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1、实验一 硅单晶(或多晶)薄膜的沉积硅（Si）单晶薄膜是利用气相外延(VPE)技术，在一块单晶 Si 衬底上沿其原来的结晶轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格完整性都符合要求的新单晶层，层厚一般为几到几十 urn。外延工艺的采用，有效地解决了在制备高频大功率晶体管和高速开关晶体管时击穿电压和集电极串联电阻对材料电阻率要求的矛盾，从而提高了器件与电路的性能。多晶 Si 薄膜是利用化学气相沉积（CVD ）工艺，在各种衬底材料，如 Si，SO 2 和玻璃片衬底上，由无数微小晶粒作无规则堆积而成的薄膜。多晶 Si 薄膜可作为金属一氧化物一半导体（MOS）器件的栅电极，重掺杂多晶 Si 薄膜可作为
2、双极晶体管的发射极。近年，随着半导体材料、器件和集成电路的发展，又出现了许多新的薄膜生长工艺，如液相外延，固相外延、热壁外延（HBE） 、分子束外延（MBE） 、金属有机化学气相沉积（MO CVD）等，这些工艺为半导体薄膜与超薄膜的生长奠定了良好技术基础。在本实验中，我们仅介绍利用气相外延技术，在 Si 单晶衬底上生长高阻 Si 单晶外延层和利用化学气相沉积工艺在 SiO2 衬底上制备多晶 Si 薄膜的工艺原理与操作方法。一、实验目的1、掌握 Si 单晶或多晶薄膜生长的基本原理2熟悉 Si 单晶或多晶薄膜生长的工艺操作规程二、外延生长系统在硅外延生长中普遍使用图 1 所示的卧式反应器。此外还有
3、立式反应器。不论用哪种反应器，外延时都是使含有一定浓度的气态硅化物如四氯化硅(SiCl 4)或硅烷（SiH 4） 的氢气流，流过被高频感应加热的硅片来生长外延层的。由于在生长过程中反应器壁仍是冷的” ，就避免了在反应器壁上的淀积，并使来自反应器的沾污减至最小。整套外延生长系统包括原料气体发生装置、反应室、加热用高频装置和控制装置。所用的气体包括原料气体 SiCl4、SiHCl 3 和 S2H2 等，掺杂气体 PH3、B 2H6 和 AsH3等。H 2，对这些气体的纯度都有较高的要求。经过提纯的 H2 和 SiCl4（或其它原料气体）混合后送人反应室。卧式反应室为石英玻璃制作，硅片放在石墨基座上
4、，石墨由射频感应圈加热，一般在 1160以上。薄膜生长速率先随 SiCl4 含量增加而增大，到达极限值后，再增加 SiCl4 含量生长速率反而下降。卧式反应室可同时装大量的硅片，但膜厚的分布和电出 气 口 硅 片 高 频 感 应 线圈 基 座 SiCl4 H2 图 1 卧式反应器用率分布的均匀性有限度。立式装置中加热线圈在反应室内，硅片基座为圆盘形，可以旋转。气体由圆盘中心送入，成放射形向外扩散。此装置中能装的硅片数少，但膜厚和电导率的均匀性都比卧式好。三、外延生长的基本原理外延生长硅单晶（或多晶）的方法可以分成气相淀积和真空淀积两类。本实验则采用化学气相淀积的方法，就是用运载气体（如氢）携带
5、含化合物的蒸气，在高温下进行反应，以还原出硅，并使之淀积到衬底上去生成外延层。下边分别介绍“氢气还原四氯化硅”外延硅单晶薄膜和硅烷（SiH 4）热分解生长硅多晶薄膜的基本原理：（1）氢气还原四氯化硅外延硅单晶此方法是目前普遍采用的一种，能够获得高质量的外延硅单晶。氢还原四氯化硅法是以运载气体和还原剂，在高温下使氢与四氯化硅发生化学反应，即。1200 SiCl4+2H2 Si+4HCl 还原出来的硅原子落在衬底上，便按衬底的晶向排列起来，成为外延生长的硅单晶。上述化学反应是可逆的，然而在外延生长中由于氯化氢气体不断被排出，硅原子不断淀积在衬底上，反应式右边的浓度下降；不过因为上述反应式的正反应是
6、主要的，于是外延生长将继续进行。（2） 、硅烷热分解外延多晶硅薄膜硅烷（SiH 4）的热分解反应为SiH4 =Si+2H2我们采取的淀积温度分为“低温成核”和“淀积生长”两个阶段进行。 “低温成核”温度为 650680， “淀积生长”温度在 7 50800 之间，在这种工艺条件下生长的多晶硅膜光亮如镜。多晶硅膜的制备所以分两个阶段进行，其目的是：（1）低温成核阶段可保证晶粒的致密性，但生长速度较慢。 （2）生长阶段是在低温成核的基础上加快了生长速率，但仍不破坏生长的致密性。四、外延生长的操作过程1、 衬底的清洁处理：衬底的表面状况如何对外延层质量有着严重影响，是外延工艺的关键之一。对衬底的要求
7、是表面平整、光洁。即使如此，仍要对衬底片进行化学处理，以去除表面氧化层、微粒、和游离的金属等各种沾污以利于外延生长的进行。其化学处理过程如下：甲苯 两酮 乙醇 去离子水冲 硫酸煮至冒烟三次 去离子水冲 烘干待用。2、装片：在超净工作台中，把烘干的衬底片用乙醇棉球擦净后放在基座上，装入反应室内。 (1) 打开高频炉的水冷和风冷，开启高频炉灯丝电压进行灯丝预热。 （2）通入氢气，以排除外延系统中的空气，通气 10 分钟后方可开启高压。（3）加上高压、待温度升至 11601200时（用光学高温计测量） ，进行 SiCl4 赶气，约五分钟。3、 外延生长：将氢气携带的 SiCl4 蒸气通入反应室内进行生长，氢气流量 8 升分；SiCl 4 流量：0.45升/分；生长温度 11601200 ；生长速率：1 微米/ 分。4、停止生长：（1）关闭 SiCl4 截门，继续通氢气 5 分钟，以排除生长系统中的 SiCl4 残余气体。（2）关高压，待反应室冷却后取片进行质量分析。五、薄膜的参数在半导体中薄膜需要满足的一般标准包括：厚度/均匀性、表面平整度/粗糙度、组成/核粒尺寸、自由应力、纯净度、完整性。附：思考题1、什么叫外延？制作平面型晶体管为什么要采用外延工艺？2、外延生长的基本原理是什么？
