文档介绍：本章主要内容
硅气相外延的基本原理
外延层中的杂质分布
低压外延
选择外延
硅烷热分解法外延
SOS技术
分子束外延
层错、图形漂移及利用层错法测量厚度
外延层电阻率的测量
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外延
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外延的概念和分类
外延工艺是指在单晶衬底上、按衬底晶向生长单晶薄膜的工艺过程，希腊语称Epitaxy。从广义上讲，外延也是一种CVD工艺。新生的单晶层称为外延层，长了外延层的衬底称为外延片。
外延的概念
外延的分类
衬底与外延层阻值不同
（衬底阻值/外延阻值）
正向外延
（低/高）
反向外延
（高/低）
衬底与外延层材料
同质外延
（常用）
异质外延
向衬底输送原子方式
气相外延
（常用）
液相外延
固相外延
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外延
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• Doping profiles that are not attainable through other conventional means such as diffusion or ion implantation.
• Physical and chemical properties of the epitaxial layers can be made different from the bulk materials.
• Such thick, 30-100 m high purity layers are often used in power devices.
•Thinner, 1-5 m, are commonly used for many CMOS and bipolar technology.
外延的概念和分类
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外延
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外延的应用
在早期的半导体工艺中，外延是用来改善双极型晶体管的性能，解决高频功率器件的击穿电压与集电极串联电阻对集电区电阻率要求之间的矛盾。
在CMOS工艺中，采用外延片的优点：
；
；
，损伤最小。
闩锁效应：是指在CMOS晶片中，在电源和地之间由于寄生的PNP和NPN双极型BJT相互影响而产生的一低阻抗通路，它在会使VDD和GND之间产生大电流。
外延的概念和分类
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外延
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外延的概念和分类
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外延
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SiCl4
SiHCl3
SiCl2H2
SiH4
主要应用在传统的外延工艺中
生长速度快，1um/min，用于厚外延层的制备
生长高质量的薄外延层，外延层的缺陷密度低于SiCl4和SiH4。
生长很薄的外延层，且得到高淀积率。
生长外延层需要很高的温度
可以在较低的温度下外延
用在更低的温度下
在低于900度下生长外延层
硅气相外延的基本原理
一、硅源
目前生长硅外延层主要有四种源：四***化硅、三***硅烷（TCS)、二***硅烷(DCS)和硅烷。
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外延
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吸附原子
台阶边缘
扭转位置
下平台
上平台
A
C
B
A
硅气相外延的基本原理
二、外延薄膜的生长模型
近晶面外延生长示意图
晶面的构造可以用三个密切联系的特征表示：平台、扭转、台阶
在外延生长过程中，反应剂先被生长的表面吸附，反应后生产硅和一些副产物，副产物必须立即被排出，而生成的硅则按衬底晶向生长成薄膜。
吸附原子在A位置容易形成硅串或硅岛，产生严重的缺陷或形成多晶薄膜；
吸附原子在B位置（台阶边缘）比A位置稳定；
吸附原子在C位置（扭转位置）是最稳定的，不再发生迁移，生长成单晶外延层。
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外延
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硅气相外延的基本原理
二、外延薄膜的生长模型
，就可能生成多晶薄膜；
。
特定的淀积温度下，存在一个最大淀积率，超过最大淀积率，生成多晶薄膜；低于最大淀积率，生成单晶外延层。
特定的淀积速率下，温度越高，易生长单晶；温度越低，易生成多晶。
原因：
高生长速率的情况下，吸附原子没有足够的时间迁移到扭转点，因而会形成多晶。
当温度升高时，表面迁移率上升，由于硅原子迁移速率的加快，在与其他吸附原子形成硅串前已经到达扭转点，一旦到达扭转点，薄膜开始横向生长。
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外延
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Growth Rate (mm/min)
Poly
X-tal
1000K/T
硅气相外延的基本原理
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外延
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硅气相外延的基本原理
三、化学反应过程
SiCl4氢还原法的总反应式：
ＳiＣl４＋Ｈ２ Ｓi＋４ＨＣl
总反应包括下列中间反应：
ＳiＣl４＋Ｈ２ ＳiＨＣl３＋ＨＣl
ＳiＣl４＋Ｈ２ ＳiＣl２＋２ＨＣl
ＳiＨＣl３＋Ｈ２