硅外延生长.doc

常州信息职业技术学院学生毕业设计（毕业论文）系 别： 电子信息工程系 专 业： 微电子技术 班 级： 微 052 学 生 姓 名： 胡培培 学 生 学 号： 0506033202 设计（论文）题目： 硅 外延生长 指 导 教 师： 余建 设 计 地 点： 常州信息职业技术学院 起 迄 日 期： 2007.7.12007.8.25 常州信息职业技术学院电子系 毕业设计论文毕业设计（论文）任务书专业 微电子技术 班级 微电052 姓名 胡培培 一、课题名称： 硅外延的生长 二、主要技术指标： （1） 电子空穴对浓度106/cm3; （2）载流子扩散的距离 50m; （3）CVD涂层厚度50500m; （4）大型反应器的功率 100KV 三、工作内容和要求： 集中讨论热 CVD, 或称气相外延, 这是一种在集成电路制造中最普遍采用的硅外延工艺,该工艺利用加热来提供化学过程进行所需的能量。以及具体论述了几种先进的硅气相外延方法 , 例如金属有机物气相外延, 快速热处理气相外延，另外还论述了硅外延生长的设备及缺陷等; 四、主要参考文献： 1微电子技术工程, 刘海艳,电子工业出版社,2004; 2硅微机械加工技术,黄安庆,北京：科学出版社,1996; 3集成电路工业全书,王阳元 ,电子工业出版社,1993; 学 生（签名） 2007年 6月25日 指 导 教师（签名） 2007年 6 月26日 教研室主任（签名） 2007年 6月 27日 系 主 任（签名） 2007年 6月 28日第 19 页 共 19 页毕业设计（论文）开题报告设计（论文题目）硅外延生长一、 选题的背景和意义：对于先进半导体制造，硅气相外延生长技术是一项比较成熟的工艺，而且随着外延工艺的发展、器件水平的提高 , 今后出现的各种新型器件无疑都将越来越依赖于外延材料的发展。由各种外延材料制备的现代微电子器件、光电子器件、高效率太阳电池，以及各种特殊功能器件和相应的电路组件在人造卫星、雷达、导弹、航天、航空、通信、邮电、机电、交通、民用电器等各种现代工业中无处不在。发展半导体外延材料进而促进了半导体工业的发展,其经济效益与社会效益是不可估量的。二、 课题研究的主要内容：本文集中讨论热 CVD, 或称气相外延, 这是一种在集成电路制造中最普遍采用的硅外延工艺,该工艺利用加热来提供化学过程进行所需的能量。以及具体论述了几种先进的硅气相外延方法 , 例如金属有机物气相外延, 快速热处理气相外延，另外还论述了硅外延生长的设备及缺陷等三、 主要研究（设计）方法论述：在老师的指导下并通过查资料，到网上搜索系统的学习了硅外延生长的技术指标，外延的工业流程以及硅外延生长的设备的研究。知道了硅外延生长在当今IC行业中的重要作用，硅外延生长过程中各种需要注意的事项以及各种技术指标四、设计（论文）进度安排：时 间工 作 内 容2007.6.202007.7.15课题研究方案设计，调研、收集资料2007.7.162007.7.19进一步总结整理材料，进行分析归纳，形成论文提纲2007.7.202007.7.31撰写论文2007.8.12007.8.18修改论文，正式完成并提交毕业设计论文五、指导教师意见： 指导教师签名： 2007年7月 1 日六、系部意见： 系主任签名： 2007 年 7月 2日 硅外延的生长摘要：本文主要论述了硅外延生长的作用、硅外延生长的方法及材料、硅外延的生长缺陷以及硅外延生长的设备。