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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）
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；
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
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。
5
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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
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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
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 。
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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
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
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生长过程,
12
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,
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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,
14
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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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
16
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。
边界层厚度与流速平方根成反比气 -固表面复相化学反应模型
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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
6.气体副产物和未反应的反应物，离开反应区被排出系统
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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
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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
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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
2.外延生长的掺杂
外延用 PCL3,ASCI3,SbCI3,AsH3做 N型掺杂剂，用 BCL3,BBr3,B2H6做 P型掺杂剂
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5-3-2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
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注意：外延层的实际界面外延层中杂质分布是两者的总和
Dt2 xe x pN21xN S U b1 衬底扩散造成的杂质分布
Dt2
xe x pN
2
1xN
f2 外部掺入的杂质浓度分布
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5－ 3－ 3外延层生长中的自掺杂
自掺杂效应,衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层
抑制自掺杂的途径：
一：减少杂质由衬底逸出
1.使用蒸发速度较小的杂质做衬底和埋层中的杂质
2.外延生长前高温加热衬底，使硅衬底表面附近形成一杂质耗尽层，再外延时杂质逸出速度减少可降低自掺杂
3.采用背面封闭技术，即将背面预先生长高纯 SiO2或多晶硅封闭后再外延，可抑制背面杂质的蒸发而降低自掺杂。
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二：采用减压生长技术
使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层
一般在 1.3?103～ 2?104Pa的压力下进行。
4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。
5.采用二段外延生长技术即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源，
只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长第二段外延层，直到达到预定厚度
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5－ 3－ 4外延层的夹层
外延层的夹层 指的是外延层和衬底界面附近出现的 高阻层或反型层。
分为 两种类型：
一是 在检测时导电类型混乱，击穿图形异常，用染色法观察 界面不清晰二是 导电类型异常，染色观察会 看到一条清晰的带
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外延层产生的原因 也有两种：
