外延生长

化学方法

外延生长是指在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段。外延生长技术发展于50年代末60年代初。当时，为了制造高频大功率器件，需要减小集电极串联电阻，又要求材料能耐高压和大电流，因此需要在低阻值衬底上生长一层薄的高阻外延层。外延生长的新单晶层可在导电类型、电阻率等方面与衬底不同，还可以生长不同厚度和不同要求的多层单晶，从而大大提高器件设计的灵活性和器件的性能。外延工艺还广泛用于集成电路中的PN结隔离技术（见隔离技术）和大规模集成电路中改善材料质量方面。

原理

生长外延层有多种方法，但采用最多的是气相外延工艺。图1为硅(Si)气相外延的装置原理图。氢(H2)气携带四氯化硅(SiCl4)或三氯氢硅(SiHCl3)、硅烷(SiH4)或二氯氢硅(SiH2Cl2)等进入置有硅衬底的反应室，在反应室进行高温化学反应，使含硅反应气体还原或热分解，所产生的硅原子在衬底硅表面上外延生长。其主要化学反应式为（图一），硅片外延生长时，常需要控制掺杂，以保证控制电阻率。N型外延层所用的掺杂剂一般为磷烷(PH3)或三氯化磷(PCl3)；P型的为乙硼烷(B2H6)或三氯化硼(BCl3)等。

过程

气相外延生长常使用高频感应炉加热，衬底置于包有碳化硅、玻璃态石墨或热分解石墨的高纯石墨加热体上，然后放进石英反应器中。此外，也有采用红外辐照加热的。为了制备优质的外延层，必须保证原料的纯度。对于硅外延生长，氢气必须用钯管或分子筛等加以净化,使露点在-7℃以下，还要有严密的系统，因微量水汽或氧的泄漏会产生有害的影响；为获得平整的表面，衬底必须严格抛光并防止表面有颗粒或化学物质的沾污；在外延生长前，反应管内在高温下用干燥氯化氢、溴或溴化氢进行原位抛光，以减少层错缺陷;为减少位错须避免衬底边缘损伤、热应力冲击等;为得到重复均匀的厚度和掺杂浓度分布，还须控制温度分布和选择合适的气流模型。

质量检测

对外延片检查主要包括：表面质量（不应有突起点、凹坑等）、导电类型、电阻率、外延层厚度、外延片（片中和各片间的均匀性）和缺陷密度（包括层错、位错、雾状微缺陷或小丘）等。

工艺进展

为了克服外延工艺中的某些缺点，外延生长工艺已有很多新的进展。①减压外延：自掺杂现象是使用卤素化合物作源的外延过程中难以避免的现象，即从基片背面、加热体表面以及从前片向后片，都会有掺杂剂迁移到气相而再进入到外延层。自掺杂使外延层杂质浓度不均匀。若将反应管中的压力降到约 160托,即可有效地减少自掺杂。②低温外延:为得到衬底与薄外延层之间的突变结,需要降低生长温度,以减少基片中的杂质向外延层的自扩散。采用He-SiH4分解、SiH2Cl2热分解以及溅射等方法都可明显降低温度。③选择外延：用于制备某些特殊器件，衬底上有掩模并在一定区域开有窗口，单晶层只在开窗口的区域生长，而留有掩模的区域不再生长外延层。④液相外延：将生长外延层的原料在溶剂中溶解成饱和溶液。当溶液与衬底温度相同时，将溶液覆盖在衬底上，缓慢降温，溶质按基片晶向析出单晶。这种方法常用于外延生长砷化镓等材料。⑤异质外延：衬底与外延层不是同一种物质，但晶格和热膨胀系数比较匹配。这样就能在一个衬底上外延生长出不同的晶膜，如在蓝宝石或尖晶石衬底上外延生长硅单晶。⑥分子束外延：这是一种最新的晶体生长技术（图2）。将衬底置于超高真空腔中，将需要生长的单晶物质按元素不同分别放在喷射炉中。每种元素加热到适当的温度,使其以分子流射出,即可生长极薄（甚至是单原子层）的单晶层和几种物质交替的超晶格结构。

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