半導(dǎo)體材料第6講-外延1

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1、半導(dǎo)體材料陳易明e-mail:mpcyjs@gdut.edu.cn第5章硅外延生長(zhǎng)只有體單晶材料不能滿(mǎn)足日益發(fā)展的各種半導(dǎo)體器件制作的需要，1959年末開(kāi)發(fā)了薄層單晶材料生長(zhǎng)技術(shù)——外延生長(zhǎng)。外延生長(zhǎng)就是在一定條件下，在經(jīng)過(guò)切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上，生長(zhǎng)一層合乎要求的單晶層的方法。由于所生長(zhǎng)的單晶層是襯底晶格的延伸，所以所生長(zhǎng)的材料層叫做外延層。根據(jù)外延層的性質(zhì)，生長(zhǎng)方法和器件制作方式不同，可以把外延分成不同的種類(lèi)。外延的分類(lèi)1、按外延層的性質(zhì)分類(lèi)同質(zhì)外延：外延層與襯底是同種材料，例如在硅上外延生長(zhǎng)硅，在GaAs上外延生長(zhǎng)GaAs均屬

2、于同質(zhì)外延。異質(zhì)外延：襯底材料和外延層是不同種材料，例如在藍(lán)寶石上外延生長(zhǎng)硅，在GaAs上外延生長(zhǎng)GaAlAs等屬于異質(zhì)外延。2、按器件位置分類(lèi)正外延：器件制作在外延層上反外延：器件制作在襯底上，外延層只起支撐作用外延的分類(lèi)3、按外延生長(zhǎng)方法分類(lèi)直接外延是用加熱、電子轟擊或外加電場(chǎng)等方法使生長(zhǎng)的材料原子獲得足夠能量，直接遷移沉積在襯底表面上完成外延生長(zhǎng)的方法，如真空淀積、濺射、升華等。但此類(lèi)方法對(duì)設(shè)備要求苛刻。薄膜的電阻率、厚度的重復(fù)性差，因此一直未能用于硅外延生產(chǎn)中。間接外延是利用化學(xué)反應(yīng)在襯底表面上沉積生長(zhǎng)外延層，廣義上稱(chēng)為化學(xué)氣相沉積(

3、chemicalvapordeposition，CVD))。但CVD所生長(zhǎng)的薄膜不一定是單晶，因此嚴(yán)格地講只有生長(zhǎng)的薄膜是單晶的CVD才是外延生長(zhǎng)。這種方法設(shè)備簡(jiǎn)單，外延層的各種參數(shù)較容易控制，重復(fù)性好。目前硅外延生長(zhǎng)主要是利用這種方法。外延的分類(lèi)4、按向襯底輸運(yùn)外延材料的原子的方法不同又分為真空外延、氣相外延、液相外延等。5、按相變過(guò)程，外延又可分為氣相外延、液相外延、固相外延。對(duì)于硅外延，應(yīng)用最廣泛的是氣相外延。硅外延生長(zhǎng)技術(shù)開(kāi)始的時(shí)候，正是硅高頻大功率晶體管制做遇到困難的時(shí)刻。從晶體管原理來(lái)看，要獲得高頻大功率，必須做到集電極擊穿電壓要

4、高，串聯(lián)電阻要小，即飽和壓降要小。前者要求集電極區(qū)材料電阻率要高，而后者要求集電區(qū)材料電阻率要低，兩者互相矛盾。如果采用將集電區(qū)材料厚度減薄的方法來(lái)減少串聯(lián)電阻，會(huì)使硅片太薄易碎，無(wú)法加工。若降低材料的電阻率，則又與第一個(gè)要求矛盾，外延技術(shù)則成功地解決了這一困難。解決辦法：在電阻率極低的襯底上生長(zhǎng)一層高電阻率外延層，器件制做在外延層上，這樣高電阻率的外延層保證管子有高的擊穿電壓，而低電阻率的襯底又降低了基片的電阻，降低了飽和壓降，從而解決了二者的矛盾。外延工藝解決的問(wèn)題不僅如此，GaAs等Ⅲ一V族、Ⅱ一Ⅵ族以及其他化合物半導(dǎo)體材料的氣相外延，