关键词：硅外延生长 方法 缺陷 设备 The silicon extends growthabstract: The equipment which which this article mainly elaborated which which the silicon extension to grow the function, the silicon extension grows the method and the material, the silicon extends the growth flaw as well as the silicon extension grows.Key word: Silicon extension growth method flaw equipment 0引言现己有多种技术用于硅单晶的淀积,其中一部分是各种不同的 CVD 技术 , 包括等离子增强 CVD (PECVD), 快速热处理 CVD (RTCVD), 金属有机物 CVD (MOCVD),高真空 CVD (UHVCVD), 以及激光 ,可见光 ,x 射线辅助 CVD 。非 CVD 方法包括分子外延,离子束外延,成簇离子束外延等。所有这些方法都可生长单晶层，然而只有极少数展现出了生长高质量材料的能力,可用于经济地生产高密度集成电路。本文首先集中讨论热 CVD, 或称气相外延 (VPE, Vapor-Phase Epitaxy), 这是一种在集成电路制造中最普遍采用的硅外延工艺,该工艺利用加热来提供化学过程进行所需的能量。以及一些先进的气相外延方法 , 包括金属有机物气相外延, 快速热处理气相外延。当前主流的硅工艺技术中 , 只是用外延生长较厚的膜 ( 1 1 0 m), 之后可以在这层膜中制造器件 , 但器件的基本区域并不是由外延形成的。而在另一方面 , 所有的化合物半导体则把先进的外延生长工艺当做其器件工艺的一部分。这些工艺能够在垂直方向上将尺寸控 制到原子量级 , 并且得到近于完美的半导体异质结界面 , 这些异质结层为晶体管设计提供了 新的自由度应用外延层的关键是 , 在外延生长的同时 , 应能够很好地控制膜的组分、掺杂、厚度 , 以及得到近于零的缺陷密度。1.气相外延在 IC 技术发展中的作用 1960 年，外延技术工艺问世并很快地应用于双极型集成电路，但是当时人们对外延工艺认识不足，并且有许多技术问题尚未解决，致使该工艺未能用于MOS集成电路，而一直采用硅单晶片作为 MOS 的衬底材料。直到 1978 年秋，得克萨斯仪器公司宣布：在64KB DRAM 中采用了外延层 ( 实际上已经应用了一年) ,这一事件引起了世界的广泛注意,随后贝尔实验室、西电公司、日本的一些公司等也相继采用了外延技术。随着微电子技术的迅速发展，电子器件的特征尺寸的逐步减小，又出现了一些新的问题：粒子的软误差效应、 CMOS电路的锁定等问题已经变得越来越严重。和硅单晶片相比，硅外延材料不仅很好地解决了硅单晶片的损伤层问题，可以得到一个趋于完美的表面，而且可以解决上述的硅单晶片无法解决的问题。具体来说，如果采用重掺杂衬底的高阻薄层的外延材料作为ULSI的衬底，会具有以下不可比拟的优越性。3.1.提高硅材料的完美性随着半导体技术的不断发展 , 作为集成电路的硅单晶材料逐渐被硅外延材料所代替，硅单晶片在制造半导体的工艺过程中，表面存在有机械损伤和自发吸附的一层有害物质。由于硅表面要经过机械抛光，使其内部不可避免地出现新的杂质和缺陷，给器件的电特性、成品率、可靠性带来极坏的影响。而硅外延材料是将硅单晶的损伤层与沽污层气相抛光后，再进 行的外延生长，并且硅在（111） 晶向上生长时，横向生长速率比纵向生长速率要高几个数量级，致使横向扩展很快，纵向生长慢，所以，外延层的厚度均匀性、电阻一致性等特性比较好，即外延的表面趋于理想完美。