第十三章 晶体生长和外延.ppt

1、晶体生长和外延,现代半导体器件物理与工艺,Physics and Technology of Modern Semiconductor Devices,2004,7,30,晶体生长与外延,对分立器件而言，最重要的半导体是硅和砷化镓。本小节主要讨论这两种 半导体单晶最常用的技术。 一种是单晶生长，获得高质量的衬底材料；另外一种时“外延生长”，即在 单晶衬底上生长另一层单晶半导体（同质或异质材料）。,CZ法生长单晶硅起始材料,高纯度的硅砂与不同形式的炭（煤、焦炭、木片）放入炉中，产生反应,此步骤获得冶金级硅，纯度98%，然后与HCl反应,SiHCl3沸点32度，分馏提纯，得到电子级硅,Cz直拉法,

2、掺杂物质的分布,由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的掺杂浓度通常和在界面出的融体（液体）中的是不同的，此两种状态下的掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数,Cs和Cl分别是在固态和液体界面附近的平衡掺杂浓度。,(1),融体的初始重量为M0，初始掺杂浓度为C0（每克的融体中掺杂的重量）。 生长过程中，当已生长晶体的重量为M时，留在融体中的掺杂数量（重量）为S。当晶体增加dM的重量，融体相对应减少的掺杂（dS）为,Cs为晶体中的掺杂浓度（重量表示）。,此时液体中剩下的重量为M0M，液体中的掺杂浓度Cl,(2),(3),结合（2）、（3），将（1）代入可得,若初始掺杂重量为C0M0，积分（4

3、）可得,(4),(5),解出（5）式，且结合（3）式可得,(6),有效分凝系数,当晶体生长时，掺杂剂会持续不断地被排斥而留在融体中(K01)。如果排 斥率比参杂的扩散或搅动而产生的传送率高时，在界面的地方会有浓度梯 度产生，如图所示。,其分凝系数为,定义一有效分凝系数,考虑一小段宽度为几乎粘滞的融体层，层内只有因拉出需要补充融体 而产生的流动。层外参杂浓度为常数Cl，层内参杂浓度可用第3章的连续 性方程式来表示。在稳态式，右边第二项、第三项是有意义的(C代替np， v代替nE),解为,第一个边界条件是在x0时，CCl(0)；第二个边界条件式所有掺杂总数 守恒，即流经界面的掺杂流量和必须等于零。

4、考虑掺杂原子在融体中的扩 散（忽略在固体中的扩散），可以得到,将边界条件代入,且在x 时CCl，可以得到,因此,在晶体内的均匀掺杂分布（ke1），可由高的拉晶速率和低的旋转速率 获得。另外一种获得均匀分布的方法是持续不断的加入高纯度的多晶硅 于融体中，使初始的掺杂浓度维持不变。,悬浮区熔法,悬浮区熔法（float-zone）可以生长比一般Cz法生长单晶所含有的更低 杂质浓度的硅。生长的晶体主要用于高电阻率材料的器件，如高功率、 高压等器件。,杂质浓度为C0，L是熔融带沿着x方向的长度，A是晶棒的截面积，d是 硅的密度，S式熔融带中所存在的掺杂剂总量。当此带移动距离dx，前进 端增加的掺杂数量为

5、C0dAdx，然而从再结晶出所移除的掺杂剂数量为 ke(Sdx/L)，因此有：,而且,S0C0 d AL是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。,从积分式可得,或,因为 ，因此,如果需要的是掺杂而非提纯时，掺杂剂引入第一个熔区中S0ClAdL， 且初始浓度C0小到几乎可以忽略，由前面的积分式可得,因为 ，从上式可得,因此，如果Kex/L很小，则除了在最后凝固的尾端外，Cs在整个距离中几乎 维持定值。,对某些开关器件而言，如高压可控硅。必须用到大面积芯片，对均与度 要求较高。采用中子辐照工艺。,此过程中部分硅嬗变成为磷而得到n型掺杂的硅,砷化镓晶体的生长技术起始材料,砷化镓的起始材料是以物理特性和化学

6、特性均很纯的砷和镓元素和合成 的多晶砷化镓。因为砷化镓是由两种材料所组成，所以它的性质和硅这 种单元素材料有极大的不同。可以用“相图”来描述。,不像硅可以在熔点时有相对 较低的蒸汽压（1412时约 为10-1Pa ），砷在砷化镓的 熔点（1240）时有高出许 多的蒸汽压。在气相中砷以 两种主要形式存在：As2及 As4。,砷化镓生长工艺,合成砷化镓通常在真空密闭的石英管系统中进行，此管有2个温度区。高 纯度的砷放置在石墨舟中加热到601-620 ；而高纯度的镓放置在另一个 石墨舟中，加热到稍高于砷化镓熔点（1240-1260 ）的温度。此情形下 ，会形成过多的砷蒸汽压，一来会使砷蒸汽压输送到镓

