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《半導(dǎo)體材料第6講-外延》由會員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在教育資源-天天文庫。
1、半導(dǎo)體材料陳易明e-mail:mpcyjs@gdut.edu.cn第5章硅外延生長只有體單晶材料不能滿足日益發(fā)展的各種半導(dǎo)體器件制作的需要，1959年末開發(fā)了薄層單晶材料生長技術(shù)——外延生長。外延生長就是在一定條件下，在經(jīng)過切、磨、拋等仔細(xì)加工的單晶襯底上，生長一層合乎要求的單晶層的方法。由于所生長的單晶層是襯底晶格的延伸，所以所生長的材料層叫做外延層。根據(jù)外延層的性質(zhì)，生長方法和器件制作方式不同，可以把外延分成不同的種類。外延的分類1、按外延層的性質(zhì)分類同質(zhì)外延：外延層與襯底是同種材料，例如在硅上外延生長硅，在GaA
2、s上外延生長GaAs均屬于同質(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)寶石上外延生長硅，在GaAs上外延生長GaAlAs等屬于異質(zhì)外延。2、按器件位置分類正外延：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3、按外延生長方法分類直接外延是用加熱、電子轟擊或外加電場等方法使生長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的方法，如真空淀積、濺射、升華等。但此類方法對設(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
3、底表面上沉積生長外延層，廣義上稱為化學(xué)氣相沉積(chemicalvapordeposition，CVD))。但CVD所生長的薄膜不一定是單晶，因此嚴(yán)格地講只有生長的薄膜是單晶的CVD才是外延生長。這種方法設(shè)備簡單，外延層的各種參數(shù)較容易控制，重復(fù)性好。目前硅外延生長主要是利用這種方法。外延的分類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、按相變過程，外延又可分為氣相外延、液相外延、固相外延。對于硅外延，應(yīng)用最廣泛的是氣相外延。硅外延生長技術(shù)開始的時(shí)候，正是硅高頻大功率晶體管制做遇到
4、困難的時(shí)刻。從晶體管原理來看，要獲得高頻大功率，必須做到集電極擊穿電壓要高，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減少串聯(lián)電阻，會使硅片太薄易碎，無法加工。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
5、盾。外延工藝解決的問題不僅如此，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，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”的開拓打下了基礎(chǔ)。外延生長的特點(diǎn)(1)可以在低(高)阻襯底上外延生長高(低)阻外延層。(2)可以在P(N)型襯底上外延生長N(P)型外延層，直接形成PN結(jié)，不存在用擴(kuò)
6、散法在單晶基片上制作PN結(jié)時(shí)的補(bǔ)償?shù)膯栴}。(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，為集成電路和結(jié)構(gòu)特殊的器件的制作創(chuàng)造了條件。(4)可以在外延生長過程中根據(jù)需要改變摻雜的種類及濃度，濃度的變化可以是陡變的，也可以是緩變的。外延生長的特點(diǎn)(5)可以生長異質(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，生長速率可控，可以實(shí)現(xiàn)原子級尺寸厚度的外延生長。(7)可以生長不能拉制單晶材料，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
7、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。一般來說外延層應(yīng)滿足下列要求：(1)表面應(yīng)平整，光亮，沒有亮點(diǎn)，麻坑，霧漬和滑移線等表面缺陷。(2)晶體完整性好，位錯(cuò)和層錯(cuò)密度低。對于硅外延來說，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，避免外來雜質(zhì)摻入外延層。外延層應(yīng)滿足的要求(4)對于異質(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
8、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)，不同爐次生長的外延片的電阻率的一致性好。(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)對于