3.2. 提高了集成度无论是 MOS 集成电路还是双极型集成电路，在大工业化生产时都离不开隔离工艺，特别是双极型集成电路，由于存在隔离工艺，需要将外延层扩散，而横向扩散距离与纵向扩散距离几乎相等，如果采用较厚的外延层， 势必会使集成度降低，而采用高阻薄层外延层时（补偿、反型时间短），就可减少横向扩散距离，缩小隔离区所占面积，提高集成度。3.3. 提高少子寿命，降低存储单元漏电流采用硅外延材料作为ULSI的衬底，相应的比硅单晶材料完美性得到提高。但由于在集成电路的大工业化制备中，仍离不开高温过程，而有源区常导生出大量的微缺陷，这种新生的微缺陷在高温下扩散很快，应力场强，是快速扩散金属杂质的沉积地。一旦杂质与微缺陷相互作用后，极易导致掺杂剂的增强扩散，致使有源区“管道”密度大大增加，交叉漏电流增大， 发生低击穿，使噪声增大，功耗变大，成品率降低，从而严重影响器件性能。若采用 p/p+ 高阻薄外延硅材料，由于它本身具有自吸除作用，使上述问题得到了解决。重金属杂质和微缺陷在P型硅单晶中按砌的浓度大小而相应地分配，通常浓度高的地方分布多，浓度低的地方分布少。由于该外延材料的外延层很薄，而衬底又是重掺杂的，因此， 在高温过程中，微缺陷和重金属杂质很容易被吸除到重掺杂的衬底区，并且趋于稳定分布，富集在非电作用区。这样，即使有源区中还有一些缺陷，由于杂质已被吸除，缺陷的纯度大大提高，而纯净的缺陷对器件特性并无危害，从而使有源区完美性得到改善，复合中心减小，“管道”密度减小，降低了漏电流，同时也使载流子寿命得到提高，防止低击穿、软击穿，使器件参数得到保证。2.延生长的方法及材料晶衬底上生长一薄层单晶工艺 , 称为外延。该词按字母是由两个希腊字母拼写而成的,其意思为在一个晶体衬底上生成结晶薄层的方法。新生单晶层是按衬底晶向生长的,并可根据需要控制其导电类 型、电阻率和厚度等,且这些参数不依赖于衬底片中的杂质种类和掺杂水平。半导体外延材料是一类极重要的信息功能材料,它是开发制造一系列微电子器件、光电子器件、能量转换器件以及某些特殊功能器件的关键技术基础。外延材料是制造各种半导体器件所必需的结构材料,20世纪90 年代材料科学的进展表明,用外延生长工艺在半导体上获得新结构可为新材料的发展提供很大的可能性。半导体外延材料在衬底选择方面有同质外延和异质外延。同质外延又分为真同质外廷和掺杂改性的准同质外延,异质外延又可分为外延层与衬底有某种化学共性的准异质外延及两种材料性质全部不同的真异质外延。按结构来分,还有平面外延和非平面外延材料、选择外延和非选择外延。在外延厚度方面可分为体外延、薄膜外延、超薄外延、分子层外延。气相外延是将含有所需元素的化合物以气相的形式通入反应室,在加热的衬底表面反应生长外延层的一种方法,常用来生长 Si 外延材料、 GaAs 外延材料等。液相外延是将饱和了所需元素的液相溶液与晶体衬底直接接触,在熔点下析出固体而生长外延层的方法,目前主要用于生长光电器件所需的化合物外延材料。金属有机化合物化学气相沉淀是用液态的金属 （、 族）有机化合物和气态的氢化物 （、族 ） 作为原材料,以热分解反应方式在衬底上进行外延的一种方法,它可以生长 族、 族化合物及它们的多元固溶体的超薄层单晶。分子束延是在超高真空 ( 13310-10pa) 条件下,由一种或几种热原子束或分子束在加热的晶体可底表面发生反应生长外延层的工艺 , 它广泛用于生长超薄层异质结外延材料,特别是微电子器件所需的各种异质结外延材料。随着外延工艺的发展、器件水平的提高 , 今后出现的各种新型器件无疑都将越来越依赖于外延材料的发展。