第五章硅外延生长概念.ppt

第五章 硅外延生长 5.1外延生长的概述 定义: 外延 (epitaxy)：是在单晶衬底上，按衬底晶向生长一层单晶层的技术。 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。 分类 根据结构 同质外延:外延层材料与衬底材料是同种材料， Si –Si,GaAs-GaAs 异质外延:外延层材料与衬底材料不是是同种材料 蓝宝石上生长Si，GaAs—GaAlAs 器件的应用 正向外延：器件制作在外延层上 反向外延：器件制作在衬底上，外延层起支撑作用 分类 根据生长的方法 直接外延：用加热、电子轰击或外加电场等方法使生长的材料原子获得足够的能量，直接迁移沉积在衬底表面上完成外延生长的方法。真空淀积、溅射、升华 间接外延：利用化学反应在衬底表面上沉积生长外延层，广义称CVD，生长的薄膜是单晶的CVD称外延。 根据向衬底输运外延材料原子的方法 气相外延：常用，高温（800-1150℃） 液相外延：应用于Ⅲ-Ⅴ化合物的外延层的制备 固相外延：应用于离子注入后的热处理，注入后产生的非晶区通过固相外延转变为晶体 外延生长的特点 可以在低(高)阻衬底上外延生长高(低)阻外延层 可以在P(N)型衬底上外延生长N(P)型外延层 可进行选择性外延 在外延过程中，可根据需要改变掺杂的种类及浓度 可生长异质、多层、多组分化合物且组分可变的超薄层 可进行低温外延 可生长不能拉制单晶材料 外延层应满足的要求： 表面无缺陷 晶体完整性好 外延层的本底杂质浓度要低 对于异质结，外延层与衬底的组分间要突变，降低互扩散 掺杂浓度要均匀 外延层厚度要均匀 埋层图形畸变要小 外延片的直径尽可能要大 对于化合物半导体外延层和异质外延稳定性要好 5.2 硅的气相外延 气相外延：是在高温下使挥发性强的硅源与氢气发生反应或热解，生成硅原子淀积在硅衬底上生长外延层 原料 SiCl4、SiH2Cl2、 SiHCl3 、SiH4 设备 主要由四部分组成：氢气净化系统、气体输运和控制系统、加热设备、反应室 分类 水平式 立式（平板式、桶式） 工艺过程及动力学模型 工艺 衬底制备 加热温度 通硅源和氢气 控制时间 以SiCl4例 SiCl4＋2H2→Si ＋4HCl↑ 工艺生长过程： 反应物气体混合向反应区输运 反应物穿过边界层向衬底表面迁移 反应物分子被吸附在高温衬底表面上 在衬底表面发生化学反应，生成生长晶体原子和气体副产物，原子在晶面移动进入晶格格点，实现晶体生长 副产物气体从表面脱附并窜越边界层向主气流中扩散 副产物和未反应物离开反应系统 上述反应是依次进行的，而总的生长速率将由最慢的一步决定 低温时，在固—气表面上的反应慢，决定整个生长过程的速率——表面反应控制过程 在正常条件下，表面反应很快，这时主气流中的反应物以扩散的方式输运到表面的过程最慢——质量输运控制过程 动力学模型(格罗夫简单动力学模型、埃威斯登停滞层模型 ) 格罗夫简单动力学模型 CS生长表面上反应物的浓度 CG主气流中反应物的浓度 F1从主气流流向衬底表面的粒子流密度（单位时间通过单位面积的分子数） F2外延反应消耗的反应物粒子密度 F1=hG (CG- CS) (5-4) F2=KsCS (5-5) hG 气相质量转移系数 KS 表面反应速率系数 在稳定条件下，F= F1 = F2 （5-8） 当hG ? Ks ， CS →0 化学反应所需的反应物数量大于主气流输运到衬底表面的数量，生长速率受质量输运的速率的控制 当hG ? Ks ， CS → CG 主气流输运到衬底表面的反应物数量多于在该温度下表面，化学反应所需的反应物数量，生长速率受表面化学反应的速率的控制 生长速率 CT 气体每立方厘米的分子总数 Y反应物的摩尔分数 CG= CT Y （5-9）(5-10) 讨论： 反应物的浓度对生长速率的影响 G∝Y ， 与反应浓