硅工艺 第七章-外延

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硅片上外延生长硅
优点:
晶体结构良好、性能优越
掺入的杂质浓度易控制
可形成接近突变p—n结(不存在杂质相互补偿)
外延分类:气相外延(VPE)--常用,一般高温:1050~1250℃
液相外延(LPE)--Ⅲ Ⅴ
.
固相外延(SPE)--熔融再结晶
. 主要作用:(1)避免闩锁效应,减小漏电流;
(2)避免硅中SiOx的沉积;
气体入口
气体入口
RF 加热
排气
RF加热
排气
排气
卧式反应炉
立式反应炉
桶式反应炉
气源:四氯化硅(SiCl4)-传统外延;三氯氢硅(SiHCl3)、二氯氢硅 (SiH2Cl2)和硅烷等)-薄、低温外延。
以工业中应用较广泛的氢还原四氯化硅体系来说明硅气相 外延的物理化学原理。氢气为还原剂、运载和稀释气体,在高 温下四氯化硅被氢还原析出硅,其化学反应式为:
当SiCl4的浓度Y 较低时,SiCl4与H2的 反应起主导作用,外 延层不断增厚;随着 Y增加,SiCl4与Si的 反应作用逐步加强; 当Y>0.28时,腐蚀Si 的反应为主,此时, 不仅停止外延生长, 且会使硅衬底受腐蚀 而减薄。
工业上典型的生长条件为:Y=0.005-0.01,相应的生长速度V=0.5-1μm/min
SiCl4(气)+2H2(气)====Si(固)+4HCl(气)
实际的过程比上式复杂。
氢还原反应
SiCl4 2H2 1000 CSi 4HCl
SiCl4 Si(固) 2SiCl2
硅烷热分解
SiH4 600 CSi 2H2
在气相中可能存在着如下几种中间反应(可逆) SiCl4+H2====SiCl3+HCl SiCl4+H2====SiCl2+2HCl SiHCl3+H2====SiH2Cl2+HCl SiHCl3 ====SiCl2+HCl SiH2Cl2 ====SiCl2+H2
(3)硅表面更光滑、损伤最小;
根据材料的异同分为: 同质外延 Si-Si(硅衬底上外延硅) 异质外延 Al2O3-Si(如:硅上外延砷化镓、蓝宝石上外
延硅)
根据温度的高低分为: 高温外延(>1000℃) 低温外延(<1000℃)
授课内容
§7.1 硅汽相外延原理 §7.2 外延层中杂质的分布 §7.3 低压外延 §7.4 选择性外延 §7.5 SOS技术 §7.6 分子束外延 §7.7 外延层中的缺陷与检测 §7.8 外延层参数的测量
化学气相外延生长是一个多相过程: ①反应剂质量从气相转移到生长层表面; ②反应剂分子被吸附在生长层表面; ③在生长层表面进行化学反应,得到硅原子和其他副产物; ④副产物分子脱离生长层表面的吸附(解吸); ⑤解吸的副产物从生长表面转移到气相,随主气流逸出; ⑥硅原子加接到晶格上。
其中①和⑤是物理扩散过程;②和④是吸附及解吸过程,③是表面化学 反应过程, 因此,外延层的生长速度既涉及在固体表面的化学反应动力学,又 与吸附(解吸)和扩散动力学有关, 较慢者控制着外延生长速度。
一般在高温下,采用中、低 速生长,极限生长速度(极限生 长温度) 还与衬底的表面势有关。 影响表面势的因素:衬底取向、 表面光洁度和清洁等。外延生 长的温度也不宜太高。
7.1.2 化学反应过程
外延的物理化学原理: 化学气相硅外延通常在图3-1所示的卧式或立式反
应器中进行。外延时,通入含有一定硅源蒸气(如四氯化硅(SiCl4)、三氯氢硅 (SiHCl3)、二氯氢硅(SiH2Cl2)和硅烷等)的氢气流,并流经被高频感应或红外 灯加热的硅片表面,当条件适当时便会在其上外延成膜。
第七章 外延
教师: 潘国峰 E-mail: pgf@hebut.edu.cn
河北工业大学微电子研究所
概述
定义:外延(epitaxy)是在单晶衬底上、按衬底晶向生长一 层单晶膜的技术。 新生的单晶层按衬底晶相延伸生长,并Baidu Nhomakorabea之为外延层。 长了外延层的衬底称为外延片。
外延是20世纪60年代发展起来的一种制备单晶薄膜的技术。它是在 低于晶体熔点的温度下,在一片表面经过精细加工的单晶衬底上,沿其 原来的结晶轴方向,生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整 性都符合要求的新单晶层的过程。 外延为器件设计者在优化器件性能方面提供了很大的灵活性,例如 可以控制外延层厚度、掺杂浓度、轮廓,而这些因素是与硅片衬底无关 的。外延层还可以减少CMOS器件的闩锁效应。 IC制造中最普通的是高温CVD系统。
硅的析出是上述反应得到的SiCl2吸附于衬底表面,经下列可 逆反应生成的:
2SiCl2====Si(固)+SiCl4 SiCl2+H2====Si(固)+2HCl
生成的SiCl4解吸后进入主气流,并再次被还原。上述反应 全部可逆。
7.1.3 生长速率
影响外延生长速率的主要因素:
(1)反应剂浓度
§ 7.1 硅气相外延工艺原理
7.1.1 外延生长模型
在生长表面得到游离状态的硅原子析出的硅原子在高温下携带有大量 的热能,沿着表面滑动(扩散)并聚集成群,一旦群体的分子数超过某一临 界值便开始结晶(即形成晶核),放出潜热而在衬底表面固定下来,随后的 硅原子就直接到晶核的弯折处,使晶核不断扩展而发展成一个完整的新 晶面。
(3)气体流速 :气体流速大生长加快
界面层的厚度 h x / V 1/ 2
在开管外延中,常压下(±0.1MPa)时,吸附与解吸速度快,生长速
度取决于质量传输与表面化学反应;低压时,生长速度受样品表面各组分 的吸附(解吸)和固体表面的化学反应控制。
常压气相外延的生长速度主 要由硅源浓度决定,而与温度关 系不大。外延层的晶体质量与 衬底温度和生长速度都有很密 切的关系。硅烷外延系统获得 单晶与多晶的临界生长速度和 生长时绝对温度的倒数成负指 数关系。
(2)温度:B区高温区(常选用),A区低温区
1、生长速率依赖于所用硅源,SiH4> SiH2Cl2> SiHCl3>SiCl4 2、两个温区: B区-生长速率由气相质量转移控制,生长速率随反应剂 分压近似成线性增长,并对反应室的形状和气流敏感。
A区-表面化学反应控制,过渡温度与源的摩尔分数;淀 积系统类型;气体流速;气源的选用等有关
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