第一种夹层情况认为 P型杂质沾污,造成 N型外延层被高度补偿解决办法,P型杂质主要来源于 SiCL4，只要提高
SiCL4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。
第二种情况是由于衬底引起的当衬底中硼的含量大于 3?1016cm－ 3时，外延层中就容易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快，结果使得硼扩散到外延层中补偿了 N型杂质，形成了一个高阻层或反型层。
解决办法,一是提高重掺杂单晶质量；二是在工艺中防止引入 P型杂质，降低单晶中 B的含量；三是在外延生长时可以先长一层 N型低阻层作为过渡层，控制夹层。
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5－ 4 硅外延层的缺陷
分类：
一：表面缺陷，也叫宏观缺陷如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，
滑移线等二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷如层错，位错
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5－ 4－ 1外延片的表面缺陷
云雾状表面外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以看到。
一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛光浓度过大，生长温度太低等引起的。
角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘，
用肉眼可以看到。
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雾状表面缺陷
① 雾圈
② 白雾
③ 残迹
④ 花雾 ① 雾圈 ② 白雾
③ 残迹 ④ 花雾
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角锥体
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亮点：外形为乌黑发亮的小圆点
塌边：又叫取向平面，它是外延生长后在片子边缘部分比中间部分低形成一圈或一部分宽 1～ 2mm左右的斜平面。
形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏离衬底片晶向。
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划痕：由机械损伤引起
星形线（滑移线）：
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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。
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晶格点阵的失配会使外延片呈现弯曲。
当弯曲程度超过弹性范围，为缓和内应力就会出现位错，称之为 失配位错。
为了消除应力，采用 应力补偿法,即在外延或扩散时,同时引入两种杂质，使它们产生的应变正好相反。 当两种杂质原子掺入的比例适当时，可以使应力相互得到补偿，减少或避免晶格畸变。从而消除失配位错的产生。
这种方法称为“双掺杂技术”。
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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
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5－ 5－ 1 SOS 技术
蓝宝石和尖晶石 是良好的绝缘体，以它们 作为衬底 外延生长硅 制作集成电路,
可以 消除 集成电路 元器件之间的相互作用,不但可以 减少漏电流和寄生电容，
增强抗辐射能力和降低功耗,还可以 提高集成度和双层布线,是大规模、超大规模集成电路的理想材料。
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1.衬底的选择
选择 异质外延衬底材料 时,需要考虑的因素,
1.考虑 外延层和衬底材料之间的相容性 。包括晶体结构，熔点，蒸汽压、热膨胀系数等。
2.考虑 衬底对外延层的沾污问题 。
目前最适合硅外延的异质衬底是 蓝宝石和尖晶石 。当前工业生产上广泛使用 蓝宝石 做衬底。
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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
2H2+AL2O3=AL2O+2H2O
5Si＋ 2AL2O3=AL2O＋ 5SiO+2AL
SiCL4对衬底的腐蚀大于 SiH4,所以 SOS外延生长，
采用 SiH4热分解法更有利 。
在衬底尚未被 Si完全覆盖之前，上述腐蚀反应都在进行为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用双速率生长 和 两步外延 等外延生长方法。
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双速率生长,先用高的生长速率 (1～ 2um/min),
迅速将衬底表面覆盖 (生长 100～ 200nm)。然后再以低的生长速率 (约 0.3um/min)长到所需求的厚度。
两步外延法 是综合利用 SiH4/H2和 SiCI4/H2两个体系的优点。即第一部用 SiH4/H2体系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用 SiCI4/H2体系接着生长到所要求的厚度。
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SOS 技术的缺点及需要解决的问题缺点,1）由于晶格失配（尖晶石为立方结构，蓝宝石为六角晶系）问题和自掺杂效应，外延质量缺陷多，但厚度增加，缺陷减小。 2）成本高，一般作低功耗器件，近来用 SOI代替，可降低成本。
需要解决的问题,
提高 SOS外延层的晶体完整性,降低自掺杂,使其性能接近同质硅外延层的水平并且有良好的热稳定性
