5.4 硅外延Байду номын сангаас电阻率的控制
• 尽管外延层中的杂质来源于各方面，但决定外 延层电阻率的主要因素还是人为控制的掺杂剂 的多少；即N气起主导作用(不掺杂的高阻外延 层，如生长很薄，主要由自掺杂决定，如生长 很厚应由SiCl4源的纯度决定。) • 其他杂质分量因变化多端，它们会干扰外延 层电阻率的精确控制，所以在外延时应采取各 种办法来抑制它们，或减少其影响。
• 外延层中总的载流子浓度N总可表示为 N总=N衬底±N气±N邻片±N扩散±N基座±N系统
• N衬底为由衬底中挥发出来的杂质在外延生长时掺入外延层中的 杂质浓度分量。 • N气为外延层中来自混合气体的杂质浓度分量。 • N邻片为外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量。 • N扩散为衬底中杂质经过固相扩散进入外延层中的杂质浓度分量。 • N基座为来自基座的杂质浓度分量。 • N系统为来自除上述因素以外整个生长系统引入的杂质浓度分量。 • 式中的正负号由杂质类型决定，与衬底中杂质同类型者取正号， 与衬底中杂质反型者取负号。
2.外延生长的掺杂

外延用PCl3,ASCl3,SbCl3，AsH3做N型掺杂剂， 用BCl3,BBr3，B2H6做P型掺杂剂
5-4-2 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
• 两个模型: 气-固表面复相化学反应模型, 气相均质反应模型
5.4 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。为 精确控制器件的电阻率，需要精确控制外延层 中的杂质浓度和分布。 • 5-4-l 外延层中的杂质及掺杂 • 1．外延层中的杂质 •
外延层中杂质的来源
• 外延层中杂质的来源是： • （1）主掺杂质：用于控制外延层的电阻率。常用磷烷、砷烷和 乙硼烷作为主掺杂质源。它与硅源一道随主气流进入外延反应 室，在外延生长过程中进入外延层。 • （2）固态外扩散杂质：（a）衬底中掺入的杂质在外延过程中， 通过固态外扩散进入外延层；（b）对于同型外延，衬底中反型 杂质通过固态扩散进入外延层形成外延夹层。 • （3）气相自掺杂：重掺衬底或重掺埋层中的杂质经蒸发后进入 气流中在后又掺入外延层中。 • （4）系统自掺杂：吸附在外延反应室内壁和外延基座表面的杂 质，解吸后进入气流形成新的掺杂源。 • （5）金属杂质：衬底硅片、外延基座和外延系统中沾污的金属 杂质在外延过程中进入外延层。
• 解决办法： • 在电阻率极低的衬底上生长一层高电阻率 外延层，器件制做在外延层上，这样高电阻率 的外延层保证管子有高的击穿电压，而低电阻 率的衬底又降低了基片的电阻，降低了饱和压 降，从而解决了二者的矛盾。
5-3 硅的气相外延生长
• 气相硅外延生长是在高温下使挥发性强的硅源 与氢气发生反应或热解，生成的硅原子淀积在 硅衬底上长成外延层。 • 通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3 和SiCL4。
随着浓度增加,生长速率先增大后减小.
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.
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>
5-3-5 硅外延生长动力学过程
N1 x
1 x N SUb exp 2 2 Dt
衬底扩散造成的杂质分布
N 2 x
1 x N f exp 2 2 Dt
外部掺入的杂质浓度分布
注意：外延层的实际界面
外延层中杂质分布是两 者的总和
5-4-3 外延层生长中的自掺杂
5.2.4 硅外延生长的基本原理和影响因素
• • • • •
采用不同的硅源其外延生长原理大致相同， 以研究得较充分的siCl4为源的水平系统外延生 长为例，生长时要考虑下列影响因素。 1．SiCl4浓度对生长速率的影响 2．温度对生长速率的影响 3．气流速度对生长速率的影响 4．衬底晶向的影响
1. SiCl4浓度对生长速率的影响
• 从晶体管原理来看，要获得高频大功率，必须做到集 电极击穿电压要高，串联电阻要小，即饱和压降要小。 前者要求集电极区材料电阻率要高，而后者要求集电 区材料电阻率要低，两者互相矛盾。 • • 如果采用将集电区材料厚度减薄的方法来减少串联 电阻，会使硅片太薄易碎，无法加工。 若降低材料的电阻率，则又与第一个要求矛盾，外延 技术则成功地解决了这一困难。
• N气、N基座、N系统由于杂质不是来源于衬底 片故被称为外掺杂。N系统主要与系统的清洁度 有关，N基座主要与基座的纯度有关，而N气主 要由掺杂决定，如果清洁处理良好，并采用高纯 的基座，则外掺杂主要由人为的掺杂条件来决定。 • N 扩散、 N 衬底、 N 邻片的杂质来源于衬底片， 所以又通称为自掺杂。
第5章
硅外延生长
• 外延生长就是在一定条件下，在经过切、 磨、抛等仔细加工的单晶衬底上，生长一 层合乎要求的单晶层的方法。 • 由于所生长的单晶层是衬底晶格的延 伸，所以所生长的材料层叫做外延层。
外延的分类
• 1、按外延层的性质分类 • 同质外延：外延层与衬底是同种材料，例如在硅上外 延生长硅，在GaAs上外延生长GaAs均属于同质外延。 • 异质外延：衬底材料和外延层是不同种材料，例如在 蓝宝石上外延生长硅，在GaAs上外延生长GaAlAs等 属于异质外延。
• 2、按器件位置分类 • 正外延：器件制作在外延层上 • 反外延：器件制作在衬底上，外延层只起支撑作用
• 3、按外延生长方法分类 • 直接外延 • 间接外延 • 4、按向衬底输运外延材料的原子的方法不同 又分为真空外延、气相外延、液相外延等。 • 5、按相变过程，外延又可分为气相外延、液 相外延、固相外延。 • 对于硅外延，应用最广泛的是气相外延。