半导体制造工艺技术手册：外延

在制造高频功率器件时，通常会遇到击穿电压与集电极串联电阻对集电极材料电阻率要求矛盾的问题，这种情况下通过外延技术可以很好解决这类问题，那么很多人就好奇外延技术到底是什么？今天我们来谈谈外延。

在单晶硅衬底上沿着原来的结晶轴方向延伸生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构及其完整性都复合要求的新的单晶层的过程叫做外延，这层新的单晶层叫做外延层，若外延层结构和性质与衬底材料相同叫做同质外延；反之叫做异质外延。根据外延层在器件制造中的作用来分，器件直接做在外延层上的叫做正外延，做在原单晶层上，低阻的外延层反过来作为制程衬底的叫做反外延。

外延方法主要有气相外延、液相外延、真空蒸发=高频溅射=分子束外延等，生产中常用的是硅的气相外研发。

气相外延生长机理：

硅的气相外延是硅的气态化合物在加热的硅衬底表面与氢发生反应或自身热分解还原成硅，并以单晶的形式淀积在硅衬底表面的过程。具体包括：

①反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层表面；

②反应剂分子被生长层吸附；

③被吸附的反应剂分子在生长层表面完成化学反应，产生硅及其它副产品；

④副产品分子从表面解析，随着气流排出反应腔；

⑤反应生成的硅原子形成晶格，或加接到晶格点阵上，形成单晶外延层。外延方法通常有SiCl氢还原法和 SiHa热分解法，两种化学反应方程式分别为：

SiCl+2H2=Si+4HCl（1200℃）

SiH4-Si+2H2（1100℃）

外延层的杂质分布：

外延层必须是经过掺杂的单晶层。从器件制造的角度考虑，总希望外延层具有均匀的一定量的单一杂质分布，而且要求外延层与衬底界面处杂质分布浓度陡峭一些。

SiCL4氢还原法外延由于在高达1200℃高温下进行，衬底与外延层中杂质相互扩散，从而使衬底与外延层形成杂质浓度缓变分布，这就是外延中的扩散效应。这种效应是可逆的，生成的HC1对硅有腐蚀作用。在衬底腐蚀的同时其中杂质就释放出来，加之在高温外延过程中，高掺杂衬底中的杂质也会挥发，此外整个外延层系统中也存在杂质的沾污源，这三种因素造成的自掺杂效应严重影响了外延的杂质分布，外延电阻率做高也不容易。

SiH热分解法反应温度低,其化学反应激活能是1.6eV,比 SiCl4小0.3eV,可以在1100℃时获得与1200℃下 SiCl4反应时相当的生长速率，同时这种方法不产生HCl，无反应腐蚀问题，因而扩散效应和自掺杂现象不如 SiCl4严重。如果采用“背封”技术和“二步法”外延，用SiH4热分解法就能获得较为理想的突变结和浓度分布。

虽然 SiH4热分解法外延有其好处，但是由于SiCl4氢还原法操作安全，SiCl4易纯化，且工艺成熟，目前仍是生产中常用的方法。