固相外延

固相外延，是指半導體單晶上的非晶層在低於該材料的熔點或共晶點溫度下外延再結晶的過程。

基本介紹

• 中文名：固相外延
• 外文名：solid phase epitaxy
• 性質：一種半導體薄膜材料製備方法
• 生長方式：非晶層直接與單晶襯底相接觸
• 其他方法：碳化物夾在非晶層和單晶矽襯底間
• 薄膜生長方法：直接離子注入法

過程構造

用於此類固相外延過程的構造，一般是由半導體襯底和沉積在它上面的金屬薄層(-1000～5000埃)組成，例如，沉積在單晶Ge襯底上的薄Al層(-1000埃)。如果薄膜的沉積是在加溫襯底上進行，但溫度低於所有共晶體溶化溫度時，就將發生半導體溶化在金屬中的過程，直到達到其溶解度極限為止。然後慢慢地冷卻沉積結構，以促進被溶解原子在襯底上的析出和生長。這樣形成的外延層將把一些金屬原子溶入到再生長層中。通過適當地選用金屬層，再生長的半導體層將被合適的摻雜物所摻雜，例如在Al-晶態Ge情況時，其外延生長層就成為Al原子摻雜的p-型層。

這類SPE過程更普遍的構成，是在金屬層的上面再沉積一層非晶態結構半導體，因而這時的沉積結構是半導體(非晶態)-金屬-半導體(晶態)，例如Ge(非晶)-Al-Ge(晶態)系統。這個構造在進行退火工藝流程時，其非晶態半導體由於它的自由能較高，而趨向於溶解和穿過金屬層擴散，並在襯底上以外延生長方式結晶化。套用這種結構的優點是外延層的厚度，實質上只取決於沉積的非晶態半導體層的厚度。

諸如Ge和Si這樣的半導體的表面上，通常都有自然氧化的氧化物薄層。這些氧化物層的存在，妨礙了半導體和金屬層之間均勻的相互作用。其結果是生長層可能具有孤島結構，而不是遍布襯底表面的、均勻而連續的外延層。為了促使界面上半導體和金屬之間進行均勻的相互作用，常常利用那些在低溫時很容易和半導體起反應，而不受自然形成的氧化物層影響的金屬作為傳輸媒介質，例如Si(非晶)-Pd-Si(晶態)系統中的Pd。在此情況時，在退火工藝的起始低溫階段中，金屬和半導體之間首先形成化合物，以達到“清潔”表面的條件。然後在繼續進行的退火過程中，化合物層起著傳輸媒介質的作用。對於這類SPE樣品來說，顯然，包含著比較複雜的傳輸機理。

工藝優點

固相外延工藝的主要優點之一是生長溫度較低(≈500℃)。由於這個低溫的優點，才使得固相外延在半導體和太陽能電池等技術領域中具有吸引力和潛在的實用性。這些低溫工藝可以排除通常伴隨高溫工藝而生的問題，例如自動摻雜現象，以及摻雜分布剖面的改變。而且固相外延生長和光刻技術是完全相容的。在傳輸之後，局限在外延層表面上的金屬(或化合物)，一般和外延層形成良好的歐姆接觸。

工藝特點

固相外延工藝是一種直接法外延技術，它的特點是①生長溫度低(500℃左右)；②與光刻技術完全相容；③在外延層表面上，金屬與外延層具有良好的歐姆接觸；④可以實現形狀和面積一定的外延層；⑤外延層很薄，厚度可控制。固相外延分兩類：一類需要介質，如一層金屬或化合物的介入，一類不需要介質的介入，如將離子注入造成的非晶半導體層有序化，再結晶。

有介質的固相外延

需要介質介入的固相外延生長實質上是固體從固溶體中沉積出來的過程。這種過程通常只發生在介質和半導體的界面上。這類外延有兩種：

①在半導體襯底上， 先澱積上一層金屬薄膜(約幾千埃)，再加熱到一定的溫度(低於襯底片半導體和澱積金屬的合金溫度)，這時半導體將向金屬中溶解，到達溶解極限後，開始緩慢降溫，於是溶解的原子重新在襯底片上沉積和生長，形成外延層。這樣形成的外延層將含有一定量澱積金屬的原子，適當選擇澱積金屬層，可以得到具有一定摻雜的外延層。

②在上述金屬薄膜上，再澱積一層非晶矽，使具有非晶矽-金屬-矽結構。將這種合成結構進行退火處理，當加熱到一定的溫度時，非晶矽因具有較高的自由能，開始向金屬中溶解， 並通過金屬向襯底擴散。當矽原子擴散到達襯底表面時，就在襯底表面上結晶生長，形成外延層。這裡，金屬層的作用既是溶劑又是輸運介質。採用這種結構的特點是：外延層的厚度基本上由澱積的非晶矽層決定。