由各种外延材料制备的现代微电子器件、光电子器件、高效率太阳电池，以及各种特殊功能器件和相应的电路组件在人造卫星、雷达、导弹、航天、航空、通信、邮电、机电、交通、民用电器等各种现代工业中无处不在。发展半导体外延材料进而促进了半 导体工业的发展,其经济效益与社会效益是不可估量的。3.清洗和自然氧化物去除生长前衬底必须清洗 , 也就是自然氧化物 , 残留杂质和颗粒必须去除。对许多工艺这是一种普遍的要求。理想的目标是通过该步骤产生完美的硅片表面 , 无任何杂质和原子错位。即使所有杂质都己去除 , 这种理想、目标也不可能达到 , 因为圆片表面本身有不饱和的键,原子会在表面移动并重新结构以减少这些不饱和键,进一步地,在实际半导体制造中,圆片在从清洗台到进入生长腔期间,要暴露于空气中,这样圆片表面将氧化,并从空气中吸附碳杂质。通常只有在超高真空设备中才可得到这样纯净的表面。圆片表面可能的杂质类型有,光刻胶残留物中的有机物,刻蚀产生的聚合物 , 注入和刻蚀的等离子腔里产生的金属颗粒,以及薄氧化层。去除所有这些杂质需要一系列操作,每一步操作以在去离子水中的清洗结束。水的纯度以电阻率和总有机物含量 (TOC) 米衡量,通常电阻率为1418Mcm，TOC含量为百万分之几。一种最常用的湿法化学清洗是 RCA清洗,通常在只有裸硅和硅上有薄氧化层时使用, 这是一项标准工艺,当混合溶液配比合适,温度适当时,RCA 清洗不会严重损伤硅表面。最简单的RCA 清洗包括一系列的溶液中的浸泡,为了保证新鲜化学溶液的供应,溶液被抽到一种喷洗系统中,这种清洗系统使用较少的化学溶液,并能得到可再生的清洗环境。有机残留物通常在氧化/ 缓冲溶液中去除,典型的溶液是氨水,双氧水和水按 5:1:1 的积比混合。近来也发现降低氨水浓度有利于减轻沾污和表面粗糙度。清洗槽的温度通常维持在 7080 ,以加强化学反应能力。这种溶液也会溶解掉元素周期表中的B和B族元素，以及其他金属如 : 金，银，锌，钴和铬，因为反应物会损耗,溶液必须在使用前配备。其他的酸类,包括盐酸、硝酸和醋酸的稀释液,在去除一些金属杂质方面也非常有效。因为双氧水是一种强氧化剂,在清洗时硅表面会被氧化,为了去除这个氧化层, 圆片会在稀释或缓冲的 HF 溶液中漂洗 , 用HF去除氧化物的时间取决于溶液的强度,通常短于10秒钟,是否完全去除表面氧化物可用脱水性来检查: 在裸硅表面水会很快流掉,而如果硅表面有氧化物,水流走得较慢,硅表面会在几分钟内保持含水状态。对于有图形的圆片,如果裸硅的面积足够大, 并有通往圆片边缘的通道 ( 通常是芯片之间的划片槽 ), 也会很快脱水。最后,重碱离子和阳离子在含卤素溶液中去除,通常是将水、盐酸、双氧水的 6:1:1的混合液加热到 7580 ,浸泡时间为 1015 分钟,并进行去离子水的漂洗,以使用压缩氮气及甩干的干燥步骤完成整个过程。在设计 RCA 清洗时重要一点是将氨水和氯化氢溶液很好的隔离开,这些溶液的蒸气会反应形成氯化氨，给清洗槽造成颗粒污染。湿法化学清洗通常在硅表面留下一层薄的不含金属离子和有机物杂质的氧化层,为了得到好的外延生长,此氧化层必须去除,通常 VPE 工艺的第一步,是用来去除自然氧化层的加热的预清洗,这可在 H2、H2 /HCl 混合气氛或真空中进行。1% 的 H2/HCl 混合气氛同样也会腐蚀硅,如果接下来的外延生长,采用不含氯的硅烷或乙硅烷,则此种腐蚀较为适宜。大多数的 VPE 系统,没有直接的测量来表明预清洗是否己很好完成,因此对于生长系统而言,当能够得到很好的薄膜时,应简单地固定和标准化此时的工艺。在高温氧化气氛中进行的预烘烤,气氛的分压必须处于特定的范围内,在此范围,自然氧化层是热动力学不稳定的。