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5-5-2 SOI技术
SOI技术是 IBM公司 首先开发成功的 芯片制造技术
在 1998年研制成功,于 2000年正式应用于 其
PowerPC RS64IV芯片上的 半导体制造技术 。
SOI硅绝缘技术是指在半导体的绝缘层（如二氧化硅）上，通过特殊 工艺，再附着非常薄的一层硅，在这层 SOI层之上再制造电子设备。
此工艺可以使晶体管的充放电速度大大加快，提高数字电路的开关 速度。 SOI与 传统的半导体生产工艺（一般称为 bulk CMOS）相比 可使 CPU的性能提高性能 25%-35%，降低功耗 1.7-3倍 。
SOI,Silicon On Insulator 绝缘体上的硅
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体硅 CMOS技术
44
SOI(Silicon-On-Insulator,
绝缘衬底上的硅 )技术
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低压 SOI器件体硅 SOI
双栅 SOI
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SOI的 结构特点 是在 有源层和衬底层之间插入埋氧层 来隔断二者的电连接。
SOI和体硅在电路结构上的主要差别在于,硅基器件或电路制作在外延层上,器件和衬底直接产生电连接，高低压单元之间、有源层和衬底层之间的隔离 通过反偏 PN结完成,而
SOI电路的有源层、衬底、高低压单元之间都通过绝缘层完全隔开，各部分的电气连接被完全消除。
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为其带来了 寄生效应小,速度快,功耗低,集成度高,抗辐射能力强 等诸多优点 。
SOI的结构特点和 相同条件下的 体硅电路相比，
SOI电路的速度可提高 25-35%，功耗可下降 2/3
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SOI技术的挑战
1,SOI材料是 SOI技术的基础
SOI技术发展有赖于 SOI材料的不断进步，材料是 SOI技术发展的主要障碍之一
这个障碍目前正被逐渐清除
SOI材料制备目前最常用的方法：
SDB SIMOX Smart-Cut ELTRAN
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SDB (Silicon Direct Bonding)直接键合技术
SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔离
Smart Cut智能切割
ELTRAN (Epoxy Layer Transfer)外延层转移
50
SDB(Silicon Direct Bonding)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。
1.SDB
将两片硅片 通过 表面的 SiO2层键合在一起,再把背面用腐蚀等方法减薄来获得 SOI结构
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当两个平坦的具有 亲水性 表面的硅片（如被氧化的硅片）相对放置在一起时，即使在室温下亦回自然的发生键合。
亲水性是指材料表面与水分子之间有较强的亲和力,
通常表现为洁净固体表面能被水所润湿通常认为，键合是由吸附在两个硅片表面上的 OH-
在范德瓦尔斯力作用下相互吸引所引起的在 室温下 实现的 键合 通常 不牢固,所以 键合后还要进行退火,键合的强度随退火温度的升高而增加。
键合后采用机械研磨或化学抛光的方法，将器件层的硅片减薄到预定厚度。
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键合 (Bonded)技术优缺点：
硅膜质量高
埋氧厚度和硅膜厚度可以随意调整
适合于大功率器件及 MEMS技术
硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍
键合要用两片体硅片制成一片 SOI衬底,
成本至少是体硅的两倍
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54
SDB
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SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔离,是通过 氧离子注入到硅片,再 经高温退火 过程 消除注入缺陷而成,
2.SIMOX
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O2 O2
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采用 SIMOX技术制备的 硅膜均匀性较好，调整氧离子注入剂量可使厚度控制在 50～ 400nm的范围。 但由于需要昂贵的高能大束流离子注入机，还要经过高温退火过程，所以制备 成本很高，价格非常贵。
采用 SIMOX技术制备的 顶层 硅膜通常较薄,为此，人们采用在 SIMOX基片上外延的方法来获得较厚的顶层硅,即所谓的
ESIMOX（ Epoxy SIMOX）技术 。但是厚外延将在硅膜中引起较多的缺陷，因此 SIMOX技术通常用于制备薄硅膜、薄埋氧层的 SOI材料。
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各层性能 20世纪 90年代 今后上层 Si的均匀性 /埃 ＜ ± 100 ＜ ± 25
SiO2埋层厚度 /um 0.3~0.5 0.05~0.5
SiO2埋层的均匀性 ± 3% ± 1%
平均缺陷密度 /cm-2 105~104 103~102
样品表面的粒子数注入后 /cm-2(粒子大小 ) ＜ 0.75 ＜ 0.016
退火后 /cm-2(粒子大小 ) ＜ 0.016 ＜ 0.016
SIMOX材料现在的水平和今后的需要
60
SIMOX材料：
最新趋势是采用 较小的氧注入剂量
显著改善顶部硅层的质量
降低 SIMOX材料的成本
低注入剂量 (~ 4?1017/cm2)的埋氧厚度薄：
800～ 1000?
