硅外延生长课件.ppt

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1、半导体材料第五章硅外延生长5.1外延生长概述外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜外延生长：在一定条件下，在单晶衬底上，生长一层合乎要求的单晶层的方法。生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）2外延生长分类根据外延层性质正外延：器件制作在外延层上反外延：器件制作在衬底上同质外延：外延层与衬底同种材料如Si/Si、GaAs/GaAs、GaP/GaP;异质外延：外延层与衬底不同材料如Si/Al2O3、GaS/Si、GaAlAs/GaAs；3根据外延生长方法：直接外延间接外延是用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得能量，直接迁移沉积在衬底表面

2、上完成外延生长.如真空淀积，溅射，升华等是利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义上称为化学气相淀积（chemicalvapordeposition,CVD）CVD生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。CVD设备简单，生长参数容易控制，重复性好，是目前硅外延生长的主要方法4根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同真空外延、气相外延、液相外延根据相变过程气相外延、液相外延、固相外延、对于硅外延，应用最广泛的是气相外延以SiH2Cl2、SiHCl3、Sicl4或SiH4,为反应气体,在一定的保护气氛下反应生成硅原子

3、并沉积在加热的衬底上，衬底材料一般选用Si、SiO2、Si3N4等液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里，降低温度析出硅膜。565.2硅的气相外延对外延片的质量要求：电阻率及其均匀性、厚度及其均匀性、位错和层错密度等。按照反应类型可分为氢气还原法和直接热分解法。氢还原法，利用氢气还原产生的硅在基片上进行外延生长。直接热分解法，利用热分解得到Si。5－2－1硅外延生长用的原料7气相外延法生长Si半导体膜所用原料气体、反应式、生长温度及所属反应类型8各种硅源优缺点：SiHCL3,SiCL4常温液体，外延生长温度高，但是生长速度快，易纯制，使用

4、安全。是较通用的硅源。SiH2CL2,SiH4常温气体，SiH2CL2使用方便，反应温度低,应用越来越广。SiH4反应温度低，无腐蚀性气体，但是会因漏气产生外延缺陷。9四部分组成：氢气净化系统、气体输运及净化系统、加热设备和反应室根据反应室的结构，由水平式和立式，后者又分为平板式和桶式加热反应器，提高温度，有利于硅的淀积，加热方式有高频感应加热和红外辐射加热。5－2－2硅外延生长设备105-2-3外延工艺顺序把干净的硅片装入反应室吹入惰性气体并充入氢气（LPVCD：抽真空）加热到氢气烘烤温度（1200℃）以除去氧化层（该步骤能去除50-100A的S

5、iO2层）a)加热到HCl刻蚀温度；b)引入无水HCl(或SF6)以刻蚀表面的硅层；c)吹气以除去系统中的杂质和HCla)冷却到沉积温度；b)引入硅原料和掺杂剂以沉积所要的薄膜；c)吹入氢气以去除硅原料和掺杂剂冷却到室温吹走氢气并重新充入氮气取出硅片11原理：SiCl4+2H2Si+4HCl5-2-4硅外延生长的基本原理和影响因素以SiCl4为例12生长过程：131.SiCl4浓度对生长速率的影响随着浓度增加,生长速率先增大后减小.142.温度对生长速率的影响温度较低时,生长速率随温度升高呈指数规律上升较高温度区,生长速率随温度变化较平缓.153

6、.气流速度对生长速率的影响生长速率与总氢气流速的平方根成正比4.衬底晶向的影响生长速率<100>><110>><111>165-2-5硅外延生长动力学过程两个模型:气-固表面复相化学反应模型,气相均质反应模型17边界层：P110在接近基座表面的流体中出现一个流体速度受到干扰而变化的薄层，而在薄层外的流速不受影响，称此薄层为边界层，也叫附面层，停滞层，滞流层。边界层厚度与流速平方根成反比气-固表面复相化学反应模型18此模型认为硅外延生长包括下列步骤:1.反应物气体混合向反应区输运2.反应物穿过边界层向衬底表面迁移3.反应物分子被吸附在高温衬底表面上4

7、.在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体的原子和气体副产物，原子进入晶格格点位置形成晶格点阵，实现晶体生长5.副产物气体从表面脱附并穿过边界层向主气流中扩散6.气体副产物和未反应的反应物，离开反应区被排出系统19气相均质反应模型这个模型认为：外延生长反应不是在固－气界面上，而是在距衬底表面几微米的空间中发生。反应生成的原子或原子团再转移到衬底表面上完成晶体生长。205－3硅外延层电阻率的控制不同器件对外延层的电参数要求是不同的，这就需要在外延生长过程中，精确控制外延层中的杂质浓度和分布来解决215－3－1外延层中的杂质及掺杂1.外延层中的杂质外延层中

8、杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为：N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统N衬底：衬底中挥发出来的杂质