对于氧化层,在热动力学稳定的区域之间存在着明显的界限。在高温和低氧氛分压时,硅表面的自然氧化层形成挥发性的亚氧化物,例如 SiO, 从而被除去。人们相信这种过程是不均匀地进行的,首先是出现针孔,针孔处的硅挥发出来并与氧反应, 因而会引起表面的不平整,表面易出现不平整表明,在预烘烤前应当减少自然氧化层的厚度。在有水汽时,存在着一个中间的,Si 和 SiO2 可共存于圆片表面的区域,如果圆片保持在这个区域,表面会严重不平整。为得到更低的预烘温度 , 腔体必须抽成高真空。氢气可用来去除其他残留气体。氢气通常通过钮扩散来提纯，应用这种方法时，氢气被送到一个罐中，罐中有一个加热到400的钮管，钮管一端封闭，由于氢在钮中的高扩散性，氢气扩散进钮管并从那里进入生长系统。不能透过钮管壁的其他气体杂质由氢气流携带排出，这种钮扩散可使残留水汽及氧的分压降到 1ppb 。对于其他气体，必须使用化学活性的树脂处理，处理单元，一般与颗粒过滤相结合，包含可氧化的元素，可去除气流中的氧。人们有相当大的兴趣来改善硅预清洗工艺，进行的研究包含了改进湿法化学清洗的各工艺变量和改进原位工艺条件两者。改进的途径有：减少产生的化学废液，减少颗粒沾污，减少预烘的温度和时间从而减少半导体中掺杂杂质的再扩散。在采用适中温度时，硅表面可通过氩气或氢气的溅射来完成原位清洗，为此目的设计的预清洗腔可以与装片锁做成一体，或设置在装片锁和腔体之间。另一种方法是用 Ar+ 束流来撞击硅表面要生长膜的位置，这种工艺在室温和低功率密度 ( 1mA/cm2) 下进行。需要注意的问题是会留下的溅射损伤，这种损伤很难通过热退火去除，但可由很低能量的离子（例高密度等离子体）来降低。无论如何，溅射损伤和金属沾污不可能完全去除。另一种近几年引起广泛注意的方法是应用氢氟酸浸泡来形成硅表面的保护。在标准 RCA 清洗后，最后的氧化层由 HF 来去除，人们认为这种工艺在（100）硅表面留下 SiH 层，从而防止表面在空气中氧化。由于 Si 和 F 原子间有较大的电负性差别，Si-P 键有较高的极性，当氟原子到达表面时，这种极性反过来引起连带的 Si-Si 键极化，Si-Si 键的极化使得它受到HF攻击，释放出 SiFx，且表面的 Si-Si 键将被稳定的 Si-H 键取代。在HF浸泡前用紫外光照射，有助于硅表面残留碳的减少。如果水中溶解的氧含量低，并且圆片是轻掺杂的，则短时间的去离子水漂洗也是可行的，这一点是很要紧的 , 在HF腐蚀后，几分钟的漂洗将足以去除残留在表面的大部分的F。一旦硅表面形成氢键，它可被送到腔体去立即生长薄膜而不需要进行高温的预处理。氢化物可在 500 时释出。氢键保护技术对于低温工艺 , 例如 MBE, 非常适宜；对于标准的热VPE 工艺，升温到淀积温度的过程中氢的解吸附作用，使得氢键保护不具吸引力；生长薄膜氧化层前使用该方法进行预清洗也不合适，因为硅表面稍有不平整就会造成MOS电容的击穿特性下降。4.金属有机物化学气相淀积（MOCVD）金属有机物化学气相淀积 (MOCVD 或 OMVPE) 开始于 20 世纪 60 年代后期 Manasevit 的研究。 MOCVD 有时被认为是MBE的竞争者。它们都能够生长高质量的-器件膜 , 具有原子层或近于原子层的突变界面。该工艺通常不用来进行硅的外延生长，因为己有适用的无机源。通常开发 MOCVD 工艺时 , 使用 族元素有机化合物和 族元素氢化物。从历史上看，MOCVD 的出现，是因为其他领域早已使用了有机分子 , 从而这些材料，尽管在纯度上还达不到现在的要求，对于 MOCVD 来说是却现成的。