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14.2.2 热动力学
2 、需要采用与 CVD 技术中类似的方法，通过将 VPE 过程 分成几个连续步骤 来建立描述VPE的更精确的模型。 分成几个连续步骤，来建立描述 的更精确的模型 ① 气相分解； ② 传输到硅片表面； 1）VPE步骤包括： ③ 吸附； ④ 扩散； ⑤ 分解； ⑥ 反应副产物的解吸附。
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14.2.1 气相外延的原理
硅片上外延生长硅
Si Cl Cl
H H H
Cl
副产物 化学反应 淀积的硅
Si
H
Cl
Si Si Si Si Si
外延层
Si Si
Si
Si Si
单晶硅衬底
Si
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14.2.1 气相外延的原理
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。
Mass Transfer Limited: v hg
Ng N Ng N
for k S hg for hg k S
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Surface Reaction Limited: v k S
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14.2.2 热动力学
1) Deal模型是一个半定量模型，它将外延生长过程过于 简单化处理：
其中，hg是质量传输系数，Ks是表面反应速率系数，Ng和Ns分别 是气流中和圆片表面的反应剂浓度。
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14.2.2 热动力学
外延薄膜生长速率可写为：
Growth Rate k S hg N g JS v N k S hg N
其中，N是硅原子密度（5×1023cm-3）除以反应剂分 子中的硅原子数。
微细加工与MEMS技术
第十四章
外延技术
微固学院 邓小川
xcdeng@ g@
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目
本章主要内容：

录
外延技术的基本原理 外延设备的特点与应用
本章知识要点：
掌握外延技术的类型和原理 掌握外延层掺杂及浓度分布 理解气相外延技术的数学模型
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电Page 5
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14.1
引
言
外延层和衬底相同，称为同质外延； 外 层和衬底相同 称为同质外 例如 Si-Si 例如： Si Si；SiC-SiC SiC SiC； 外延层和与衬底不一致称为异质外延； 外延层和与衬底不 致称为异质外延； 例如：Si-GaN；Sapphier-GaN。 外延可在重掺杂的衬底上生长轻掺杂的薄层， 这样可以提高耐压同时降低导通电阻。
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14.2.1 气相外延的原理
氢还原法：
利用氢气还原产生的硅在基片上进行外延生长。 氢气用来运载和稀释气体，且是反应中的还原剂。T = 1200 oC SiCl4 + 2 H2 -> Si（固体） + 4 HCl 外延过程中，还存在腐蚀硅的反应。 SiCl4 + Si（固体） -> 2SiCl2 上述两种反应的综合结果按照 SiCl4 的浓度可以是外延的生长 或衬底的腐蚀。 或衬底的腐蚀
引
言
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14.1
引
言
桶式外延炉
较好防止外延滑移错位， 外延层厚度和电阻率的均匀 性好； 设备结构复杂，不易维护。 设备结构复杂 不易维护
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14 2 气相外延生长的热动力学 14.2
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14.2.1 气相外延的原理
气相外延（Vapor Vapor-Phase Phase Epitaxy , VPE）是集成电路制造 工艺中最普遍使用的外延工艺，实际是一种高温 CVD 工艺。 普通气相外延的温度高达1200oC 左右。若温度太低，不但 影响生长速率 而且会使外延膜从单晶变成多晶 影响生长速率，而且会使外延膜从单晶变成多晶。 在高温下，杂质扩散很严重，难以获得极薄的或掺杂浓度 突变的外延膜。降低温度是气相外延的发展方向。现在某些外 延已经可以在 1000oC 以下的温度进行。利用快速热处理 CVD 单片系统已经实现 单片系统 实现 800oC 下极薄的高质量 下极薄的高质量硅外延膜的生长。 外延膜的 长
固相外延 (SPE)
在离子注入所形成的的无定形层的退火过程中形成再结晶层。
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14.1
引
言
金属有机物CVD（MOCVD）
指淀积金属以及氧化物的多晶或无定型膜。MOCVD是VPE的 一种，一般被用来淀积化合物半导体外延层。主要用于激光器、 发光二极管以及光电集成电路，也可以用来为未来的 IC 制造 淀积有机低K绝缘层。
