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1、外延生长工艺原理外延生长工艺原理n n外延生长：在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层，单晶取向外延生长：在单晶衬底上淀积一层薄的单晶层，单晶取向值取决于源衬底的结晶晶向。值取决于源衬底的结晶晶向。n n 同质外延同质外延 当衬底与外延层具有相同材料当衬底与外延层具有相同材料n n 异质外延异质外延 n n 外延结外延结 n n 扩散结扩散结n n外延形成的外延形成的PNPN结不是通过杂质补偿形成的，接近于理想的结不是通过杂质补偿形成的，接近于理想的突变结突变结外延层的优点外延层的优点n n可以获得理想高质量的硅材料可以获得理想高质量的硅材料 在单晶材料加工过程中，不可避免地引入严重的表面在单晶材料加
2、工过程中，不可避免地引入严重的表面机械损伤及表面自吸附足够多的杂质，虽然经历了切割，机械损伤及表面自吸附足够多的杂质，虽然经历了切割，研磨和抛光，也许能达到很好的光洁度和平整度，但是也研磨和抛光，也许能达到很好的光洁度和平整度，但是也存在肉眼看不见的缺陷。存在肉眼看不见的缺陷。n n可以解决击穿电压和集电区串联电阻之间的可以解决击穿电压和集电区串联电阻之间的矛盾矛盾n n外延晶层制备技术的灵活性由利于提高外延晶层制备技术的灵活性由利于提高ICIC集成度集成度 实现隔离技术：由于在进行隔离墙扩散时，横向扩散与实现隔离技术：由于在进行隔离墙扩散时，横向扩散与纵向扩散的距离几乎相等，如果外延层较厚，
3、相应的增加纵向扩散的距离几乎相等，如果外延层较厚，相应的增加了横向扩散的距离，降低了集成度。了横向扩散的距离，降低了集成度。n n有利于提高少子寿命，降低有利于提高少子寿命，降低ICIC存储单元的漏电流存储单元的漏电流 集成电路的有源区在高温的条件下常会诱生处大量的热缺集成电路的有源区在高温的条件下常会诱生处大量的热缺陷和微缺陷陷和微缺陷 ，这些缺陷加速了金属杂质的扩散，杂质与，这些缺陷加速了金属杂质的扩散，杂质与微缺陷相互作用，导致漏电流增大，发生低击穿现象，功微缺陷相互作用，导致漏电流增大，发生低击穿现象，功耗增大，成品率降低。耗增大，成品率降低。n n外延技术用于外延技术用于MOSMOS
4、器件集成化可显著提高电路的速器件集成化可显著提高电路的速度度 提高电阻率可以提高载流子的迁移率，从而增大了提高电阻率可以提高载流子的迁移率，从而增大了MOSMOS电路的充放电电流，缩短了充放电时间，提高工作速电路的充放电电流，缩短了充放电时间，提高工作速度。度。减小减小MOSMOS器件的电容效应，高电阻率的外延层使器件的器件的电容效应，高电阻率的外延层使器件的寄生电容，扩散电容均减小，缩短了充放电时间。寄生电容，扩散电容均减小，缩短了充放电时间。n n可以解决可以解决CMOSCMOS集成电路的闭锁效应集成电路的闭锁效应CMOS闭锁效应CMOS倒相器中的寄生元器件结构外延方法外延方法n n物理气
5、相外延物理气相外延 蒸发蒸发 溅射溅射 ，化学气相外延，化学气相外延 通过通过化学反应来激活或强化生长的过程化学反应来激活或强化生长的过程n n液相外延液相外延n n金属有机金属有机CVD CVD 淀积金属以及氧化物的多晶或无定型膜淀积金属以及氧化物的多晶或无定型膜n n分子束外延分子束外延 淀积淀积GaAsGaAs异质外延层异质外延层硅气相外延硅气相外延n n利用硅的气态化合物，经过化学反应在硅的表面生长一层利用硅的气态化合物，经过化学反应在硅的表面生长一层单晶硅，单晶硅，SiCl42H2Si4HCl。反应设备反应设备n n采用卧室的反应器采用卧室的反应器 由石英反应腔，石墨基座，高频感由石
6、英反应腔，石墨基座，高频感应加热系统等应加热系统等 反应流程n n装片装片n n通氢气清除石英管内中空气通氢气清除石英管内中空气n n升温，一般为升温，一般为1100110012001200n n通氢气消除表面氧化层或通氢气消除表面氧化层或HClHCl去除表面损伤层。去除表面损伤层。n n去除去除HClHCl和杂质和杂质n n通氢气及掺杂源，获得经过掺杂的硅层通氢气及掺杂源，获得经过掺杂的硅层n n关闭氢气，恒温数分钟。关闭氢气，恒温数分钟。n n缓慢降温，缓慢降温，300300下可以取片下可以取片采用采用RFRF射频加热的理由：射频加热的理由：n n1 1、升温速度快，降温速度快、升温速度快
7、，降温速度快n n2 2、温度稳定性好、温度稳定性好n n3 3、射频感应加热可使反应器腔体壁温度远低于石墨基座、射频感应加热可使反应器腔体壁温度远低于石墨基座，保证产物保证产物“择温淀积择温淀积”在硅衬底上。在硅衬底上。外延生长的工艺环境外延生长的工艺环境n n生长速率与浓度的关系生长速率与浓度的关系 在硅气相淀积中，在低浓度时生长速率与浓度成在硅气相淀积中，在低浓度时生长速率与浓度成正比，高浓度时，反而降低，主要是产生了逆向腐蚀作用。正比，高浓度时，反而降低，主要是产生了逆向腐蚀作用。n n生长速率与温度的关系生长速率与温度的关系 在较高高温下，取决于气体源分子转移到生长层在较高高温下，取
8、决于气体源分子转移到生长层表面的快慢表面的快慢 质量转移控制。质量转移控制。在较底温度时，取决于生长层表面进行的化学反在较底温度时，取决于生长层表面进行的化学反应速率应速率 表面反应控制。表面反应控制。外延层中的杂质分布外延层中的杂质分布n n自掺杂：凡是非反应气体中有意掺入的杂质所引起的对外自掺杂：凡是非反应气体中有意掺入的杂质所引起的对外延层施加的掺杂延层施加的掺杂n n原因：原因：1 1、由于外延生长必须在、由于外延生长必须在10001000度以上的高温下进行的，度以上的高温下进行的，不可避免的会存在杂质的热扩散和热迁移不可避免的会存在杂质的热扩散和热迁移 2 2、由于反应产物氯化氢对衬
9、底的腐蚀，其中的杂质就、由于反应产物氯化氢对衬底的腐蚀，其中的杂质就会释放进入外延层会释放进入外延层降低自掺杂效应的方法降低自掺杂效应的方法n n在衬底上生长一层较薄的外延层，由它盖住衬底，阻止杂在衬底上生长一层较薄的外延层，由它盖住衬底，阻止杂质的蒸发质的蒸发n n外延生长前用氯化氢气相抛光外延生长前用氯化氢气相抛光 除掉衬底表面的微量污染除掉衬底表面的微量污染物。物。n n可以经过离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度。可以经过离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度。外延层生长缺陷外延层生长缺陷n n按位置分类有表面缺陷和体内缺陷按位置分类有表面缺陷和体内缺陷n n在一定的在一定的生长速率生长速率生长速率生长速率下，晶格缺陷密度随温度的降低而增加下，晶格缺陷密度随温度的降低而增加 n n在一定的在一定的淀积温度淀积温度淀积温度淀积温度下，晶格缺陷又随生长速率的增加而增下，晶格缺陷又随生长速率的增加而增多多