图4.1是一些相关的反应物的例子，虽然有很多有机化合物都得到了应用，这里只集中讨论甲基 (methyl) 和乙炕基 (ethyl)化合物,它们是最常用的源,分别以字母缩写 M 和 E 标示。例如,TMG (TriMethy1Ga1lium, Ga(CH3) 3, 三甲基镓) 就是一种最常见的镓源。图 4.1 一些用于 MOCVD 的金属有机物的例子 , 从上到下：TMG, TBA, TEG我们从金属原子价电子分布来理解金属有机物的键的结构 。镓有二个价电子 , 在基态镓有两个 S 电子和一个 p 电子，在TMG中，每个甲基的碳原子和镓共价成键，构成 SP2 杂化键 , 三个甲基在一个平面内，Ga-C 键彼此间成 120角，这样留下一个与甲基平面垂直的空的 p 轨道 , 这个未充满的轨道容易吸收电子。族元素氢化物的价带有两个 S 电子和三个 p 电子。砷烷中的三个 As-H 共价键键角为 109.5, 一对未成键的电子位于分子的顶端 ,并远离氢原子，其中一个电子易失去或贡献出来。分子易失去或俘获电子的能力在生长过程的化学反应中起到重要的作用。砷烷(AsH3)是一种典型的族元素氢化物源 , 不幸的是这些氢化物剧毒 , 砷烷会导致血红细胞损坏，肾衰竭，最终死亡。因为这些化学物质是用于膜的生长而非用于掺杂，它们存储时的量较大。能导致死亡和生命危险的砷烷浓度是 6ppm （百万分之六 ），1500 lbf/in2的一罐砷烷会将10的九次方升的空气，大致相当于一个方形的街区，污染到致命的浓度。当然在事故发生的情况下，远离泄漏比较安全。正确处理这些剧毒物质须按一定的规程，成本也较高，导致人们去研究其替代物，典型的是族元素的金属有机物。可能的族源必须有相当高的蒸气压，它们彼此间或与族反应物间不应存在其他寄生的反应途径，它们必须是稳定的和超洁净的， 反应中它们不应给外延膜带来杂质。人们发现用 C 键来代替 H 键可减轻 毒性，但这样在外延膜中增加了非故意掺杂的量。一种最有前途的金属有机物砷源是TBA(TertiaryButyIArsine, 叔丁基砷烷)，它的毒性接近AsH3,因为以液态而不是高压气态存储 , 一般认为比砷烷更安全。MOCVD 系统必须能控制膜的生长和膜的质量，能够生长出薄的，具有原子层级成分突变的，极佳的外延层。生长系统可分为三个部分：气体输送、反应腔和气体排放。气体输送系统是最容易识别的，反应腔应能提供充分混合的，精确控制流量的多种气体。对于GaAs的生长，气体通常是H2, TMG 或 TEG (TriEthylGallium, 三乙基镓)。 AsH3 和一种掺杂剂， 通常 P 型掺杂用 DMZ (DiMethylZinc，二甲基锌)，N 型掺杂用 SiH4。金属有机物源一般有一个浸没在水和丙三醇热浴中的发泡器。热浴的温度是受控的，给热浴中液体加热恒温，并使氢气起泡通过热浴，以此产生金属有机物蒸气，发泡器的温度必须仔细控制，因为蒸气压是相对于热浴温度按指数关系变化的。热浴控温与后级的压力表一起使用来建立送往反应腔的气体中有机金属的摩尔组分比。气体输送系统的细节取决于所使用的特定的金属有机物。一些有机金属化合物如 TEAL ( TriEthylAluminum, 三乙基铝 )，要求大量加热来得到淀积所需的蒸气压。这些化合物蒸住 在到达反应腔前会在管道中重新凝固，除非管道和阀门也加热到等于或高于起泡器的温度，否则将导致淀积条件的控制非常差。某些化合物，例如 DMZ，它在碑化镓 MOCVD 中常用来做 P 型掺杂，它在室温时有很高的蒸气压，事实上需冷却未得到合适的蒸气压。DMZ在稍微超过室温时就会热分解，为了防止它在供应管道中，尤其在靠近反应腔部分发生反应，它们都需要进行冷却。