外延片的制备课件

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1、 同质外延：生长的外延层与衬底材料相同同质外延：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异质外延：外延层在结构、性质上与衬底材料不 同同 外延分类外延分类:气相外延气相外延(VPE)常用常用 液相外延液相外延(LPE) 固相外延固相外延(SPE)熔融再结晶熔融再结晶 分子束外延分子束外延(MBE)超薄超薄4.2外延生长动力学原理外延生长动力学原理 外延时，通入含有一定硅源的氢气流，并流经被外延时，通入含有一定硅源的氢气流，并流经被高频感应加热的硅片表面，当条件适当时便会在其上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外延成膜.硅外延反应器硅外延反应器4

2、.2.1 一般过程一般过程 H2还原还原SiCl4法的化学反应式为：法的化学反应式为： 在生长表面得到游离态的在生长表面得到游离态的Si原子，析出的原子，析出的Si原子原子在高温下携带大量的热能，便沿着表面滑动（扩在高温下携带大量的热能，便沿着表面滑动（扩散）散） 到适当位置，按照一定的晶向加接到晶格点到适当位置，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。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反应剂分子被吸附在生

3、长层表面3.在生长层表面进行化学反应，得到在生长层表面进行化学反应，得到Si原子和其他原子和其他副产物副产物4.副产物分子脱离生长层表面的吸附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体逸出反应室6. Si原子加接到晶格点阵上原子加接到晶格点阵上 其中其中1和和5为物理扩散过程，为物理扩散过程，2和和4为吸附和解吸过为吸附和解吸过程，程，3为表面化学反应过程为表面化学反应过程u 在开管外延中，系统维持在较高的常压在开管外延中，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）状态，俗称常

4、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。速率将主要取决于质量传输和表面化学反应。u 在低于一个大气压系统中进行的外延生长，称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气氛中各组分在样品表面的吸附及其表面化学反应控制。应控制。4.2.2生长动力学生长动力学 假设：反应器空间和基座的几何尺度

5、比较起来可假设：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气体的性质的边界效应，又可以认为反应室内气体的性质（如密度、扩散系数等）处处是一样的。（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

6、其外面的滞流层：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从附面层到其外流动区域速度的分布是连续变化的，的，如图如图，通常把附面层的厚度，通常把附面层的厚度 规定为：在该规定为：在该处的流速已到达自由流体流速处的流速已到达自由流体流速U0 的的99%，其中，其中U表示流体的流速。表示流体的流速。微流体元及速度分布微流体元及速度分布滞留层里气体流速分布可表示为：滞留层里气体流速分布可表示为：流体流动时，在单位面积上产生的内应力流体流动时，在单位面积上产生的内应力（4-1） 称为粘滞系数。在

7、滞流层内距原点称为粘滞系数。在滞流层内距原点x处取处取一垂直于基座表面的微流体元一垂直于基座表面的微流体元ABCD，它在，它在垂直于纸面方向上有一个单位长度。忽略垂直于纸面方向上有一个单位长度。忽略压力沿压力沿x方向的损失，则该微流体元沿方向的损失，则该微流体元沿x方方向只受到粘性内摩擦力的作用。向只受到粘性内摩擦力的作用。BC面的内面的内摩擦力为零，而摩擦力为零，而AD面的内摩擦力为面的内摩擦力为与速度在垂直方向上的变化率成正比，即与速度在垂直方向上的变化率成正比，即（4-2）（4-3） 式中负号表示内摩擦力沿着式中负号表示内摩擦力沿着x轴负方向。根轴负方向。根据牛顿第二定律，该作用力引起微

8、流体元据牛顿第二定律，该作用力引起微流体元内动量的变化。由于流体的流动是连续的，内动量的变化。由于流体的流动是连续的，从从ABC面流进来的流体必然全部要从面流进来的流体必然全部要从CD面面流出。作为近似，动量的变化可以看作是流出。作为近似，动量的变化可以看作是流体由流体由BC面流入的结果。而单位时间内从面流入的结果。而单位时间内从BC面流入的流体带入的动量为面流入的流体带入的动量为 质量质量速度速度（4-4）该动量全部用在克服内摩擦力上，故有该动量全部用在克服内摩擦力上，故有将式（将式（4-3）和（）和（4-4）带入上式，得到）带入上式，得到等式两边积分，并取等式两边积分，并取这就是滞流层厚度

9、的近似表达式，由此可求出平这就是滞流层厚度的近似表达式，由此可求出平均滞流层厚为均滞流层厚为式中式中称为平板雷诺数，是一个无量纲数，用它可以称为平板雷诺数，是一个无量纲数，用它可以判断流体的运动状态判断流体的运动状态（4-5）（4-6） 仿照速度附面层，引入质量附面层的概念。仿照速度附面层，引入质量附面层的概念。在质量附面层内浓度有较大的变化，其厚在质量附面层内浓度有较大的变化，其厚度可以表示为度可以表示为N设气体内部和生长表面的反应剂浓度分别为设气体内部和生长表面的反应剂浓度分别为假定在质量附面层里反应剂浓度也假定在质量附面层里反应剂浓度也呈线性分布即呈线性分布即（4-7） 根据扩散理论，输

