第五章硅外延生长 51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)
1 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）
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 如si/Si、GaAs/GaAs、GaP/GaP; 异质外延:外延层与衬底不同材料 如Si/A2O3、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 2
2 外延生长分类 ◼ 根据外延层性质 正外延：器件制作在外延层上 反外延：器件制作在衬底上 同质外延：外延层与衬底同种材料 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；
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 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 3
3 根据外延生长方法： 直接外延 间接外延 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 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
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、 SiCL3、Sic4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 4
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 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 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
名称「衬底」外延层组成外延工艺外延介质 硅同质外延 气相外延(VPE) SiHCi:+H2 SiHg 蓝宝石或 硅异质外延 气相外廷(VPE) SiH+ H, 尖晶石 气相外延(PE) AsCI+ Ga + H2 (Ar) GaAs 砷化镓同质外延 GaAs MOCVD GaR3 AsH3+ H, 分子束外延(MBE a+ A GHAs 液相外延(LPE) Ga+GaAs+H2 GaAs GaAlas/GaAs/GaAA液相外延(LE) Ga+Al +GaAs +H 砷化镓异质外延 GaAs GaAsP 气相(ⅤPE) Ga+ AsH3+ PH3 +HCl+ H2 磷化惊向质外延 GaP( GaP: N) 液相外延(LPE Ga+GaP+H2+(NH3) 化惊异质外延 GaAsP 液相外延(LPE) Ga+GaAs+ GaP+ MH3 GBA【As/GaAs 分子束外延(MBE)「CB、As、A 超晶格 (周期) MOCVD GaR3+ AIR,+ AsH3 + H2 化铟向质外延 气相外延(VPE) PCl+ In+ H2 磷化铟异质外延⊥IP InGaAsP 液相外延(LP) In+ InAs GaAs+ InP+ H2 GaAs S/GaAs外延 分子束外延(MBE)}Ca、As GaAs MOCVD GaR3+ AsHa H2
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52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
6 5.2硅的气相外延 ➢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。 5－2－1硅外延生长用的原料
气相外延法生长S半导体膜所用原料气体、反 应式、生长温度及所属反应类型 原料气体 反应式 生长温度 反应类型 SiCL sCL4+2H2→Si+4HCl ↓150~1250℃ 氢气还原法 SiCl SHUC!3+H2→S+3H 1100~1200℃ SiH,Cl2 SiH, Cl2-+Si+ 2HCl 1050~1150℃ 直接热分解法 SiH SiH4→S+2H2 950~|050℃ 7
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
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。 ■SiH2CL2SiH4 常温气体,SiH2CL2使用方便,反应温度低应用越 来越广。S出H反应温度低,无腐蚀性气体,但是会 因漏气产生外延缺陷
8 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
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
9 ◼ 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。 5－2－2 硅外延生长设备
5-2-4硅外延生长的基本原理和影 响因素 石英反应管硅片 以SCL为例 流 流\石墨基座 反应管帽盖 冷却水 减压阀 感应加热线圈 h单 可调二通阀 氢化 氯发 氯 化生 净器 硅 氢器 图1硅气相外延生长装置原理图 ■原理:SiCl4+2H2<>Si+4HCl 10
10 ◼ 原理：SiCl4+2H2 Si+4HCl 5-2-4硅外延生长的基本原理和影 响因素 以SiCl4为例