其他化合物如TEIn，可用于 InGaAs 和 InP 生长，性质不稳定，在储液罐中会分解。5.生长缺陷外延生长会引起缺陷。如果这些缺陷位于圆片表面制作晶体管器件的有源区域，将导致器件失效。这些失效是由与缺陷相关的电子态，产生了额外漏电而直接导致的。失效也可以是间接造成的，在工艺过程中缺陷捕获圆片中的其他杂质，能够产生缺陷电子态，这些缺陷还将引起工艺中额外的杂质扩散，改变晶体管的特性。缺陷的数目和密度受生长过程中的各种条件影响，如衬底温度，反应腔气压，反应生长物及圆片表面清洗过程。最常见的外延硅生长缺陷是堆垛层错。堆垛层错是晶体中多余或缺少的原子层面，硅中层错一般发生在 方向上。尖峰 ( Spike) 是外延层表面的突起，显示出很少或不与晶格方向对齐的特点。尖峰可能与三维生长的初期有关。层错和尖峰通常是由衬底最初的表面缺陷所引起，这些原始缺陷包括氧，金属杂质，圆片中的氧诱生堆垛层错，及杂质微粒在圆片表面的淀积。在硅 VPE 生长过程中，随着清洗工艺的不断改进，堆垛层错密度己得到了在很大程度上降低。位错好比是二维的堆垛层错。位错在圆片表面不是很明显，但它仍是一个影响成品率的重要因素。位错可以简单地从衬底位错扩展，受热不均和过快的生长速度所引起的形变也会引起外延生长时产生位错。位错这样的细微缺陷经常通过选择性刻蚀来进行测量，这些方法是破坏性的，并使用在缺陷处蚀刻得更快的染色剂。外延生长的一般目的是为了降低寄生电阻，通常是在高掺杂衬底或局部埋层上外延一层低掺杂外延层。晶体管将制作在这层外延层上，高掺杂区域实际上是晶体管底部的嵌埋接触。对双极晶体管，必须能够将上部器件与下边的埋层对准，为此要在外延生长前在衬底上刻出对准标记。外延生长后图形对准中心将会发生移动 ( 见图4.1), 这是因为生长速度与暴露 出的图形晶向有关，(100) 圆片上的图形漂移要比 (111)圆片小得多。通常在高温下的外延生长，SiH2Cl2, SiHCl3 中含 Cl量越低则图形漂移越小。 刻蚀后 生长后图4.1 图形漂移原理示意，在圆片上刻出对准标记，但是不均匀的生长率导致生长后对准标记漂移相对较厚一点的外延层，测量薄膜厚度的常用方法是傅里叶变换红外光谱法，通过分束器将红外光送到圆片表面及移动镜面上，两个表面反射回的红外光叠加后传送到探测器中。对镜面红外线的光程进行扫描，测作为镜面位置的函数的反射光束强度，个峰之间距离与外延层厚度成正比。另一种广泛用于外延层厚度测量的方法是电学方法。所有此类方法都依赖于测量衬底和外延层掺杂程度的不同。最快速的测量方法是四探针测量法。但是这些方法的测 量精度均受到自掺杂的限制。6.气相外延设备所谓的硅气相外延就是利用硅的气态化合物，例如四氯化硅 、三氯氢硅、二氯二氢硅、或硅烷，在加热的硅衬底表面与氢反应或自身发生热分解，还原成硅，并以单晶的形式沉积在硅衬底表面的过程。最早的工业外延设备是由使用者自己制造的，这种设备一般只能外延小晶片，并且往往需用于工操作。在20世纪 70 年代初期已经有能外延较大晶片并能实行自动工艺过程的商用设备出售。当前典型的反应器重 2000kg，并且只占地2平方米多。在反应器操作中必须注意儿点安全事项，反应器本身己设计成完全内封闭的结构，因而能防止事故的发生。但是使用者必须妥善地去除和处理反应副产物，并且合理安排用于反应器工艺的气体的供应。实际上必须注意几种不同性质的明显事故：氢气着火和爆炸潜力；HCl的腐蚀件和掺杂气体的剧毒性。后一条尤其危险,例如砷化三氢，如果吸入 0.025% 的剂量马上会有致命的危险，较低剂量泄漏 (0.0035%) 对健康的危害视泄漏时间的长短而异。