外延一层导电类型相同而电阻率较高的单晶，采用这样的结构，当从集电极的引线接触点到集电结之间是低阻通道时，集电结区仍能保持所需的高击穿电压。 自从在外延层上制成三极管以后，硅的外延生长就成为硅器件工艺的重要部分。外延生长是制作双极型集成电路的一步重要工艺，双极数字IC的制作均采用外延，相对来说，双极线性IC使用较少一些，但随着高精度电路的发展，双极线性IC中外延也使用得越来越多。外延工艺一般为先在P型衬底上制作晶体管的区域预先埋入N+层，然后外延N层，最后经隔离扩散完成PN结隔离[7]。 MOS集成电路的晶体管一般