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气体在半导体外延中起到的作用
来源: | 作者:Shmair | 发布时间: 2017-03-12 | 679 次浏览 | 分享到:


外延生长实际上主要是一个化学反应过程。硅外延生长使用的主要气源是氢气和氯硅烷类,如四氯化硅(SiCl4)、三氯甲硅烷(SiHCl3)和二氯甲硅烷(SiH2Cl2)。另外,为了降低生长温度,也经常使用硅烷作为气源。选择使用哪种气源主要由生长条件和外延层的规格来决定的,其中生长温度是选择气源种类时要考虑的最重要因素。硅外延层生长速度和生长温度的关系。图中显示了两个明显不同的生长区域,在低温区(区域A),硅外延层的生长速度和温度成指数关系,表明它们受表面反应控制;而在高温区(区域B),其生长速度和温度几乎没有直接的关系,表明它们受质量输运或者扩散的控制。需要着重指出的是,在低温条件下生长的硅薄膜为多晶层。硅外延层的形成温度在每条曲线的转折点以上,转折点的温度随着反应物的摩尔比、气流速度以及反应炉的种类变化而变化。从这张图中可以推断出:当以SiH4为气源时,硅外延层的形成温度大约在900℃,而以SiCl4为气源时,硅外延层的形成温度大约在1 100℃

 

 需要注意的是还原和腐蚀过程是相互竞争的,这主要决定于反应物的摩尔比和生长温度。在大气压下,以SiCl4H2为反应物并在总压强为1.01×l05Pa1大气压)的情况下,腐蚀和沉积的分界线与生长温度和SiCl4分压的关系。另外的研究也给出了以SiCl4H2为硅外延的反应物时,生长速度和温度的关系,如图2.2-31表示。从图中可以看出在低温和高温下发生的是腐蚀过程。因此在这种情况下,外延温度通常选在1 1001300℃。为了得到了较厚的外延层,通常会选择SiHCl3作为气源,主要是因为它的沉积速度比SiCl4的快。

 

SiCl4作为外延气源时所涉及的化学反应不同,采用SiH4气源时的热分解反应是不可逆的,其过程可以用、和其他任何氯硅烷相比,硅烷的主要优点是在相对较低的温度下可以得到硅外延层。但是由于硅烷的同质反应,很难避免硅的气相成核。因此在生长过程中将会形成硅颗粒,从而导致粗糙的表面形貌甚至是多晶生长。这个问题可以通过控制生长温度或者在低压生长而得到解决。硅烷是一种易于氧化和爆炸的气体,因此在传统的硅外延中,它不被经常使用。而且,在以硅烷为气源的生长过程中不存在HCl,因此不存在腐蚀这道工艺过程,从而导致外延层中含有更高浓度的金属杂质。因此,在使用硅烷作为外延气源时,需要采取非常仔细的预清洗工艺。