外延生長

外延生長是指在單晶襯底（基片）上生長一層有一定要求的、與襯底晶向相同的單晶層，猶如原來的晶體向外延伸了一段。外延生長技術發展於50年代末60年代初。當時，為了製造高頻大功率器件，需要減小集電極串聯電阻，又要求材料能耐高壓和大電流，因此需要在低阻值襯底上生長一層薄的高阻外延層。外延生長的新單晶層可在導電類型、電阻率等方面與襯底不同，還可以生長不同厚度和不同要求的多層單晶，從而大大提高器件設計的靈活性和器件的性能。外延工藝還廣泛用於積體電路中的PN結隔離技術（見隔離技術）和大規模積體電路中改善材料質量方面。

基本介紹

• 中文名：外延生長
• 時間：50年代末60年代初
• 方法：減小集電極串聯電阻
• 途徑：氣相外延工藝

原理

生長外延層有多種方法，但採用最多的是氣相外延工藝。圖1為矽(Si)氣相外延的裝置原理圖。氫(H2)氣攜帶四氯化矽(SiCl₄)或三氯氫矽(SiHCl₃)、矽烷(SiH₄)或二氯氫矽(SiH₂Cl₂)等進入置有矽襯底的反應室，在反應室進行高溫化學反應，使含矽反應氣體還原或熱分解，所產生的矽原子在襯底矽表面上外延生長。其主要化學反應式為（圖一） ，矽片外延生長時，常需要控制摻雜，以保證控制電阻率。N型外延層所用的摻雜劑一般為磷烷(PH3)或三氯化磷(PCl₃)；P型的為乙硼烷(B₂H₆)或三氯化硼(BCl₃)等。

圖一

外延生長

過程

氣相外延生長常使用高頻感應爐加熱，襯底置於包有碳化矽、玻璃態石墨或熱分解石墨的高純石墨加熱體上，然後放進石英反應器中。此外，也有採用紅外輻照加熱的。為了製備優質的外延層，必須保證原料的純度。對於矽外延生長，氫氣必須用鈀管或分子篩等加以淨化,使露點在-7℃以下，還要有嚴密的系統，因微量水汽或氧的泄漏會產生有害的影響；為獲得平整的表面，襯底必須嚴格拋光並防止表面有顆粒或化學物質的沾污；在外延生長前，反應管內在高溫下用乾燥氯化氫、溴或溴化氫進行原位拋光，以減少層錯缺陷;為減少位錯須避免襯底邊緣損傷、熱應力衝擊等;為得到重複均勻的厚度和摻雜濃度分布，還須控制溫度分布和選擇合適的氣流模型。

質量檢測

對外延片檢查主要包括：表面質量（不應有突起點、凹坑等）、導電類型、電阻率、外延層厚度、外延片（片中和各片間的均勻性）和缺陷密度（包括層錯、位錯、霧狀微缺陷或小丘）等。

工藝進展

為了克服外延工藝中的某些缺點，外延生長工藝已有很多新的進展。①減壓外延：自摻雜現象是使用鹵素化合物作源的外延過程中難以避免的現象，即從基片背面、加熱體表面以及從前片向後片，都會有摻雜劑遷移到氣相而再進入到外延層。自摻雜使外延層雜質濃度不均勻。若將反應管中的壓力降到約 160托,即可有效地減少自摻雜。②低溫外延:為得到襯底與薄外延層之間的突變結,需要降低生長溫度,以減少基片中的雜質向外延層的自擴散。採用He-SiH4分解、SiH2Cl2熱分解以及濺射等方法都可明顯降低溫度。③選擇外延：用於製備某些特殊器件，襯底上有掩模並在一定區域開有視窗，單晶層只在開視窗的區域生長，而留有掩模的區域不再生長外延層。④液相外延：將生長外延層的原料在溶劑中溶解成飽和溶液。當溶液與襯底溫度相同時，將溶液覆蓋在襯底上，緩慢降溫，溶質按基片晶向析出單晶。這種方法常用於外延生長砷化鎵等材料。⑤異質外延：襯底與外延層不是同一種物質，但晶格和熱膨脹係數比較匹配。這樣就能在一個襯底上外延生長出不同的晶膜，如在藍寶石或尖晶石襯底上外延生長矽單晶。⑥分子束外延：這是一種最新的晶體生長技術（圖2）。將襯底置於超高真空腔中，將需要生長的單晶物質按元素不同分別放在噴射爐中。每種元素加熱到適當的溫度,使其以分子流射出,即可生長極薄（甚至是單原子層）的單晶層和幾種物質交替的超晶格結構。

圖2