退火温度高于 1300℃,制备大面积
(?300mm)SIMOX材料困难
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Smart Cut智能切割 兼具有 SDB和
SIMOX的特点,工艺流程包括 热氧化、注氢、
低温键合、热处理剥离、精密抛光 等。这种方法制得的 硅片顶部硅膜的均匀性相当好，
单片厚度偏差和片间偏差可控制在 10nm以内，
另外 生产成本也可降低,因为不需要昂贵的专用大束流离子注入机和长时间的高温退火，
所以这是一种极有前途的 SOI制备技术。特别 适用于制备薄硅膜、厚埋氧层材料。
3.Smart Cut
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Smart-Cut技术是一种智能剥离技术
将离子注入技术和硅片键合技术结合在一起
解决了键合 SOI中硅膜减薄问题,可以获得均匀性很好的顶层硅膜
硅膜质量接近体硅 。
剥离后的硅片可以作为下次键合的衬底,
降低成本
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H2 H2
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Smart Cut
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Smart Cut
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Smart Cut
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ELTRAN技术 (Epoxy Layer Transfer)外延层转移,独特之处在于 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 。
4.ELTRAN
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ELTRAN
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ELTRAN
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以上 4种制备 SOI材料的方法各有所长,用户可以根据不同的材料要求,选择不同的制备方法 。
SDB法 通常用于制取 厚埋氧层材料,其硅层的厚度取决于硅片减薄技术的进展 。 早期该技术只能制备厚硅层材料,后来随着
BE（ Back Etch） Bonding技术和 CMP（ Chemical Mechanical
Polishing） 技术的发展,也可以用于制备极薄的顶层硅
（ 0.1μm ） 。
而 SIMOX法 由于氧注入条件的限制,只能制取薄硅层 （ 0.1～
0.4μm ） 和薄埋氧层 （ 0.1～ 0.4μm ） 材料 。 要获得厚的硅层,
必须再进行外延,即采用 ESIMOX法 。
而 Smart Cut法 由于采用了键合工艺,则 最适用于制备薄硅层
（ 0.1～ 1μm ） 和厚埋氧层材料 。
ELTRAN法的适用范围最宽,可根据用户要求,提供从几十纳米到几十微米的硅层和埋氧层 。
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作业五,
什么是同质外延,异质外延,直接外延,间接外延?
什么是自掺杂?外掺杂?抑制自掺杂的途径有哪些?
什么是 SOS,SOI技术
SOI材料的生长方法有哪些?每种方法是如何实现的?
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；
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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
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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。
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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
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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
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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，但是会因漏气产生外延缺陷 。
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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
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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
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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,
13
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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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
16
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。
边界层厚度与流速平方根成反比气 -固表面复相化学反应模型
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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
