《外延片的制备》PPT课件

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1、第四章外延片的制备4.1硅外延工艺概述定义:外延(epitaxy)是在一定条件下，在一片表面经过细致加工的单晶衬底上，沿其原来的结晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格结构完整性都符合要求的新单晶层的过程。新生单晶层按衬底晶相延伸生长，并称此为外延层。长了外延层的衬底称为外延片。同质外延：生长的外延层与衬底材料相同异质外延：外延层在结构、性质上与衬底材料不同外延分类:气相外延(VPE)－－常用液相外延(LPE)－－ⅢⅤ固相外延(SPE)－－熔融在结晶分子束外延(MBE)－－超薄4.2外延生长动力学原理外延时，通入含有一定硅源的氢气流，并流经

2、被高频感应加热的硅片表面，当条件适当时便会在其上外延成膜.硅外延反应器4.2.1一般过程H2还原SiCl4法的化学反应式为：在生长表面得到游离态的Si原子，析出的Si原子在高温下携带大量的热能，便沿着表面滑动（扩散）到适当位置，按照一定的晶向加接到晶格点阵上，并释放能量，固定成为晶格点阵的新成员。外延生长包括下列连续步骤：1.反应剂质量从气相转移到生长层表面2.反应剂分子被吸附在生长层表面3.在生长层表面进行化学反应，得到Si原子和其他副产物4.副产物分子脱离生长层表面的吸附5.解吸的副产物从生长表面转移到气相，随主流气体逸出反应室6.Si原子加接

3、到晶格点阵上其中1和5为物理扩散过程，2和4为吸附和解吸过程，3为表面化学反应过程在开管外延中，系统维持在较高的常压（0.1MPa）状态，俗称常压外延。吸附和解吸的速度相当快，因此，混合气氛中各组分在样品表面的吸附状况可看作一定。这时，外延层的生长速率将主要取决于质量传输和表面化学反应。在低于一个大气压系统中进行的外延生长，称为低压外延。在这种情况下生长速率主要受混合气氛中各组分在样品表面的吸附及其表面化学反应控制。4.2.2生长动力学假设：反应器空间和基座的几何尺度比较起来可视为无限大，且温度均匀。既可以忽略反应器壁的边界效应，又可以认为反应室内

4、气体的性质（如密度、扩散系数等）处处是一样的。速度附面层：在接近基座表面的一薄层流体中，速度有较大的变化，把这个速度分布受到扰动的区域称为速度附面层自由流体：速度附面层区域以外的流体滞流层：因附面层里流体的速度滞慢于其外面的自由流体，故常将速度附面层称为滞流层从附面层到其外流动区域速度的分布是连续变化的，如图，通常把附面层的厚度规定为：在该处的流速已到达自由流体流速U0的99%，其中U表示流体的流速。在气体—生长层界面上的反应剂浓度和外延生长速率为：4.2.3生长速率讨论表面反应控制当时，化学反应进行得慢，反应剂可以充分供给，因此在附面层中反应剂

5、浓度几乎是分布均匀的；外延生长速率主要取决于表面化学反应进行得快慢，所以质量转移控制当时，在外延层表面上的化学反应进行得相当快，凡是转移到表面上的反应剂分子瞬间就可以变成硅，因此表面上的反应剂几乎为零，外延生长速率主要取决于反应剂由气相转移到生长表面的快慢，所以4.3影响外延生长速率的因数反应剂浓度:为兼顾结晶的完美性和其他要求，反应剂浓度不宜太大。温度：B区高温区（常选用），A区低温区较高温度下，速率与温度的关系不明显。较低温度下，速率随绝对温度的增加呈指数急增。气体流速:气体流速大生长加快流量较小时，生长速率与流量的平方根成正比生长速率还与反应

6、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，生长速率越慢。4.4系统与工艺流程系统示意图工艺流程a.把干净的硅片装入反应室2-4minb.N2预冲洗260L/min4minc.H2预冲洗260L/min5min（吹入惰性气体并充入氢气，如使用低压外延也需抽真空）d.升温1850ºC5mine.升温21170ºC5min（加热到氢气烘烤温度，以去除氧化层，该步骤能去除50-100埃的二氧化硅层）f.HCl腐蚀10L/min10min（刻蚀表面的硅层）g.HCl排空1.3L/min1min（吹气去除系统中的掺杂剂和HC

7、l）h.冷却到淀积的温度，引入硅原料和掺杂剂以淀积所要的薄膜10minh.H2冲洗260L/min1min（去除硅原料和掺杂剂）i.降温6min（冷却到室温）j.N2冲洗3-5min（吹走氢气）k.取出硅片4.5外延中的掺杂及其杂质再分布4.5.1掺杂原理外延层中的杂质原子是在外延生长时加入到晶格点阵中去的。因而掺杂的动力学原理和外延生长相似。最终的杂质浓度将涉及反应剂和掺杂剂两者的化学动力学性质以及温度，气流等多种因素。4.5.2掺杂剂氢化物:PH3，AsH3，B2H6氯化物:POCl3，AsCl3和硅外延生长相似，混合气氛中的掺杂剂通过扩散向生

8、长表面输运，在表面附近PH3被分解出游离态的磷原子，化学反应方程式为析出来的磷原子加入到硅晶体的晶格点阵，并离化成带正电的