图 5.1 所示为一个完整的设备图。为了保护环境，一般要求装一个水雾烟气净化器以去除在气流中大部分未反应物质及反应副产物。外延反应器中的基座与晶体生长过程中的坩埚相似，它们为晶片提供机械支托，在感应加热反应器中它们还是反应热能的来源。基座的几何形状或结构常常作为反应器的命名。与坩埚相似，基座需要有一定强度，并在生长过程中不受沾污。此时，基座不应与工艺中的反应物和反应副产物发生反应。感应加热反应器需要一种能与射频场耦合的材料。目前最佳的材料是石墨，虽然在感应加热反应器中，也可采用多晶硅或石英基座，但多晶硅基座与HCl发生反应，使得基座逐渐被侵蚀。使用 CVD 氮化硅涂层可防止这种侵蚀。石墨基座也需要涂层，因为它们纯度不高而且较软。在施加涂层之前先要做一个一定尺寸的碳坯。经常使用的涂层是用 CVD 方法得到的碳化硅 , 厚度为50500m, 其工艺方法类似于硅 CVD 工艺。其他可用的涂层包括玻璃状碳和热解的石墨，后者是通过高温下甲炕裂解在碳坯上形成的一层致密碳层。涂层中出现真空和裂纹是基座的老问题，这是由于重复热循环所产生的应力和装硅片时镀子上留下的金属与基座反应所引起的。这些瑕疵会使碳中的杂质逸出而沾染外延层，并造成缺陷。另外一个问题是生长速率和掺杂的波动，它是由于石墨和涂层的可变特性引起的温度不均而造成的。反应管或钟罩用高纯度石英制成，它可以是透明的或不透明的，这取决于反应器。大多数反应器中，反应管在操作过程中温度是比较低的，即“ 冷壁”操作，强制的空气冷却带走了多余的热量，感应线圈和其他金属部分采用水冷却。与此相比，多晶硅 CVD 的一 般工艺采用“热壁”操作，这样会在反应管本身产生一层硅涂层。反应所需能量是由感应加热基座来提供的 , 能量通过传导和辐射传递给硅片。因为硅在室温下不可能被 50MHz 以下的频率感应来加热。在后一种情况下，大型反应器可用极板输入，功率可达 100kW 。水冷线圈安装在接近基座的地方，有利于发生祸合。根据反应器的设计，线圈可装在反应室的内部或外部。辐射加热是对反应室供热的新方法，比感应加热更为均匀，其能量由一组石英卤素灯提供。大多数情况下，工艺控制包括便气体流量和温度保持在所需数值。现代设备中，工艺过程一般是用微处理器控制的，操作者仅仅需要加入和取出硅片而己。在工艺过程中由传感器监控温度，并用微处理器进行必要调整。射频加热反应时的温度采用光学高温计（聚焦在反应器内的硅片上） 读出。由于温度是透过石英反应管进行检测的，高温计实际检测到的光学当量温度通常比硅的实际发射温度低 50100。在对温度关系曲线进行研究和比较时应考虑这个温度差异。辐射加热反应器采用反应室内安装的传感元件。气体流量可以使用转子流量计或质量流动控制器，前者的气体流量通过标定玻璃管中不锈钢或蓝宝石球浮标的位置来确定。标度是气体粘度、压力、温度及分子量的函数。质量流量控制器是一种很好的流量计量装置，它测量流动物质的热容量并与设定值比较，再由螺线管或热膨胀管进行控制。开关控制由空气操作阀完成。如果氢气泄漏，这些阀门可消除任何由于火花引起的爆炸危险。7.结束语随着外延工艺的发展、器件水平的提高 , 今后出现的各种新型器件无疑都将越来越依赖于外延材料的发展。由各种外延材料制备的现代微电子器件、光电子器件、高效率太阳电池，以及各种特殊功能器件和相应的电路组件在人造卫星、雷达、导弹、航天、航空、通信、邮电、机电、交通、民用电器等各种现代工业中无处不在。发展半导体外延材料进而促进了半 导体工业的发展,其经济效益与社会效益是不可估量的。另外随着微电子技术的迅速发展，电子器件的特征尺寸的逐步减小，又出现了一些新的问题：粒子的软误差