6.气体副产物和未反应的反应物，离开反应区被排出系统
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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
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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
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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
2.外延生长的掺杂
外延用 PCL3,ASCI3,SbCI3,AsH3做 N型掺杂剂，用 BCL3,BBr3,B2H6做 P型掺杂剂
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5-3-2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
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注意：外延层的实际界面外延层中杂质分布是两者的总和
Dt2 xe x pN21xN S U b1 衬底扩散造成的杂质分布
Dt2
xe x pN
2
1xN
f2 外部掺入的杂质浓度分布
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5－ 3－ 3外延层生长中的自掺杂
自掺杂效应,衬底中的杂质进入气相中再掺入外延层
抑制自掺杂的途径：
一：减少杂质由衬底逸出
1.使用蒸发速度较小的杂质做衬底和埋层中的杂质
2.外延生长前高温加热衬底，使硅衬底表面附近形成一杂质耗尽层，再外延时杂质逸出速度减少可降低自掺杂
3.采用背面封闭技术，即将背面预先生长高纯 SiO2或多晶硅封闭后再外延，可抑制背面杂质的蒸发而降低自掺杂。
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二：采用减压生长技术
使已蒸发到气相中的杂质尽量不再进入外延层
一般在 1.3?103～ 2?104Pa的压力下进行。
4.采用低温外延技术和不含有卤原子的硅源。
5.采用二段外延生长技术即先生长一段很短时间的外延层，然后停止供源，
只通氢气驱除贮存在停滞层中的杂质，再开始生长第二段外延层，直到达到预定厚度
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5－ 3－ 4外延层的夹层
外延层的夹层 指的是外延层和衬底界面附近出现的 高阻层或反型层。
分为 两种类型：
一是 在检测时导电类型混乱，击穿图形异常，用染色法观察 界面不清晰二是 导电类型异常，染色观察会 看到一条清晰的带
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外延层产生的原因 也有两种：
第一种夹层情况认为 P型杂质沾污,造成 N型外延层被高度补偿解决办法,P型杂质主要来源于 SiCL4，只要提高
SiCL4的纯度及做好外延前的清洁处理就可以解决。
第二种情况是由于衬底引起的当衬底中硼的含量大于 3?1016cm－ 3时，外延层中就容易出现夹层。这是由于高温时硼扩散的比锑快，结果使得硼扩散到外延层中补偿了 N型杂质，形成了一个高阻层或反型层。
解决办法,一是提高重掺杂单晶质量；二是在工艺中防止引入 P型杂质，降低单晶中 B的含量；三是在外延生长时可以先长一层 N型低阻层作为过渡层，控制夹层。
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5－ 4 硅外延层的缺陷
分类：
一：表面缺陷，也叫宏观缺陷如云雾，划道，亮点，塌边，角锥，
滑移线等二：内部结构缺陷，也叫微观缺陷如层错，位错
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5－ 4－ 1外延片的表面缺陷
云雾状表面外延片表面呈乳白色条纹，在光亮处肉眼可以看到。
一般由于氢气纯度低，含水过多，或气相抛光浓度过大，生长温度太低等引起的。
角锥体：又称三角锥或乳突。形状像沙丘，
用肉眼可以看到。
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雾状表面缺陷
① 雾圈
② 白雾
③ 残迹
④ 花雾 ① 雾圈 ② 白雾
③ 残迹 ④ 花雾
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角锥体
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亮点：外形为乌黑发亮的小圆点
塌边：又叫取向平面，它是外延生长后在片子边缘部分比中间部分低形成一圈或一部分宽 1～ 2mm左右的斜平面。
形成原因：衬底加工时造成片边磨损偏离衬底片晶向。
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划痕：由机械损伤引起
星形线（滑移线）：
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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。
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晶格点阵的失配会使外延片呈现弯曲。
当弯曲程度超过弹性范围，为缓和内应力就会出现位错，称之为 失配位错。
为了消除应力，采用 应力补偿法,即在外延或扩散时,同时引入两种杂质，使它们产生的应变正好相反。 当两种杂质原子掺入的比例适当时，可以使应力相互得到补偿，减少或避免晶格畸变。从而消除失配位错的产生。
这种方法称为“双掺杂技术”。
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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
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5－ 5－ 1 SOS 技术
