晶體生長和外延現代半導體器件物理與工藝PhysicsandTechnologyofModernSemiconductorDevices2004,7,30晶體生長與外延對分立器件而言，最重要的半導體是硅和砷化鎵。本小節主要討論這兩種半導體單晶最常用的技術。一種是單晶生長，獲得高質量的襯底材料；另外一種時“外延生長”，即在單晶襯底上生長另一層單晶半導體（同質或異質材料）。起始材料多晶半導體單晶晶片SiSiO2GaAsGa，As蒸餾與還原合成晶體生長晶體生長研磨、切割拋光研磨、切割拋光從原料到磨光晶片的制造流程CZ法生長單晶硅－起始材料高純度的硅砂與不同形式的炭（煤、焦炭、木片）放入爐中，產生反應此步驟獲得冶金級硅，純度98%，然后與HCl反應SiHCl3沸點32度，分餾提純，得到電子級硅Cz直拉法摻雜物質的分布由于晶體是從融體中拉出來的，混合在晶體中（固態）的摻雜濃度通常和在界面出的融體（液體）中的是不同的，此兩種狀態下的摻雜濃度的比例定義為平衡分凝系數Cs和Cl分別是在固態和液體界面附近的平衡摻雜濃度。(1)融體的初始重量為M0，初始摻雜濃度為C0（每克的融體中摻雜的重量）。生長過程中，當已生長晶體的重量為M時，留在融體中的摻雜數量（重量）為S。當晶體增加dM的重量，融體相對應減少的摻雜（－dS）為Cs為晶體中的摻雜濃度（重量表示）。此時液體中剩下的重量為M0－M，液體中的摻雜濃度Cl(2)(3)結合（2）、（3），將（1）代入可得若初始摻雜重量為C0M0，積分（4）可得(4)(5)解出（5）式，且結合（3）式可得(6)有效分分凝系系數當晶體體生長長時，，摻雜雜劑會會持續續不斷斷地被被排斥斥而留留在融融體中中(K0<1)。如如果排排斥率比比參雜雜的擴擴散或或攪動動而產產生的的傳送送率高高時，，在界界面的的地方方會有有濃度度梯度產生生，如如圖所所示。。其分凝凝系數數為定義一一有效效分凝凝系數數考慮一一小段段寬度度為δδ幾乎乎粘滯滯的融融體層層，層層內只只有因因拉出出需要要補充充融體體而產生生的流流動。。層外外參雜雜濃度度為常常數Cl，層內內參雜雜濃度度可用用第3章的的連續續性方程程式來來表示示。在在穩態態式，，右邊邊第二二項、、第三三項是是有意意義的的(C代替替np，v代替替μnE)解為第一個個邊界界條件件是在在x＝＝0時時，C＝Cl(0)；第第二個個邊界界條件件式所所有摻摻雜總總數守恒，，即流流經界界面的的摻雜雜流量量和必必須等等于零零。考考慮摻摻雜原原子在在融體體中的的擴散（忽忽略在在固體體中的的擴散散），，可以以得到到將邊界界條件件代入入且在x＝δδ時時C＝＝Cl，可以以得到到因此在晶體體內的的均勻勻摻雜雜分布布（ke→1）），可可由高高的拉拉晶速速率和和低的的旋轉轉速率率獲得。。另外外一種種獲得得均勻勻分布布的方方法是是持續續不斷斷的加加入高高純度度的多多晶硅硅于融體體中，，使初初始的的摻雜雜濃度度維持持不變變。懸浮區區熔法法懸浮區區熔法法（float-zone））可以以生長長比一一般Cz法法生長長單晶晶所含含有的的更低低雜質濃濃度的的硅。。生長長的晶晶體主主要用用于高高電阻阻率材材料的的器件件，如如高功功率、、高壓等等器件件。雜質濃濃度為為C0，L是是熔融融帶沿沿著x方向向的長長度，，A是是晶棒棒的截截面積積，ρρd是硅的密密度，，S式式熔融融帶中中所存存在的的摻雜雜劑總總量。。