ch3 薄膜成形工艺 - 外延.ppt

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1、第三章、薄膜成形工艺－－外延工艺定义:外延(epitaxy=Epi+taxis)是在单晶衬底上、合适的条件下沿衬底原来的结晶轴向生长一层晶格结构完整的新的单晶层的制膜技术。新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。外延分类：气相外延(VPE)－－常用液相外延(LPE)－－ⅢⅤ固相外延(SPE)－－熔融再结晶分子束外延(MBE)－－超薄化学外延方法（CVD）若外延层与衬底材料在结构性质上相似，则称同质外延。若两材料在结构和性质上不同，则称为异质外延。与CVD相比，外延特点晶体结构良好掺入的杂质浓度易控制可形成接近突变p-n结温度偏高外延高温1000℃以上CVD低温

2、1000℃以下，多（非）晶)气相外延生长的热动力学Deal模型是半定量模型，它将生长过程大量简化外延过程十分复杂的，有许多化学反应，有许多中间产品：SiCl2，SiCl4，Si等粒子，堆积时会影响生长速度；气体也不是单纯的气体，有些气体(如Cl）是会腐蚀硅片的。反应中淀积与腐蚀始终同时存在，故可以把整个过程分成几个连续步骤，以便建立生长过程的精确模型N:总的硅原子密度/所生长的硅原子数Deal模型：淀积粒子流量与生长所消耗的反应剂流量相等hg是质量传输系数，取决于腔中的气流量；ks是表面反应速率；Cg，Cs分别是气流及固态中的反应剂浓度。反应生长速率R：Ks>>hg时,R由质量传输系数决定K

3、s<

4、。大量采用硅氯化合物：SiCl4，SiHCl2，SiHCl3。反应的主要气体组分是H2，HCl，生长温度下主要反应剂是SiCl2。一个大气压下，Cl对H比例为0.06时，Si－Cl－H系统的平衡分压气相外延平衡分压气相外延生长速率生长速率对SiCl4流量的函数。腔体中的Cl浓度高时出现蚀刻SiCl4浓度的饱和度的估算定义σ为生长气氛的超饱和度：Psi和PCl分别是硅、氯的分压。超饱和度等于进气分压比减去平衡分压比；如为正，为外延生长，为负，为系统不饱和，发生刻蚀。饱和度成为生长工艺的重要近似描述根据进气中的Si/H比，可查出平衡比率。SiCl4浓度的饱和度的估算例子外延生长使用SiCl4，生

5、长温度1270度，SiCl4/H2＝0.05/0.95。计算饱和度，并确定是刻蚀还是外延生长状态？（对所有生长，进气中Si/Cl都是0.25）解：1、使用SiCl4，进气中Si/Cl比为0.25,T=1270+273=1543K,由0.05求Cl/H＝0.05×4/0.95×2=0.112、由0.11查图得：(Psi/PCl)eq=0.143、生长气氛的超饱和度SiCl4/H2[Si/Cl]feed[Cl/H]feed[Si/Cl]eqơ生长速率(um/min)0.050.250.110.14+0.11+3.70.100.250.220.21+0.04+5.00.200.250.500.24

6、+0.01+2.10.300.250.860.28-0.03-0.6表：气体浓度、平衡比、超饱和度硅气相外延工艺1、外延原理：硅外延的化学反应主要是两个，一个是氢还原反应，一个是硅烷热分解，目的都是获取Si氢还原反应四氯硅烷热分解生长速率影响外延生长速率的主要因素(1)反应剂浓度生长速率与反应剂浓度的关系当SiCl4浓度Y较低时，SiCl4与H2反应起主导作用，外延层不断增厚；随着Y增加，SiCl4与Si的反应作用逐渐加强；当Y>0.28时，此腐蚀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变薄工业上典型的生长条件是Y=0.005~0.01，相应的生长速度V=0.5~1um/m

7、in(2)温度B区高温区（常选用），A区低温区(3)气体流速气体流速增大，生长加快(3)生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有关矩形腔的均匀性较圆形腔好。晶面间的共价键数目越多，生长速度越慢系统与工艺流程系统示意图N2，H2预冲洗，HCL腐蚀用气体，PH3提供氢气基座的HCl腐蚀去硅程序(去除前次外延后基座上的硅)N2预冲洗，260L/min，4minH2预冲洗，260L/min，5min升温1，850度，