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14.2.2 热动力学
1、Deal 模型：
与氧化模型类似，假设粒子穿过气体边界层的流量与薄 膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。 膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等 与热氧化生长稍有不同的是，没有了在 SiO2 中的扩散流。
J S kS N S Dg Jg N N S hg N g N S g
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14.2.1 气相外延的原理
气相外延生长过程： 1. 反应剂输运到衬底表面（质 量输 量输运）； ； 2. 在衬底表面发生化学反应释 放出硅原子； 放出硅原子 3. 沿着衬底晶向成核，长大成 为单晶层（表面反应）； 4 晶核不断长大并扩展，临近 4. 晶核不断长大并扩展 临近 晶核相连形成晶面。
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14.2.1 气相外延的原理
(1) 逐层生长（Layer Growth） 理想的外延生长模式
(2) 岛式生长（Island Growth）
超饱和度值越大， 吸附分子主要在台 面中心结团生长。
(3) ( ) 逐层+岛式生长（Layers y and Islands Growth）
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14.1
引
言
按工艺分类 按反应室分类 按材料异同分类 按外延温度分类 按反应压力分类 按电阻率高低和导电类型分类 按外延厚度和结构分类 按外延生长方法分类
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14.1
引
言
外延生长方法－ 外延生长方法 Epitaxy E it G Growth th Methods M th d 气相外延Vapor-Phase Vapor Phase Epitaxy (VPE) 液相外延Liquid Phase Epitaxy (LPE) 固相外延Solid Phase Epitaxy (SPE) 金属有机外延Metalorganic CVD (MOCVD) 分子束外延Molecular-Beam Epitaxy (MBE)）
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14.1
外延材料优点
引
言
提高材料的厚度均匀，电阻率一致性好； 降低隔离区面积，提高集成度； 外延与衬底之间的区域有吸除缺陷的作用， 能够提高外延层的少子寿命； 采用高阻薄外延层能够降低衬底寄生电容， 提高电路速度； 改善电路的功率特性和频率特性； 改善电路的功率特性和频率特性 降低闩锁效应。
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14.2.1 气相外延的原理
对外延片的质量要求：
电阻率 厚度 均匀性 位错和层错密度等 电阻率、厚度、均匀性、位错和层错密度等。
按照反应类型：
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。
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a. 外延与氧化不同，衬底表面和气相中存在多种化学反应过程 b. 存在大量的、影响外延生长（促进或阻碍）的过程
例如： 在Si－H－Cl系统（SiH2Cl2+H2）中， I ） SiCl2 、 SiCl4 、 SiH2 等含硅粒子在衬底表 面的形成过程会阻碍硅外延层的生长； II）Cl的存在会刻蚀吸附在衬底表面的硅原 子或衬底表面本身的硅原子 子或衬底表面本身的硅原子。
6
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14.1
引
言
例 1、兰宝石上外延硅（SOS） 主要问题是外延层上的缺陷较多 解决办法是将外延层长 主要问题是外延层上的缺陷较多。解决办法是将外延层长 得很厚，因为缺陷虽然会向上传播，但不会贯穿整个外延层。 SOS 技术现正受到 技术 受到 SIMOX 技术和键合 技术 键合 SOI 技术的挑战。 技术的挑战 例 2、硅上外延 GaAs GaAs 与 Si 有相同的晶格结构，但晶格常数则大 4 % 。也 可生长厚外延层以减少缺陷，或交替淀积多层异质薄膜（称为 应变层超晶格）来分散应力。 例 3、硅上外延 硅上外延 GeSi G Si 在硅上可外延出 GeSi 赝晶层，并已制作出各种 GeSi 异质 结电子器件和光电子器件。

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 用越来越广 反应温度低，无腐蚀性气体， 无腐蚀性气体 但是会因漏气产生外延缺陷。
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14.2.2 热动力学
与 CVD 工艺相同，气相外延过程为：反应气体从反应室 入口处向硅片附近输运 通过同质反应生成系列次生分子 次 入口处向硅片附近输运，通过同质反应生成系列次生分子，次 生分子扩散穿过滞流层到达硅片表面并被吸附，在硅片表面发 生异质反应生成单晶硅，气体副产物解吸附并被排出系统。
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14.1
卧式外延炉
引
言