5、液相外延，分子束外延，金屬有機(jī)化合物氣相外延等外延技術(shù)也都得到很大的發(fā)展，已成為絕大多數(shù)微波、光電器件等制做不可缺少的工藝技術(shù)。特別是分子束、金屬有機(jī)氣相外延技術(shù)在超薄層、超晶格、量子阱、應(yīng)變超晶格、原子級(jí)薄層外延方面成功的應(yīng)用，為半導(dǎo)體研究的新領(lǐng)域“能帶工程”的開(kāi)拓打下了基礎(chǔ)。外延生長(zhǎng)的特點(diǎn)(1)可以在低(高)阻襯底上外延生長(zhǎng)高(低)阻外延層。(2)可以在P(N)型襯底上外延生長(zhǎng)N(P)型外延層，直接形成PN結(jié)，不存在用擴(kuò)散法在單晶基片上制作PN結(jié)時(shí)的補(bǔ)償?shù)膯?wèn)題。(3)與掩膜技術(shù)結(jié)合，在指定的區(qū)域進(jìn)行選擇外延生長(zhǎng)，為集成電路和結(jié)構(gòu)特殊的器件

6、的制作創(chuàng)造了條件。(4)可以在外延生長(zhǎng)過(guò)程中根據(jù)需要改變摻雜的種類(lèi)及濃度，濃度的變化可以是陡變的，也可以是緩變的。外延生長(zhǎng)的特點(diǎn)(5)可以生長(zhǎng)異質(zhì)，多層，多組分化合物且組分可變的超薄層。(6)可在低于材料熔點(diǎn)溫度下進(jìn)行外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)速率可控，可以實(shí)現(xiàn)原子級(jí)尺寸厚度的外延生長(zhǎng)。(7)可以生長(zhǎng)不能拉制單晶材料，如GaN，三、四元系化合物的單晶層等。利用外延片制作半導(dǎo)體器件，特別是化合物半導(dǎo)體器件絕大多數(shù)是制作在外延層上，因此外延層的質(zhì)量直接影響器件的成品率和性能。一般來(lái)說(shuō)外延層應(yīng)滿(mǎn)足下列要求：(1)表面應(yīng)平整，光亮，沒(méi)有亮點(diǎn)，麻坑，霧漬和滑移線(xiàn)等

7、表面缺陷。(2)晶體完整性好，位錯(cuò)和層錯(cuò)密度低。對(duì)于硅外延來(lái)說(shuō)，位錯(cuò)密度應(yīng)低于1000個(gè)／cm2，層錯(cuò)密度應(yīng)低于10個(gè)／cm2，同時(shí)經(jīng)鉻酸腐蝕液腐蝕后表面仍然光亮。(3)外延層的本底雜質(zhì)濃度要低，補(bǔ)償少。要求原料純度高，系統(tǒng)密封性好，環(huán)境清潔，操作嚴(yán)格，避免外來(lái)雜質(zhì)摻入外延層。外延層應(yīng)滿(mǎn)足的要求(4)對(duì)于異質(zhì)外延，外延層與襯底的組分間應(yīng)突變(要求組分緩變的例外)并盡量降低外延層和襯底間組分互擴(kuò)散。(5)摻雜濃度控制嚴(yán)格，分布均勻，使得外延層有符合要求而均勻的電阻率。不僅要求一片外延片內(nèi)，而且要求同一爐內(nèi)，不同爐次生長(zhǎng)的外延片的電阻率的一致性好

8、。(6)外延層的厚度應(yīng)符合要求，均勻性和重復(fù)性好。(7)有埋層的襯底上外延生長(zhǎng)后，埋層圖形畸變很小。(8)外延片直徑盡可能大，利于器件批量生產(chǎn)，降低成本。(9)對(duì)于