集成电路制造技术复习笔记：第三章

外延概述

外延(epitaxy)，是指在单晶衬底上，用物理或化学的方法，按衬底晶向生长（排列）单晶薄膜的工艺过程。

• 新生长的晶体薄膜称为外延层，有外延层的硅片称为（硅）外延片。
• 与先前描述单晶生长的不同在于外延生长温度低于熔点许多。
• 外延是在晶体上(不仅指硅)生长晶体，生长出的晶体晶向与衬底晶向相同，掺杂类型、电阻率可不同。

对于异质外延，由于衬底和外延层的材料不同，晶体结构和晶格常数不可能完全匹配，随着外延生长工艺不同，在界面会出现两种情况——应力释放带来界面缺陷，或者在外延层很薄时出现赝晶（pseudomorphic）。

外延工艺用途

硅外延片：用于制作双极型晶体管。

• 衬底：高掺杂单晶硅
• 外延层：低掺杂

气相外延

外延原理

硅烷热分解方程式：$SiH_4 \rightarrow Si+2H_2\uparrow$

表面外延过程

吸附→分解→迁移→解吸

表面外延过程表明外延生长是横向进行的.是在衬底台阶的结点位置发生的。

影响外延生长速率的因素

• 温度
• 硅源
• 反应剂浓度
• 其他因素：
  • 衬底晶向(110)>(111)
  • 反应室形状
  • 气体流速

温度对生长速率的影响

硅源对生长速率的影响

外延气体：

• 含氯的Si-Cl-H体系，目前应用最广
• 无氯的Si-H体系
• 新硅源Si₂H₆，用于低温外延，目前应用较少

Cl含量由高到低，外延生长速率由低到高。

反应剂浓度对生长速率的影响

当SiCl₄浓度增大，外延生长速率提高；但是增大到某一值之后，继续增大SiCl₄浓度，生长速率反而降低。这是因为SiCl₄的H₂还原反应可逆。

还原反应可逆。

对生长速率有影响的其他因素

• 反应器结构类型
• 气体流速/流量
• 硅衬底晶向

外延掺杂

自掺杂效应

• 自掺杂效应是指高温外延时，高掺杂衬底的杂质反扩散进入气相边界层，又从边界层扩散掺入外延层的现象。
• 自掺杂效应是气相外延的本征效应，不可能完全避免。

互扩散效应

• 互（外）扩散效应，指在衬底中的杂质与外延层中的杂质在外延生长时互相扩散，引起衬底与外延层界面附近的杂质浓度缓慢变化的现象。
• 互扩散效应不是本征效应，温度过高导致，是杂质固相扩散引起的效应。
• 通常硅中杂质扩散速率远小于外延生长速率，可以认为衬底中的杂质向外延层中扩散，或外延层中杂质向衬底中的扩散，都如同在半无限大的固体中的扩散。
• 当衬底和外延层都掺杂时，外延层中最终杂质分布。

外延技术

低压外延

可减小自掺杂效应，但是易泄漏；基座与衬底间温差大；基座、反应室在减压时放出吸附气体；外延生长温度低等因素，会使外延层晶体完整性受到一定影响。

选择外延

选择性外延是指在衬底表面的特定区域生长外延层，而其他区域不生长外延层的外延工艺。最早的用途是用来改进集成电路各元件之间的电隔离方法之一 。

外延生长晶粒成核速度：SiO₂<Si₃N₄<Si

SOI技术

SOI(Si On Insulator)，是指在绝缘衬底上异质外延硅获得的外延材料。衬底绝缘，制作的电路采用介质隔离，因而具有寄生电容小、速度快、抗辐射能力强等特点，也能抑制CMOS电路的闩锁效应。

离子注入O₂，退火注入H₂。

技术发展：

• 注入氧分离技术（Separation by Implanted Oxygen, SIMOX）
• 键合回刻技术（Bond and Etch-Back SOI, BESOI）
• 智能剪切技术（mart-Cut）

SOS技术

SOS(Si On Sapphre or Spinel)，是SOI的一种，衬底为蓝宝石($\alpha-Al_2O_3$)或者尖晶石。

随着外延层厚度增大，缺陷迅速减少。

分子束外延

分子束外延(MBE)相比气象外延(VPE)，具有下列优势：

• 衬底温度低，没有自掺杂效应，互扩散效应带来的杂质再分布现象也很弱
• 外延生长室真空度超高，非有意掺入的杂质浓度也非常低
• 外延生长杂质的掺入与停止是由喷射炉（快门）控制的，在外延界面没有过渡区

缺点：设备复杂、价格昂贵，效率低、成本高

其他外延方法

• 液相外延
• 固相外延