蓝宝石和尖晶石 是良好的绝缘体，以它们 作为衬底 外延生长硅 制作集成电路,
可以 消除 集成电路 元器件之间的相互作用,不但可以 减少漏电流和寄生电容，
增强抗辐射能力和降低功耗,还可以 提高集成度和双层布线,是大规模、超大规模集成电路的理想材料。
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1.衬底的选择
选择 异质外延衬底材料 时,需要考虑的因素,
1.考虑 外延层和衬底材料之间的相容性 。包括晶体结构，熔点，蒸汽压、热膨胀系数等。
2.考虑 衬底对外延层的沾污问题 。
目前最适合硅外延的异质衬底是 蓝宝石和尖晶石 。当前工业生产上广泛使用 蓝宝石 做衬底。
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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
2H2+AL2O3=AL2O+2H2O
5Si＋ 2AL2O3=AL2O＋ 5SiO+2AL
SiCL4对衬底的腐蚀大于 SiH4,所以 SOS外延生长，
采用 SiH4热分解法更有利 。
在衬底尚未被 Si完全覆盖之前，上述腐蚀反应都在进行为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用双速率生长 和 两步外延 等外延生长方法。
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双速率生长,先用高的生长速率 (1～ 2um/min),
迅速将衬底表面覆盖 (生长 100～ 200nm)。然后再以低的生长速率 (约 0.3um/min)长到所需求的厚度。
两步外延法 是综合利用 SiH4/H2和 SiCI4/H2两个体系的优点。即第一部用 SiH4/H2体系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用 SiCI4/H2体系接着生长到所要求的厚度。
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SOS 技术的缺点及需要解决的问题缺点,1）由于晶格失配（尖晶石为立方结构，蓝宝石为六角晶系）问题和自掺杂效应，外延质量缺陷多，但厚度增加，缺陷减小。 2）成本高，一般作低功耗器件，近来用 SOI代替，可降低成本。
需要解决的问题,
提高 SOS外延层的晶体完整性,降低自掺杂,使其性能接近同质硅外延层的水平并且有良好的热稳定性
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5-5-2 SOI技术
SOI技术是 IBM公司 首先开发成功的 芯片制造技术
在 1998年研制成功,于 2000年正式应用于 其
PowerPC RS64IV芯片上的 半导体制造技术 。
SOI硅绝缘技术是指在半导体的绝缘层（如二氧化硅）上，通过特殊 工艺，再附着非常薄的一层硅，在这层 SOI层之上再制造电子设备。
此工艺可以使晶体管的充放电速度大大加快，提高数字电路的开关 速度。 SOI与 传统的半导体生产工艺（一般称为 bulk CMOS）相比 可使 CPU的性能提高性能 25%-35%，降低功耗 1.7-3倍 。
SOI,Silicon On Insulator 绝缘体上的硅
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体硅 CMOS技术
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SOI(Silicon-On-Insulator,
绝缘衬底上的硅 )技术
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低压 SOI器件体硅 SOI
双栅 SOI
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SOI的 结构特点 是在 有源层和衬底层之间插入埋氧层 来隔断二者的电连接。
SOI和体硅在电路结构上的主要差别在于,硅基器件或电路制作在外延层上,器件和衬底直接产生电连接，高低压单元之间、有源层和衬底层之间的隔离 通过反偏 PN结完成,而
SOI电路的有源层、衬底、高低压单元之间都通过绝缘层完全隔开，各部分的电气连接被完全消除。
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为其带来了 寄生效应小,速度快,功耗低,集成度高,抗辐射能力强 等诸多优点 。
SOI的结构特点和 相同条件下的 体硅电路相比，
SOI电路的速度可提高 25-35%，功耗可下降 2/3
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SOI技术的挑战
1,SOI材料是 SOI技术的基础
SOI技术发展有赖于 SOI材料的不断进步，材料是 SOI技术发展的主要障碍之一
这个障碍目前正被逐渐清除
SOI材料制备目前最常用的方法：
SDB SIMOX Smart-Cut ELTRAN
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SDB (Silicon Direct Bonding)直接键合技术
SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔离
Smart Cut智能切割
ELTRAN (Epoxy Layer Transfer)外延层转移
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SDB(Silicon Direct Bonding)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。
1.SDB
将两片硅片 通过 表面的 SiO2层键合在一起,再把背面用腐蚀等方法减薄来获得 SOI结构
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当两个平坦的具有 亲水性 表面的硅片（如被氧化的硅片）相对放置在一起时，即使在室温下亦回自然的发生键合。
亲水性是指材料表面与水分子之间有较强的亲和力,
通常表现为洁净固体表面能被水所润湿通常认为，键合是由吸附在两个硅片表面上的 OH-