7、的熔融态进而转变 成砷化镓。二来可以防止在炉管形成的砷化镓再次分解。当熔融态冷却时 ，就可以产生高纯度的多晶砷化镓。 有两种技术可以生长砷化镓：Cz法和布理吉曼法。 Cz法与硅生长类似，同时它采用了液体密封技术防止在长晶时融体产生热 分解。一般用液体氧化硼（B2O3）将融体密封起来。氧化硼会溶解二氧化 硅，所以用石墨坩埚代替凝硅土坩埚。,在生长砷化镓晶体时，为了获得所需的掺杂浓度，镉和锌常被用来作为 P型掺杂剂，而硒、硅和锑用来作n型掺杂剂。,布理吉曼法,左区带保持在610 来维持砷所需的过压状态，而右区带温度略高于砷化 镓熔点（1240 ）。当炉管向右移动时，融体的一端会冷却，通常在左 端放

8、置晶仔以建立特定的晶体生长方向。融体逐步冷却，单晶开始在固- 液界面生长直到当今砷化镓生长完成。,材料特性晶片切割,晶体生长后，先区晶仔和晶锭的尾端。接着磨光晶锭以便确定晶片直径。然后，沿着晶锭长度方向磨出一个或数个平面。这些平面标示出 晶锭的特定晶体方向和材料的导电形态。 主标志面最大的面，用于机械定向器去固定晶片的位置并确定器件和晶体的相对方向。 次标志面较小的面，用来标识晶体的方向和导电形态。,磨光、标识后的晶锭切割。切割决定四个晶片参数：表面方向、厚度、 倾斜度和弯曲度。 切割后，用氧化铝和甘油的混合液研磨，一般研磨到2m的平坦度。,晶体特性晶体缺陷,点缺陷替代、填隙、空位和弗兰克尔缺

9、陷。,线缺陷，亦称位错刃形和螺旋。,面缺陷孪晶和晶粒间界。,反映孪晶,旋转孪晶,小角度晶界,体缺陷杂质或掺杂原子的析出现象。这些缺陷的产生是由在主晶格中 的固溶度引起的。,材料特性,另外，因固溶度造成析出的氧，可利用来吸杂。吸杂指从晶片上制造器件的区域除去有害杂质或缺陷的过程。当晶片受高温处理，氧会从表面挥发，造成表面附近有较低的氧含量，形成了无缺陷区，用于制造器件。,晶体外延,外延是在单晶上生长一层同质或异质的薄膜层。衬底晶片可以作为晶体籽 晶，与先前描述的单晶生长不同在于外延生长温度低于熔点许多（3050 %），常见的外延工艺有：CVD和MBE。 化学气相沉积（CVD）也称为气相外延（Va

10、porphase epitaxy，VPE） 是通过气体化合物间的化学作用而形成外延层的工艺，CVD工艺包括常 压（APCVD）和低压（LPCVD）。,硅的CVD,同时伴随额外的竞争反应,在外延生长时，掺杂剂和四氯化硅是同时加入的，气态的乙硼（B2H6） 被用作p型掺杂剂，而磷烷（PH3）被用作n型掺杂剂。气态掺杂剂通常 用H2来稀释，以便合理控制流量而得到所需的掺杂浓度。,砷化镓的CVD,As4是有砷烷分解而来,氯化镓是由下来反应而来,反应物和载气（如H2）一起被引入反应器中，而砷化镓的晶片一般维持 在650到850的范围。必须有足够的砷的过蒸汽压，以防止衬底和生 长层的热分解。,金属有机物气

11、相沉积（MOCVD），是一种以热分解反应为基础的气相外延法，不像传统的CVD，MOCVD是以其先驱物的化学本质来区分。次方法对不形成稳定的氢化物或卤化物但在合理的气压下会形成稳定金属有机物的元素提供了一个可行之道。MOCVD已经广泛应用在生长III-V族和II-VI族化合物异质外延上。,分子束外延（MBE）是在超高真空（10-8Pa）一个或多个热原子或热分子束和晶体表面反应的外延工艺。MBE能够非常精确地控制化学组成和参杂浓度。厚度只有原子层量级的单晶多层结果可用MBE制作。因此，MBE法可用来精确制作半导体异质结构，其薄膜层可从几分之一微米到单层原子。对砷化镓而言，厚度一般在1微米。,外延层的构造和缺陷晶格匹配及形变层外延,外延层缺陷,半导体外延层的缺陷会降低器件的性能。例如，缺陷会降低迁移率和增加漏电流。外延层的缺陷可以归纳为5种： （1）从衬底来的缺陷。这些缺陷从衬底传到外延层，要在无位错缺陷的半导体衬底。 （2）从界面来的缺陷。在衬底和外延层的界面的氧化层沉淀或任何形式的污染物都可能形成方向失配的聚集或包含堆垛层错的结核。为了避免此类缺陷，衬底的表面需彻底的清洁。 （3）沉淀或位错环。其形成是因为过饱和的掺杂剂或其他杂质造成的。含有极高有意、无意的掺杂剂