當此此帶移移動距距離dx，，前進進端增加加的摻摻雜數數量為為C0ρdAdx，然然而從從再結結晶出出所移移除的的摻雜雜劑數數量為為ke(Sdx/L)，因因此有有：而且S0＝C0ρdAL是是當當帶帶的的前前進進端端形形成成時時的的摻摻雜雜劑劑數數量量。。從積積分分式式可可得得或因為為，，因因此此如果果需需要要的的是是摻摻雜雜而而非非提提純純時時，，摻摻雜雜劑劑引引入入第第一一個個熔熔區區中中S0＝ClAρρdL，，且初初始始濃濃度度C0小到到幾幾乎乎可可以以忽忽略略，，由由前前面面的的積積分分式式可可得得因為為，，從從上上式式可可得得因此此，，如如果果Kex/L很很小小，，則則除除了了在在最最后后凝凝固固的的尾尾端端外外，，Cs在整整個個距距離離中中幾幾乎乎維持持定定值值。。對某某些些開開關關器器件件而而言言，，如如高高壓壓可可控控硅硅。。必必須須用用到到大大面面積積芯芯片片，，對對均均與與度度要求求較較高高。。采采用用中中子子輻輻照照工工藝藝。。此過程中中部分硅硅嬗變成成為磷而而得到n型摻雜雜的硅砷化鎵晶晶體的生生長技術術－起始始材料砷化鎵的的起始材材料是以以物理特特性和化化學特性性均很純純的砷和和鎵元素素和合成成的多晶砷砷化鎵。。因為砷砷化鎵是是由兩種種材料所所組成，，所以它它的性質質和硅這這種單元素素材料有有極大的的不同。。可以用用“相圖圖”來描描述。不像硅可可以在熔熔點時有有相對較低的蒸蒸汽壓（（1412℃時時約為10-1Pa）），砷在在砷化鎵鎵的熔點（1240℃）時時有高出出許多的蒸汽汽壓。在在氣相中中砷以兩種主要要形式存存在：As2及As4。砷化鎵生生長工藝藝合成砷化化鎵通常常在真空空密閉的的石英管管系統中中進行，，此管有有2個溫溫度區。。高純度的砷砷放置在在石墨舟舟中加熱熱到601-620℃℃；而而高純度度的鎵放放置在另另一個石墨舟中中，加熱熱到稍高高于砷化化鎵熔點點（1240-1260℃℃）的溫溫度。此此情形下下，會形成成過多的的砷蒸汽汽壓，一一來會使使砷蒸汽汽壓輸送送到鎵的的熔融態態進而轉轉變成砷化鎵鎵。二來來可以防防止在爐爐管形成成的砷化化鎵再次次分解。。當熔融融態冷卻卻時，就可以以產生高高純度的的多晶砷砷化鎵。。有兩種技技術可以以生長砷砷化鎵：：Cz法法和布理理吉曼法法。Cz法與與硅生長長類似，，同時它它采用了了液體密密封技術術防止在在長晶時時融體產產生熱分解。一一般用液液體氧化化硼（B2O3）將融融體密封封起來。。氧化硼硼會溶解解二氧化化硅，所以以用石墨墨坩堝代代替凝硅硅土坩堝堝。在生長砷砷化鎵晶晶體時，，為了獲獲得所需需的摻雜雜濃度，，鎘和鋅鋅常被用用來作為為P型摻雜雜劑，而而硒、硅硅和銻用用來作n型摻雜雜劑。布理吉曼曼法左區帶保保持在610℃℃來維維持砷所所需的過過壓狀態態，而右右區帶溫溫度略高高于砷化化鎵熔點（（1240℃℃）。當當爐管向向右移動動時，融融體的一一端會冷冷卻，通通常在左左端放置晶晶仔以建建立特定定的晶體體生長方方向。融融體逐步步冷卻，，單晶開開始在固固-液界面生生長直到到當今砷砷化鎵生生長完成成。材料特性性－晶片片切割晶體生長長后，先先區晶仔仔和晶錠錠的尾端端。接著著磨光晶晶錠以便便確定晶晶片直徑徑。然后后，沿著著晶錠長長度方向向磨出一一個或數數個平面面。