按气体的物理特性分 气溶胶辅助CVD ：Aerosol assisted CVD (AACVD) 直 接 液 体 喷 射 CVD ： Direct liquid injection CVD
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
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硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
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第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
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5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
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重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
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CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性
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硅外延中的化学反应 硅VPE中主要利用三类化学反应
1. 氢还原反应
2. 歧化反应-自身 氧化还原反应
①SiCl4 + 2H2 →Si(s)+4HCl(g) ②SiHCl3 + H2→ Si+3HCl
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圆桶式
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感应加热圈
硅片
石墨基座 水平式反应室
圆盘式反应室
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圆桶式反应室
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5-3、硅的气相外延生长
5-3-1 硅外延生长用的原料 5-3-2 硅外延生长设备 5-3-3 硅外延生长基本工艺
5-3-4 基本原理和影响因素 5-3-5 硅外延生长动力学过程 5-3-6 边界层及其特性 5-3-7 硅外延生长动力学模型
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气体输运及控制系统
气密性检查 I. 通氢气法－－用氢敏检测仪，逐个接口进行检查
II. 抽空减压法－－系统抽空后，压力变化
III. 充气加压法－－系统充气后，压力变化
IV. 装入SiCl4，用蘸氨水脱脂棉进行检查（生成白色 烟雾）
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加热系统
温度的均匀性和波动影响外延层的质量
主要加热方式：电阻丝加热，高频感应加热和红外 辐射加热
硅外延生长中，目前应用最广泛的是高频感应加热。
它将高频电流通过功率输出线圈，使放置在反应室 内的石墨基座受到高频电磁感应，产生强大的涡流 并发热。
优点：升降温度快，温度容易调整，热量集中在石 墨基座上，反应壁温度低，避免硅沉积在反应室内 壁上。
缺点：不同形状的感应体需要专门设计的感应线圈
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反应系统
反应室是SiCl4在高温和氢气进行化学反应，还原 出硅原子，在衬底上进行单晶生长的场所。
反应室要求耐高温，抗腐蚀，不沾污硅外延片， 而且应当透明以便观察。
反应室一般用石英制作而成。
卧式反应室（水平反应室）
圆盘式 立式反应室（竖直反应室）
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同质、异质外延
外延层与衬底为同种材料：Si-Si, GaAs-GaAs 外延层和衬底为不同种材料：Si-Sapphire, GaAlAs-GaAs
失配位错
应变
外延层
同质外延
异质外延
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衬底
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直接外延
加热
电子轰击
外加电场
直接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法 使生长的材料原子获得足够能量，直接迁移沉积 在衬底表面上完成外延生长的方法。
5-3-4 基本原理和影响因素 5-3-5 硅外延生长动力学过程 5-3-6 边界层及其特性 5-3-7 硅外延生长动力学模型
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硅外延生长设备
硅片
流流
流 石墨基座
量量 减压阀 计 计
量 计
感应加热线圈
可调
氢气净化系统
氢 气 瓶
氢气 净化
器
二通阀 硅
四 HCl
外
氯 发生
(MPCVD) 等离子体增强CVD ：Plasma-Enhanced CVD (PECVD) 远程等离子体增强CVD ：Remote plasma-enhanced CVD
(RPECVD)
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原子层CVD ：Atomic Layer CVD (ALCVD) 火焰CVD ：Combustion Chemical Vapor Deposition (CCVD)
减少硅抛光片表面的微缺陷、表面粗糙、表面或靠近 表面处的SiOx沉积等；
可以避免硅氧化介质层的不完整，减少漏电流，避免 闩锁效应。
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外延生长的特点（优势）
1. 可在低（高）阻衬底上外延高（低）阻外延层 2. 可在P（N）型衬底上外延N（P）型外延层 3. 可在指定区域选择外延生长 4. 可根据需要改变掺杂的种类及浓度，突变或缓变 5. 可以生长异质、多层、多组分化合物且组分可变
的超薄层
6. 可在低于熔点温度下外延生长，速率可控，可实 现原子级尺寸厚度外延生长
7. 可生长无法拉制单晶的材料，如GaN，三四元系 化合物单晶层等
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外延层应满足的要求
1. 表面应平整、光亮，无表面缺陷 2. 晶体完整性好，位错和层错密度低 3. 外延层本底杂质浓度低，补偿少 4. 异质外延，外延层与衬底组分间应突变 5. 掺杂浓度控制严格，分布均匀，电阻率符合要求
外延生长的特点及要求
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外延的定义
在一定条件下，通过一定方法获得所需原子，并 使这些原子有规则地排列在衬底上； 在排列时控制有关工艺条件，使排列的结果形成 具有一定导电类型、一定电阻率、一定厚度的晶格 完美的新单晶层（0.5~20mm）的生成过程。 在一定条件下，在单晶衬底上生长一层合乎要求 的单晶层的方法。
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5-3 硅的气相外延生长
气相硅外延生长的定义：
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
气相外延生长的前提条件：
1. 在沉积温度下，反应物有足够高的蒸气压
2. 生成物中，除了一种所需要的沉积物为固态外， 其余必须是气态
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固相、液相、气相外延
固相外延： SPE（Solid-Phase Epitaxy） 应用于离子注入后的退火过程，使产生的非晶区在低温 退火过程中通过固相外延转化为晶体；
液相外延： LPE（Liquid-Phase Epitaxy） 衬底片的待生长面浸入外延生长的液体环境中生长外延层； 多使用水平生长的外延炉； 用于Ⅲ/Ⅴ族化合物外延层制备；
热丝CVD ：Hot Wire CVD (HWCVD) 金 属 有 机 CVD ： Metalorganic Chemical Vapor Deposition (MOCVD) 混 合 物 理 CVD ： Hybrid Physical-Chemical Vapor Deposition (HPCVD) 快速热CVD ：Rapid Thermal CVD (RTCVD) 气相外延 ：Vapor Phase Epitaxy (VPE)
③2SiI2 (g)→Si (s)+SiI4 (g)
3. 热分解反应
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④SiH4→Si+2H2
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衬底要求
硅衬底经过切、磨、抛等工艺仔细加工而成
外延生长前要求严格的清洗、烘干
反应室中进行原位化学腐蚀抛光， 除去表面上的 损伤、污染物及氧化物等。
SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4为硅源时：化学腐蚀剂用 干燥的HCl或HBr
3. 沉积物本身的蒸气压应足够低，以保证在整个沉 积反应过程中能使其保持在加热的衬底上
4. 衬底本身的蒸气压在沉积温度下也应Fra bibliotek够低，不 易挥发
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5-3、硅的气相外延生长
5-3-1 硅外延生长用的原料 5-3-2 硅外延生长设备 5-3-3 硅外延生长基本工艺
5-3-4 基本原理和影响因素 5-3-5 硅外延生长动力学过程 5-3-6 边界层及其特性 5-3-7 硅外延生长动力学模型
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硅外延生长基本工艺
（1）硅片清洗 （2）装入硅片 （3）通氢排气 （4）升 温 （5）高温处理 （6）气相抛光
Epitaxy epi: upon taxy: orderly, arranged
外延层 衬底
新生单晶层按衬底晶相延伸生长，称为外延层。