硅外延生长工艺相关知识

在适合的晶体底层上的单个晶体半导体薄膜的生长就是外延生长。底层通常是由和沉积的半导体同种物质的晶体组成，但也不总是这样。高质量的单晶硅薄膜已经可以在合成蓝宝石或尖晶石wafer上生长了，因为这些物质都有像硅一样可以让晶核生长的晶体结构。合成蓝宝石或尖晶石的成本超过同尺寸的硅wafer太多了，所以大多数外延生长沉积还是在硅底层上生长硅薄膜。

有几种不同的方法来生长外延（epi）层。一种比较粗糙的方法是把熔融的半导体物质注入底层上，经过一段时间后结晶，然后把多于的液体去除。然后wafer的表面可以重新研磨抛光形成外延层。很明显这个liquid-phase epitaxy的缺点是重新研磨的高成本和外延层厚度控制的难度。

大多数现代外延沉积使用低压化学气相沉积(LPCVD)外延生长。图2.22是一种早期LPCVD epi 反应器的简图。Wafer被装载到诱导加热装载器上，然后由dichlorosilane和氢的混合气体通过wafer。这些气体在wafer的表面反应，形成一层缓慢生长的单晶硅。可以通过控制温度，压力和反应时使用的混合气体来调节生长速度。不需要为了后续步骤而抛光外延层表面，因为气相外延生长如实的反应了底下表面的状况。通过加入少量的气态杂质比如磷和乙硼烷到气流中可以在外延薄膜中掺杂。

在开始的wafer上生长外延层由很多好处。其中之一是，外延层不需要和底下的wafer有相同的掺杂极性。比如，一个N型外延层可以生长在P型衬底上――这个通常用在标准bipolar工艺。可以连续生长多层外延层且他们能用来做晶体管或其他器件。外延生长的潜力主要受限于缓慢的epi生长速度和所需的昂贵且复杂的设备，他们可比图2.22建议的棒多了。

740)this.width=740" border=undefined>

图2.22 epi反应器的简图（18 图示中的水平管反应器已经很陈旧了；参见 C.W. Pearce, “Epitaxy,” in S.M. Sze, ed., VLSI Technology(New York: McGraw-Hill, 1983), pp.61-65）

外延生长也可以形成buried layer。N+ buried layer在多数bipolar工艺中有关键作用，因为它使低集电极电阻的垂直NPN晶体管成为可能。图2.23说明了N-buried layer (NBL)的生长。砷和锑是形成NBL的杂质，因为他们的低扩散速度使buried layer在接下来的高温步骤中的outdiffusion。锑比砷更常被使用，因为它在外延生长中有更低的横向传播的倾向（称为lateral autodoping的效应）。（19 M.W. M. Graef, B. J. H. Leunissen , and H. H. C. de Moor, “Antimony, Arsenic, Phosphorus, and Boron Autodoping in Sillicon Epitaxy,” J.Electrochem. Soc., Vol. 132, #8, 1985, pp. 1942-1954.）buried layer制造开始于轻掺杂的P型wafer。这个wafer已被氧化，在终的氧化层上也已开好窗口。要么锑要么砷被注入到窗口，wafer又被退火来去掉的注入损坏。在退火中会发生热氧化，在氧化窗口周围会形成中断。接下来，wafer上所有的氧化层被去掉，N型外延层被沉积。终的结构由埋在外延层下的N+区组成。

740)this.width=740" border=undefined>

图2.23 N-buried layer（NBL）的形成

如前面提到的，NBL退火中的氧化会导致氧化窗口周围的轻微表面中断。外延层在wafer的终表面忠实的反应了这种中断。在显微镜下，的步骤形成了一个模糊的轮廓，叫做NBL影子。接下来的photomask将和这个中断对齐。另一个对齐的方法是使用红外线来在硅上形成NBL掺杂的图像，但这需要更复杂的设备。

在外延生长中NBL影子边缘的硅原子增长代替了它的laterally，一种叫做pattern shift的效应（图2.23）。(20 M. R. BoydSTon, G. A. Gruber, and D, C. Gupta, “Effect of Processing Parameters on Shallow Surface Depressions During Silicon Epitaxial Deposition,” in Sillicon Processing, American Society for Testing and Materials STP 804, 1983, pp. 174-189.) 偏移的量取决于许多因素，包括温度，压力，气体的成分，衬底的方向，和倾斜（参见节7.2.3）。当其他层对齐于NBL影子时，这些都必须被抵消来弥补pattern shift。