這些些平面標標示出晶錠的特特定晶體體方向和和材料的的導電形形態。主標志面面－最大的的面，用用于機械械定向器器去固定定晶片的的位置并并確定器器件和晶晶體的相相對方向向。次標志志面－較小小的面面，用用來標標識晶晶體的的方向向和導導電形形態。。磨光、、標識識后的的晶錠錠切割割。切切割決決定四四個晶晶片參參數：：表面方方向、、厚度度、傾斜度度和彎彎曲度度。切割后后，用用氧化化鋁和和甘油油的混混合液液研磨磨，一一般研研磨到到2μμm的的平坦坦度。。晶體特特性－－晶體體缺陷陷點缺陷陷－替替代、、填隙隙、空空位和和弗蘭蘭克爾爾缺陷陷。線缺陷陷，亦亦稱位位錯－－刃形形和螺螺旋。。面缺陷陷－孿孿晶和和晶粒粒間界界。反映孿孿晶旋轉孿孿晶小角度度晶界界體缺陷的固溶度引起的。材料特特性另外，，因固固溶度度造成成析出出的氧氧，可可利用用來吸吸雜。。吸雜雜－指指從晶晶片上上制造造器件件的區區域除除去有有害雜雜質或或缺陷陷的過過程。。當晶晶片受受高溫溫處理理，氧氧會從從表面面揮發發，造造成表表面附附近有有較低低的氧氧含量量，形形成了了無缺缺陷區區，用用于制制造器器件。。晶體外外延外延是是在單單晶上上生長長一層層同質質或異異質的的薄膜膜層。。襯底底晶片片可以以作為為晶體體籽晶，與與先前前描述述的單單晶生生長不不同在在于外外延生生長溫溫度低低于熔熔點許許多（（30~50%），，常見見的外外延工工藝有有：CVD和MBE。化學氣氣相沉沉積（（CVD））也稱稱為氣氣相外外延（（Vapor－－phaseepitaxy，，VPE））是通過過氣體體化合合物間間的化化學作作用而而形成成外延延層的的工藝藝，CVD工藝藝包括括常壓（APCVD）和和低壓壓（LPCVD）。。硅的CVD同時伴伴隨額額外的的競爭爭反應應在外延延生長長時，，摻雜雜劑和和四氯氯化硅硅是同同時加加入的的，氣氣態的的乙硼硼（B2H6））被用作作p型型摻雜雜劑，，而磷磷烷（（PH3））被用用作n型摻摻雜劑劑。氣氣態摻摻雜劑劑通常常用H2來稀稀釋，，以便便合理理控制制流量量而得得到所所需的的摻雜雜濃度度。砷化鎵鎵的CVDAs4是有有砷烷烷分解解而來來氯化鎵鎵是由由下來來反應應而來來反應物物和載載氣（（如H2））一起起被引引入反反應器器中，，而砷砷化鎵鎵的晶晶片一一般維維持在650℃℃到850℃的的范圍圍。必必須有有足夠夠的砷砷的過過蒸汽汽壓，，以防防止襯襯底和和生長層的的熱分分解。。金屬有有機物物氣相相沉積積（MOCVD），，是一一種以以熱分分解反反應為為基礎礎的氣氣相外外延法法，不不像傳傳統的的CVD，，MOCVD是是以其其先驅驅物的的化學學本質質來區區分。。次方方法對對不形形成穩穩定的的氫化化物或或鹵化化物但但在合合理的的氣壓壓下會會形成成穩定定金屬屬有機機物的的元素素提供供了一一個可可行之之道。。MOCVD已已經廣廣泛應應用在在生長長III-V族族和II-VI族化化合物物異質質外延延上。。分子束束外延延（MBE）是是在超超高真真空（（10-8Pa））一個個或多多個熱熱原子子或熱熱分子子束和和晶體體表面面反應應的外外延工工藝。。MBE能能夠非非常精精確地地控制制化學學組成成和參參雜濃濃度。。厚度度只有有原子子層量量級的的單晶晶多層層結果果可用用MBE制制作。。因此此，MBE法可可用來來精確確制作作半導導體異異質結結構，，其薄薄膜層層可從從幾分分之一一微米米到單單層