10、运到外延层表面的反应剂根据扩散理论，输运到外延层表面的反应剂粒子流密度为粒子流密度为式中式中为反应剂在氢气中的扩散系数，结合为反应剂在氢气中的扩散系数，结合（4-7）式，得）式，得式中式中称为气相质量转移系数，它称为气相质量转移系数，它具有速度的量纲具有速度的量纲（4-8）（4-9）另一方面，在生长层界面上进行化学反应另一方面，在生长层界面上进行化学反应所消耗的粒子流密度为所消耗的粒子流密度为是表面化学反应速率常数。在稳定状态下是表面化学反应速率常数。在稳定状态下根据根据（4-10）（4-11）为硅晶体的原子密度为硅晶体的原子密度在气体在气体 生长层界面上的反应剂浓度和外延生长速生长层界面上的

11、反应剂浓度和外延生长速率为：率为：4.2.3生长速率讨论生长速率讨论表面反应控制表面反应控制 当当 时，化学反应进行得慢，反应剂可时，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浓度几乎是以充分供给，因此在附面层中反应剂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，所以反应进行得快慢，所以质量转移控制质量转移控制 当当 时，在外延层表面上的化学反应进时，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，间就可以变成

12、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，所以长表面的快慢，所以4.3 影响外延生长速率的因数影响外延生长速率的因数反应剂浓度反应剂浓度:为兼顾结晶的完美性和其他要求，反为兼顾结晶的完美性和其他要求，反应剂浓度不宜太大。应剂浓度不宜太大。在较小的反应剂浓度在较小的反应剂浓度范围内，生长速率和范围内，生长速率和反应剂浓度成正比，反应剂浓度成正比，但由于反应生成氯化物但由于反应生成氯化物如如HCL的腐蚀作用逐渐的腐蚀作用逐渐显著起来，使得生长速显著起来，使得生长速率并不能按比例增加，率并不能按比例增加，而是趋于

13、而是趋于 饱和，然后下降饱和，然后下降，一旦浓度超过某一值，一旦浓度超过某一值，腐蚀占了主导地位，腐蚀占了主导地位，会出现与生长相反的过程，会出现与生长相反的过程，衬底表面被剥离。衬底表面被剥离。 温度温度：B区高温区（常选用），区高温区（常选用），A区低温区区低温区 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。率随绝对温度的增加呈指数急增。气体流速气体流速 :气体流速大生长加快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腔横截面形状和衬底

14、取向有生长速率还与反应腔横截面形状和衬底取向有关。由下图可知，圆形管沿基座横向，外延层关。由下图可知，圆形管沿基座横向，外延层厚度是中间厚、两边薄；矩形腔的均匀性较圆厚度是中间厚、两边薄；矩形腔的均匀性较圆形腔好。形腔好。至于生长速率与衬底取向有关，是因为外至于生长速率与衬底取向有关，是因为外延层是衬底表面沿其法线方向沿拓的结果。延层是衬底表面沿其法线方向沿拓的结果。晶面间相互作用的共价键数目越多，生长晶面间相互作用的共价键数目越多，生长速率越慢。速率越慢。 V(110)V(100)V(111)4.4系统与工艺流程系统与工艺流程系统示意图系统示意图工艺流程工艺流程 a.把干净的硅片装入反应室把

15、干净的硅片装入反应室 2-4min b. N2预冲洗预冲洗 260L/min 4min c. H2预冲洗预冲洗 260L/min 5min （吹入惰性气体并充入氢气，如使用低压（吹入惰性气体并充入氢气，如使用低压 外延也需抽真空）外延也需抽真空） d. 升温升温1 850 C 5min e. 升温升温2 1170 C 5min（加热到氢气烘烤温度，以去除氧化层，该步骤能（加热到氢气烘烤温度，以去除氧化层，该步骤能去除去除50-100埃的二氧化硅层）埃的二氧化硅层） f. HCl腐蚀腐蚀 10L/min 10min （加热到（加热到HCL的刻蚀温度，引入无的刻蚀温度，引入无 水水HCL刻蚀表面的

16、硅层）刻蚀表面的硅层） g. HCl排空排空 1.3L/min 1min （吹气去除系统中的掺杂剂和（吹气去除系统中的掺杂剂和HCl） h.冷却到淀积的温度，引入硅原料和冷却到淀积的温度，引入硅原料和 掺杂剂以淀积所要的薄膜掺杂剂以淀积所要的薄膜 10min h.H2冲洗冲洗 260L/min 1min （去除硅原料和掺杂剂）（去除硅原料和掺杂剂） i.降温降温 6min （冷却到室温）（冷却到室温） j.N2冲洗冲洗 3-5min （吹走氢气）（吹走氢气） k.取出硅片取出硅片4.5 外延中的掺杂及其杂质再分布外延中的掺杂及其杂质再分布4.5.1 掺杂原理掺杂原理 外延层中的杂质原子是在外延生长时加入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。以及温度，气流等多种因素。4.5.2掺杂剂掺杂剂氢化物氢化物: PH3， AsH3，B2H6氯化物氯化物: PO