硅外延片

相关技术

　　硅外延已发展成为门类繁多的技术，从外延层在器件制造中的作用看，可分为正外延和反外延。器件直接制作在外延层上的叫正外延；器件制作在348单晶衬底上，外延层作为基底，叫反外延。从化学组成看，可分为同质外延和异质外延。外延层和衬底属同一种物质，称同质外延，外延层和衬底不属同种物质，称异质外延。制备硅外延片的方法有气相外延、液相外延、分子束外延等。其中以化学气相淀积(CVD)为基础的气相外延是现在生产硅外延的主流。常用的源有SiCl4 、SiHCl3、SiH2Cl2和SiH44种。目前以SiCl4源应用最广泛。对于亚微米级外延，从低温看，硅烷似乎比其他源好，但硅烷在极少量空气存在下会在硅外延层中产生SiO2微粒，SiH2Cl2用于优质外延及薄层外延。

分类

　　1  导电类型

　　产品按导电类型分为N型和P型。

　　2  规格

　　产品按直径尺寸分为76.2mm、100mm、125mm和150mm

　　3  外延片晶向

　　产品按晶向分为<111>、<100>等

工艺原理

　　以SiCl4为源的气相外延法为例。将硅单晶衬底加热到1200℃左右，将含有SiCl4蒸汽的氢气流过衬底表面。利用化学反应SiCl4+2H2=Si↓+4HCl↑，氢和四氯化硅在衬底表面或附近发生反应，生成游离状态的硅原子和副产物HCl。后者随着主气流被排走。而游离状态的硅原子经表面和台阶扩散，坐落在晶格格点上，释放潜热，成为晶相原子，实现外延生长。实际上此过程远比上述反应复杂，还有许多其他中间产物生成。当气流与基座(包括衬底硅片)接触时，形成边界层，反应剂以及掺杂剂要扩散通过此边界层到达生长层，反应副产物也要扩散通过此边界层返回到主流区。边界层厚度对气流速度很敏感。设计反应器和制定工艺条件时，必须考虑边界层厚度对输运过程的影响。应当调整边界层厚度，以获得均匀的外延层。作为外延衬底的硅抛光片要在反应器内通入HCL气体，于外延沉积前进行气相腐蚀以消除衬底表面的损伤和污染。掺杂是使用气相掺杂法，掺杂剂为硼、磷、砷的卤化物或氢化物，现在多用氢化物如B2H6，PH3，AsH3等。

硅外延系统设备

　　硅外延所用设备见图，主要由反应器、加热装置、气体控制系统和氢气净化装置组成。

　　反应器      一般为石英制品，其结构形成由最初的卧式逐渐发展为立式和桶式3种。卧式为水平放置的石英管，现多为矩形管以改善均匀性；放置衬底的包覆了碳化硅的石墨基座相对气流有3。～5。的倾斜，以利于改善均匀性。为进一步提高外延层的均匀性，便出现了立式反应器，其大多为钟罩形，基座是水平放置的并可转动的圆盘，反应气流与基座表面垂直，外延层表面易受反应气流中颗粒的撞击和玷污。因此，卧式反应器便略占优势。为结合卧式和立式二者的优点，便有为人们所乐意使用的桶式反应器，其外形与立式相仿，但基座为可转动的直立柱体，其气流平行于基座柱体表面。反应器结构是影响外延层均匀性和质量的重要因素。

　　加热装置     大多采用高频感应加热方式，间接地加热衬底。为使加热均匀，高频加热线圈和基座的结构形状以及相互间的匹配是十分重要的。因高频感应加热是通过基座背面进行的，基座和硅片间有温度差，容易使硅片翘曲，引起位错和滑移应力，为克服此缺点，后来便有红外辐射加热的出现，并已使用于工业化生产的外延设备中。

　　气体控制系统       是由各种阀门、流量计和耐腐蚀材料制的相连接所组成的密封不漏气的系统。它对各种气体的流量进行精密的控制和调节。所用的阀门从最原始的玻璃考虑到后来采用的不锈钢阀、电磁阀；管道也由原先的塑料管、玻璃管、石英管等被当前广泛采用的不锈钢管所代替；流量计也由一般的转子流量计发展到普遍使用质量流量计；反应气体组分也由手工操作调节为自动控制所取代。

　　氢气净化装置      是以各种吸附剂或钯管对氢气进行净化以达到所需纯度。为获得质量优良、重现性好的硅外延片，现代的硅外延设备已能对整个外延全过程实现自动化程序控制。

　　质量控制        硅外延片质量直接影响到器件性能。SiCl4硅外延是一个高温可逆反应的过程，衬底中的杂质通过扩散、蒸发、自掺杂等效应，加之气没能及时迅速地排出而造成外延层的不均匀。采用SiH2Cl2和SiH4作为硅源，使反应温度降低；采用减压外延，将反应器一边抽空、一边控制通入反应器的气体流量，使反应器内的压力在8～20kPa的低压下，杂质分子、腐蚀性气体便能迅速随主气流排走，从而抑制上述多种效应。硅外延层的缺陷有许多种，如层错、位错等晶格缺陷和划痕、亮点、角锥、雾状等表面形貌缺陷。衬底制备质量、加热方式、生长速度、气氛和试剂纯度、反应室结构以及气相腐蚀等都对缺陷产生相应的影响。

应用

　　自50年代末，硅外延片成功地应用于制造高频大功率晶体管，并显示出其巨大的优越性后，其用途越来越广。在双极型器件中，不论是晶体管、功率管还是线性集成电路和数字集成电路的制造，都离不开使用硅外延片。对MOS器件而言，虽则较晚使用硅外延片，但由于在解决CMOS电路中闩锁(Latch-up)效应，硅外延片得到广泛的应用。当前BiCMOS电路也都采用硅外延片来制造。一部分电荷耦合器件(CCD)已使用外延片制作。

　　为了满足各种半导体器件的需要，相应地也产生了各样的硅外延技术。除上述提到的低温外延、减压外延外，还有在硅片的特定部位沉积硅外延层的选择性外延。它是在硅衬底上先沉积一层二氧化硅，经光刻在所需部位开“外延窗口”，然后进行外延生长。为满足某些半导体器件要求有很高电阻率的外延层，而产生的高阻外延技术等。