项目三 硅化学气相外延

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1、项目三硅化学气相外延任务一、CVD概况外延：在单晶基片上生长一层单晶薄膜的过程。它是60年代初逐渐发展起来的，它解决了分立元件和集成电路中的许多问题。硅单晶经切、磨、抛等加工，得到抛光片就可以在其上制作分立元件和集成电路。但在许多场合这种抛光片仅作为机械支撑的基片，在它上面首先生长一层适当的导电类型和电阻率的单晶薄膜，然后才把分立元件或集成电路制作在单晶薄膜内。晶体管的集电极的击穿电压决定于硅片PN极的电阻率，击穿电压高需用高阻材料。必要的机械强度芯片数百微米串联电阻大。n型重掺的n+材料上（低阻）外延几个到十几个微米

2、厚的轻掺杂的n型层（高阻），晶体管作在外延层上，就解决了高击穿电压所要求的高电阻率与低集成电极串联电阻所要求的低衬底电阻率之间的矛盾。硅的气相外延：（1）气化生长，分子束外延，专门有一章介绍。（2）化学气相外延CVD，这一章重点介绍。二、CVD包括：热化学反应，等离子增强和光能增强CVD，容易工业化：获得所需的掺杂类型和外延厚度，是很通用技术，不断发展，不断完善的技术。CVD法既简单又复杂。简单：设备简单，真空室，衬底，气体。复杂：（1）在化学反应中通常包括多成分物质（2）在化学反应中可以产生某些中间产物（3）在化学反

3、应中有许多独立变量（温度，压强，气体流速）（4）淀积工艺有许多连贯步骤A、要分析这些问题：热力学分析化学反应类型，各种气体平衡分压分析，硅在气相的溶解度。41B、反应气体由气相到衬底表面的质量输运，气流与衬底表面的边界层概念。生长成核，异质成核，表面反应，表面扩散，迁移。C、CVD的反应器的发展与进步高质量，低成本外延层。D、外延层的表面形态，晶格缺陷，外延层掺杂剂分布的控制，外延层的厚薄及均匀性直接影响器件性能及成品率。CVD外延可能的优点：第一：外延片常有一个或多个埋层。即用扩散或离子注入控制器件结构的掺杂分布；第

4、二：外延层的物理特性与体材料不同。外延层一般不含氧和碳，或氧和碳含量不会比衬底太高。但外延层的自掺杂，限制了硅外延的电阻率。二、化学气相淀积：硅外延的化学气相淀积可分为三个基本类型：（1）歧化反应，（2）还原反应，（3）高温分解反应。（1）歧化反应生长外延生长发生在低温、低压和近平衡条件下。低温低压外延，由重掺杂衬底到轻掺杂层之间可获得陡峭的掺杂过渡区，近平衡生长（后面介绍）防止了硅衬底外来的成核作用。对硅的选择生长是理想的。但该技术的缺点是需要使用一种密闭系统，为了把掺杂剂引入生长系统，而打开密管是不行的。因此，这项

5、技术未能广泛用在工业生产中。（2）氯硅烷还原法特点：吸热反应，因此反应需要在高温下进行，同时反应是可逆的。可逆程度随SiClX中Cl的X增加而增强，H2一向被用做还原剂和载气。A、（1）高温反应及高质量，（2）可逆（3）SiCl4常温下是液体，由H2作为载体，由气泡法把SiCl441反应室，（温度和压力决定了它们的体积比，要维持稳定的生长速率，体积比必须保持恒定、恒温。B、外延，生产多晶硅，反应机理是一样的。外延用的各种硅源气体的性质性质SiCl4SiHCl3SiH2Cl2SiH4常温常压下的形态液体液体气体气体沸点（

6、C）57.131.78.2-112分子量169.9135.5101.032.1源中含硅量（重量%）16.520.727.887.5最佳生长温度（C）1150-12001100-11501050-11501000-1100最大生长速率(m/min)3-55-1010-155-10在空气中的性质发烟,氯气味发烟,氯气味自燃,氯气味自燃高温热分解小小中大外延气氛中的允许含量(ppm)5-105-1052目前以SiCl4源应用最广。对亚微米外延，急需降低淀积温度，必须选择合适的生长源。（1）高速、低温观点：硅烷比其他源好。表面

7、限制生长（后面解释），容易产生缺陷，硅烷是亚微米、无缺陷外延的理想源。（2）SiH2Cl2的反应有副产物HCl，可去除金属杂质（Fe+），这对器件性能有益的。（3）极少量空气参与会在SiH4中会产生SiO2微粒，这对器件不利。表1硅烷和氯硅烷的沸点与熔点化合物相沸点（C）熔点（C）SiH4气-112-185SiH2Cl2气8.3-122SiHCl3液31.8-127SiCl4液57.6-6841维持硅源气体与氢气恒定比例的方法方块示意图n=PV/RT必须维持一个恒定的温度。硅源气对氢气的体积比（SiCl4:H2体积比）

8、监控硅源液体温度P/T=恒定调节氢气鼓泡器内的压力n恒定由温度与压力之间的失配到控制以及在失配期间生长速率的变化可控制在<2%。SiH2Cl2(气)Si(固)+2HCl(气)（3）高温热分解SiH4(气)Si(固)+2H2(气)SiH4(气)Si+H+SiH4Si+H2SiH2Si+H+SiHSi+H+H++H+H2A：反应不可逆