在范德瓦尔斯力作用下相互吸引所引起的在 室温下 实现的 键合 通常 不牢固,所以 键合后还要进行退火,键合的强度随退火温度的升高而增加。
键合后采用机械研磨或化学抛光的方法，将器件层的硅片减薄到预定厚度。
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键合 (Bonded)技术优缺点：
硅膜质量高
埋氧厚度和硅膜厚度可以随意调整
适合于大功率器件及 MEMS技术
硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍
键合要用两片体硅片制成一片 SOI衬底,
成本至少是体硅的两倍
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SDB
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SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔离,是通过 氧离子注入到硅片,再 经高温退火 过程 消除注入缺陷而成,
2.SIMOX
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O2 O2
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采用 SIMOX技术制备的 硅膜均匀性较好，调整氧离子注入剂量可使厚度控制在 50～ 400nm的范围。 但由于需要昂贵的高能大束流离子注入机，还要经过高温退火过程，所以制备 成本很高，价格非常贵。
采用 SIMOX技术制备的 顶层 硅膜通常较薄,为此，人们采用在 SIMOX基片上外延的方法来获得较厚的顶层硅,即所谓的
ESIMOX（ Epoxy SIMOX）技术 。但是厚外延将在硅膜中引起较多的缺陷，因此 SIMOX技术通常用于制备薄硅膜、薄埋氧层的 SOI材料。
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各层性能 20世纪 90年代 今后上层 Si的均匀性 /埃 ＜ ± 100 ＜ ± 25
SiO2埋层厚度 /um 0.3~0.5 0.05~0.5
SiO2埋层的均匀性 ± 3% ± 1%
平均缺陷密度 /cm-2 105~104 103~102
样品表面的粒子数注入后 /cm-2(粒子大小 ) ＜ 0.75 ＜ 0.016
退火后 /cm-2(粒子大小 ) ＜ 0.016 ＜ 0.016
SIMOX材料现在的水平和今后的需要
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SIMOX材料：
最新趋势是采用 较小的氧注入剂量
显著改善顶部硅层的质量
降低 SIMOX材料的成本
低注入剂量 (~ 4?1017/cm2)的埋氧厚度薄：
800～ 1000?
退火温度高于 1300℃,制备大面积
(?300mm)SIMOX材料困难
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Smart Cut智能切割 兼具有 SDB和
SIMOX的特点,工艺流程包括 热氧化、注氢、
低温键合、热处理剥离、精密抛光 等。这种方法制得的 硅片顶部硅膜的均匀性相当好，
单片厚度偏差和片间偏差可控制在 10nm以内，
另外 生产成本也可降低,因为不需要昂贵的专用大束流离子注入机和长时间的高温退火，
所以这是一种极有前途的 SOI制备技术。特别 适用于制备薄硅膜、厚埋氧层材料。
3.Smart Cut
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Smart-Cut技术是一种智能剥离技术
将离子注入技术和硅片键合技术结合在一起
解决了键合 SOI中硅膜减薄问题,可以获得均匀性很好的顶层硅膜
硅膜质量接近体硅 。
剥离后的硅片可以作为下次键合的衬底,
降低成本
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H2 H2
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Smart Cut
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Smart Cut
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Smart Cut
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ELTRAN技术 (Epoxy Layer Transfer)外延层转移,独特之处在于 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 。
4.ELTRAN
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ELTRAN
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ELTRAN
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以上 4种制备 SOI材料的方法各有所长,用户可以根据不同的材料要求,选择不同的制备方法 。
SDB法 通常用于制取 厚埋氧层材料,其硅层的厚度取决于硅片减薄技术的进展 。 早期该技术只能制备厚硅层材料,后来随着
BE（ Back Etch） Bonding技术和 CMP（ Chemical Mechanical
Polishing） 技术的发展,也可以用于制备极薄的顶层硅
（ 0.1μm ） 。
而 SIMOX法 由于氧注入条件的限制,只能制取薄硅层 （ 0.1～
0.4μm ） 和薄埋氧层 （ 0.1～ 0.4μm ） 材料 。 要获得厚的硅层,
必须再进行外延,即采用 ESIMOX法 。
而 Smart Cut法 由于采用了键合工艺,则 最适用于制备薄硅层
（ 0.1～ 1μm ） 和厚埋氧层材料 。
ELTRAN法的适用范围最宽,可根据用户要求,提供从几十纳米到几十微米的硅层和埋氧层 。
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作业五,
什么是同质外延,异质外延,直接外延,间接外延?
什么是自掺杂?外掺杂?抑制自掺杂的途径有哪些?
什么是 SOS,SOI技术
SOI材料的生长方法有哪些?每种方法是如何实现的?
