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    氣體在半導體外延中起到的作用
    來源: | 作者:Shmair | 發布時間: 2017-03-12 | 438 次瀏覽 | 分享到:


    外延生長實際上主要是一個化學反應過程。硅外延生長使用的主要氣源是氫氣和氯硅烷類,如四氯化硅(SiCl4)、三氯甲硅烷(SiHCl3)和二氯甲硅烷(SiH2Cl2)。另外,為了降低生長溫度,也經常使用硅烷作為氣源。選擇使用哪種氣源主要由生長條件和外延層的規格來決定的,其中生長溫度是選擇氣源種類時要考慮的最重要因素。硅外延層生長速度和生長溫度的關系。圖中顯示了兩個明顯不同的生長區域,在低溫區(區域A),硅外延層的生長速度和溫度成指數關系,表明它們受表面反應控制;而在高溫區(區域B),其生長速度和溫度幾乎沒有直接的關系,表明它們受質量輸運或者擴散的控制。需要著重指出的是,在低溫條件下生長的硅薄膜為多晶層。硅外延層的形成溫度在每條曲線的轉折點以上,轉折點的溫度隨著反應物的摩爾比、氣流速度以及反應爐的種類變化而變化。從這張圖中可以推斷出:當以SiH4為氣源時,硅外延層的形成溫度大約在900℃,而以SiCl4為氣源時,硅外延層的形成溫度大約在1 100℃

     

     需要注意的是還原和腐蝕過程是相互競爭的,這主要決定于反應物的摩爾比和生長溫度。在大氣壓下,以SiCl4H2為反應物并在總壓強為1.01×l05Pa1大氣壓)的情況下,腐蝕和沉積的分界線與生長溫度和SiCl4分壓的關系。另外的研究也給出了以SiCl4H2為硅外延的反應物時,生長速度和溫度的關系,如圖2.2-31表示。從圖中可以看出在低溫和高溫下發生的是腐蝕過程。因此在這種情況下,外延溫度通常選在1 1001300℃。為了得到了較厚的外延層,通常會選擇SiHCl3作為氣源,主要是因為它的沉積速度比SiCl4的快。

     

    SiCl4作為外延氣源時所涉及的化學反應不同,采用SiH4氣源時的熱分解反應是不可逆的,其過程可以用、和其他任何氯硅烷相比,硅烷的主要優點是在相對較低的溫度下可以得到硅外延層。但是由于硅烷的同質反應,很難避免硅的氣相成核。因此在生長過程中將會形成硅顆粒,從而導致粗糙的表面形貌甚至是多晶生長。這個問題可以通過控制生長溫度或者在低壓生長而得到解決。硅烷是一種易于氧化和爆炸的氣體,因此在傳統的硅外延中,它不被經常使用。而且,在以硅烷為氣源的生長過程中不存在HCl,因此不存在腐蝕這道工藝過程,從而導致外延層中含有更高濃度的金屬雜質。因此,在使用硅烷作為外延氣源時,需要采取非常仔細的預清洗工藝。

     


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