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。
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。
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。
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。