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1、第四单元：薄膜技术第四单元：薄膜技术第第8章：章： 晶体外延生长技术晶体外延生长技术第第9章：薄膜物理淀积技术章：薄膜物理淀积技术第第10章：薄膜化学汽相淀积章：薄膜化学汽相淀积第第8章：章： 晶体外延生长技术晶体外延生长技术外延层的生长生长的一般原理和过程SiCl4的氢化还原成核长大一般认为反应过程是多形式的两步过程如:(1) 气相中 SiCl4+H2=SiCl2+2HCl 生长层表面 2SiCl2=Si+SiCl4(2) 气相中 SiCl4+H2=SiHCl3+HCl 生长层表面 SHiCl3+H2=Si+3HCl在在(111)面上生长面上生长,稳定的是双层面稳定的是双层面,位置位置7、8
2、、9比位置比位置1、2、3、4稳定稳定在一定的衬底温度在一定的衬底温度下，下，1、2、3、4位位的原子很容易扩散的原子很容易扩散（游离）到（游离）到7、8、9相应的位置，使生相应的位置，使生长迅速在横向扩展。长迅速在横向扩展。即，可看成是多成即，可看成是多成核中心的二维生长。核中心的二维生长。如：如：1200C时时V（111）几百埃几百埃/分分V（112）几百微米几百微米/分分生长动力学与热氧化过程不同的是，外延时只有气相质量转移过程和表面吸附（反应）过程。因而，气相外延是由下述步骤组成的多相过程1）反应剂分子以扩散方式从气相转移到生长层 表面2）反应剂分子在生长层表面吸附；3）被吸附的反应剂
3、分子在生长层的表面完成化 学反应，产生硅原子及其它副产物；4）副产物分子丛表面解吸；5）解吸的副产物以扩散的形式转移到气相，随 主气流排出反应腔；6）反应所生成的硅原子定位于晶格点阵，形成 单晶外延层；SubstrateContinuous film 8) By-product removal 1) Mass transport of reactantsBy-products 2) Film precursor reactions 3) Diffusion of gas molecules 4) Adsorption of precursors 5) Precursor diffusion i
4、nto substrate 6) Surface reactions 7) Desorption of byproductsExhaustGas delivery因而在反应剂浓度较小反应剂浓度较小时有：KS为表面化学反应系数，hG气相质量转移（传输）系数NT为分子总浓度，Y为反应剂摩尔数v为外延层的生长速率(14.2)1）生长速率和反应剂浓度的关系正比（a）！（b）、（c）？SiCl4（气）+Si（固）2SiCl2（气）2）生长速率与外延温度的关系对于SiCl4，Ea1.9eV SiH4，Ea 1.6eV DG0：0.11cm2s-1 a：1.752在较高温度下：kShG质量转移控制在较低温度
5、下：kSv(100)v(111) ?4)气相质量转移进一步分析可得：由这一公式可得出什么？8.1.3 外延堆垛层错 CCAAAAAAAAAAAAACCBBBCCCCCCCCCCCCCBBB AAABBBBBBBBBBBAAAAA CCCAAAAAAAAACCCCC BBBBCCCCCCCCCBBBBB AAAAABBBBBBBAAAAAA CCCCCCAAAAACCCCCCCBBBBBBBBCCCBBBBBBBB AAAAAAAABAAAAAAAAA 层错(失配晶核)产生的原因：晶面的缺陷(机械损伤、位错、微缺陷、氧化斑点、杂质沉陷区)和表面污染（灰尘、杂质等），气体和反应剂的纯度不够，温度过
6、低或起伏过大，生长速率过快等。HCl汽相抛光（汽相）外延生长工艺8.2.1 外延层中的掺杂在外延反应剂中加入掺杂剂 （如：PH3、PCl3、PCl5、AsCl3、AsH3、SbCl3、SbH3和BBr3、BCl3、B2H6等）1）掺杂浓度受汽相中的掺杂剂分气压控制2）生长速率和温度的影响为什么温度升高会使浓度降低？Silicon Vapor Phase Epitaxy ReactorsExhaustExhaustExhaustRF heatingRF heatingGas inletGas inletHorizontal reactorBarrel reactorVertical reacto
7、r8.2.2 外延过程中的杂质再分布和自掺杂1）衬底杂质的再分布N1 （见page 228） 在外延区： 时（一般都成立）2）掺入杂质的再分布总分布为：N=N1+N23）自掺杂（autodoping）效应衬底中的杂质不断地蒸发出来，进入总气流并掺入外延层。4）减小自掺杂效应措施衬底杂质的选择：（扩散系数小、蒸发速率低，如Sb）两步外延、低温（变温）技术（如选择适当的化学体系、光照、等离子体等）、低压技术、掩蔽技术等8.2.3 清洁技术8.2.4 外延层性能检测电阻率、杂质分布、厚度、缺陷红外干涉法 IR（Infrared） Reflection，（coherence）Page 3698.2.4
8、 外延过程中的图形漂移 对策：晶向偏25,含Cl, (100)8.3 GaAs外延生长工艺1）汽相外延 难点：As压与生长速率的控制（缺陷）2）液相外延（LPE）特点：杂质均匀、缺陷少，表面质量差、厚度不易控制异质结问题晶格失配对策：衬底材料的晶向、过度层缺陷控制和掺杂问题缺陷控制和掺杂问题对策：催化、过度层；新技术；对策：催化、过度层；新技术；主流技术：气相外延主流技术：气相外延8.5 先进外延生技术1）MBE（molecular beam epitaxy)可以控制到单原子层2)MOVPE(Metal-organic vapor phase epitaxy)金属氧化物分解(375380)如：
9、三甲基铟、镓（、） 三乙基铟（）MR3（金属烷基）+XH3（氢化物）=MX+3RH如：Ga（CH3）3+AsH3=GaAs+3CH4又如：xAlCH3）3+（1-x）Ga（CH3）3+AsH3= GaAs+3CH4特点：低温分解（ 500C）、生长速率易于控制、杂质易于控制、生产效率远高于MBE3) SOI (Silicon on Insulators) *SOS （Silicon on Sapphire)是一种异质外延，通常Sapphire的晶向选为（0112）、（1012）、（1102）等 *SIMOX ( Separation by Implanted Oxygen)目前已经较广泛应用*
10、Wafer Bonding（Smart Cut）To form gas void layer对于对于Si低温600C；高质量薄外延层m表面粗糙度2均匀性5%（200mm）金属污染5x1010/cm3选择性外延Epi-layer Formation during Plasma-Based PECVD reactorContinuous film 8) By-product removal 1) Reactants enter chamberSubstrate 2) Dissociation of reactants by electric fields 3) Film precursors are formed 4) Adsorption of precursors 5) Precursor diffusion into substrate 6) Surface reactions 7) Desorption of by-productsExhaustGas deliveryRF generatorBy-productsElectrodeElectrodeRF field
