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第四章 外延片的制备 4.1硅外延工艺概述 定义:外延(epitaxy)是在一定条件下，在一片表面经过细致加工的单晶衬底上，沿其原来的结晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。 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。 习题 1.反应剂浓度较小时，外延生长速率与反应剂浓度的关系是_C A呈抛物线关系 B呈与误差关系 C呈线性关系 D呈高斯分布关系 2.判断：在较低温度下，外延生长率与温度的关系不明显。 3.外延生长初期产生气相自掺杂最重要的原因是_B A反应室含大量杂质 B高温下埋层挥发杂质 C掺杂剂不纯 D反应室中的杂质挥发 4.5.3外延过程中的杂质再分布 掺入外延层中的杂质一般与衬底杂质不同，即使相同，浓度也不一样。 同型杂质 异型杂质 硅外延工艺在高温下进行，因此杂质的再扩散不可忽视。 一方面，由外部掺入到外延层中的杂质继续向衬底深处扩散；另一方面，衬底中的杂质又不断地向生长着的外延层扩散。总的扩散浓度是它们各自扩散的共同结果。 同一导电类型的杂质取正号，相反类型的杂质取负号 4.6 自掺杂效应 4.6.1自掺杂效应及其来源 在外延生长期间，衬底杂质将不断扩散并从其表面蒸发出来，这种蒸发效应主要发生在生长初期，而后由于外延层的有效阻挡杂质将难以逸出，生长速率越慢，杂质能逸出表面的有效时间就越长。 对于发生在衬底背面的蒸发效应，由于它与加热基座直接接触，温度较高，蒸发将更甚，这种蒸发效应在整个淀积过程中都存在，特别在生长的后期，成为主要的蒸发源。 杂质从衬底片正面和背面的蒸发，不仅发生在生长期间，而且还发生在外延层正式开始生长之前的热处理过程中，如等待升温，气流稳定期间等，广义讲，这种蒸发是由于对样品进行预烘焙引起的。 如果进行气相腐蚀，随着硅的去除，大量的杂质被释放出来，也会使积蓄在附面层里的杂质大大增加。 这样从样品表面蒸发和腐蚀出来的杂质进入气相中，将起着掺杂剂的作用，重新进入外延层。 除此之外，加热基座、外延系统和输入气体中沾污的杂质也会进入外延层中。 外延层中的杂质除了人为的掺入以外，还存在着衬底和其它杂质非人为地掺入，统称为自掺杂效应。 在外延淀积过程中，掺杂剂从衬底上重掺杂的区域通过两种方式进入到正在生长的薄膜中： 一方面是由衬底杂质的固态外扩散引起的;另一方面是由上述各种原因引起的气相自掺杂所致。 4.6.3 减少自掺杂的方法 1.为避免硼的自掺杂，外延淀积过程应在尽可能最低的淀积温度下进行，这等价于高质量的膜和合理的淀积速率（SiH2Cl2可以在比SiCl4低的温度下淀积）。这只对减少硼的自掺杂有效，因为事实上在较低温度时砷的自掺杂增加了。 2.应使用有较低蒸气压和低扩散率的衬底和埋层掺杂剂。 3.用轻掺杂的硅封住衬底和支架背面 4.在降低压强下操作外延系统以减少横向自掺杂。由于气体分子的扩散率在气压减少时增加了，使得掺杂原子能迅速到达主气流并被带出反应室，从而减少横向自掺杂。只对磷和砷有用，对硼无效。 5.使用离子注入的埋层以减小衬底表面浓度。 6.在HCl刻蚀之后采用一个低温吹气的工艺，保证刻蚀时所涉及的掺杂剂被带出系统。 注意 外延层的晶体质量不应该超过衬底的质量。 因而在硅片预处理时必须非常小心。外延前硅 片的清洁要求从硅片的正面和背面去除颗粒、 有机的和无机的沾污。一般地这样的清洁过程 是不够的，还要求有一个额外的温度超过1100 度的即时的无水HCl的刻蚀来从表面去除剩余 的沾污。 必须小心以避免硅衬底的有效厚度的丧失， 因为在高温时刻蚀的速率很快。如果在较低的 温度（1050），已发现SF6是即时刻蚀中HCl 的合适替代品。 4.7对VLSI外延淀积的工艺考虑 温度低、用于SOS、有气相淀积问题、无图形变形、增加清洗次数、产量低 0.2-0.3 950-1000 SiH4 温度低、外延质量好、膜薄、产量大、减少自掺杂和外扩散、缺陷密度低 0.4-3.0 1000-1100 SiH2Cl2 易于还原、淀积温度高、膜厚，很少用 0.4-2.0 1100-1200 SiHCl3 温度高、选择性好、膜厚、导致严重自掺杂和外扩散 0.4-1.5 1150-1250 SiCl4 特点 生长速率（微米/分） 淀积温度（℃） 硅的来源 4.8图形的移动、变形和冲环 当检查淀积在埋层上的外延层中的台阶图形时，有时候会发现它的位置相对于它在埋层中的位置发生了移动。这些效应被分别称为图形移动、图形变形和图形冲环。 这些效应取决于基片取向、淀积速率、淀积温度和硅的原料