北京大学出版社外延.ppt

第七章 外延 外延定义 Epitaxy:在…上排列(希腊语) 外延:单晶衬底上淀积一层薄的单晶层. (新生单晶层是按衬底晶向延伸生长的,称为外延层;长了外延层的衬底称为外延片) 外延分类 硅气相外延的基本原理-硅源 近晶面外延生长示意图 结论 １．吸附原子的迁移过程受到抑制，就可能生成多晶薄膜． ２．淀积速率和温度影响吸附原子的迁移． 　　特定的淀积温度下，存在一个最大淀积率，超过最大淀积率，生成多晶薄膜；低于最大淀积层，生成单晶外延层． 　　特定的淀积速率下，温度越高，易生长单晶；温度越低，易生成多晶． 原因：高生长速率的情况下，吸附原子没有足够的时间迁移到扭转点，因而会形成多晶． 　　　当温度升高时，表面迁移率上升，由于硅原子迁移速率的加快，在与其他吸附原子形成硅串前已经到达扭转点．一旦到达扭转点，薄膜开始横向生长． 　　　单晶外延生长与硅自扩散的机制是相同的． 化学反应过程 ＳiＣl ４氢还原法的总反应： 　ＳiＣl４＋Ｈ２　　　　Ｓis＋４ＨＣl 　总反应包括下列中间反应 ＳiＣl４＋Ｈ２　　　　ＳiＨＣl３＋ＨＣl ＳiＣl４＋Ｈ２　　　　ＳiＣl２＋２ＨＣl ＳiＨＣl３＋Ｈ２　　　ＳiＨ２Ｃl２＋ＨＣl ＳiＨＣl３　　　　　　ＳiＣl２＋ＨＣl ＳiＨ２Ｃl２　　　　　ＳiＣl２＋Ｈ２ 　　硅的析出反应： ＳiCl２＋Ｈ２　　　　　Ｓis＋２ＨＣl ２ＳiＣl２　　　　　　Ｓis＋ＳiＣl４ 生长速率与温度间的关系 １．生长率依赖于所选用的硅烷，生 　长率ＳiＨ４＞ＳiＨ２Ｃl２＞ＳiＨＣl３ 　　＞ＳiＣl４ 　２．高温区（Ｂ），生长速率对温度的变化不敏感，生长速率由气相质量输运控制，并且对反应室的几何形状和气流有很大的依赖性；低温区（Ａ），生长速率对温度的变化非常敏感，生长速率完全由表面化学反应控制． 生长速率与温度间扩散关系 原因： 　高温区：表面化学反应速率常数很大，决定外延生长速率的主要因素是单位时间内反应剂输运到衬底表面的数量，或是化学反应的副产物通过扩散方式离开衬底表面的速率． 　低温区：化学反应的快慢决定生长速率，控制反应速率的机制在所有的情况下是相同的． 　现象解释：反应表面对氢的解吸 　氢会占据硅的表面位置，如果不被排除，将会阻止新的硅原子加入到生长的薄膜中． 生长速率与温度间的关系 过渡温度取决于： 　１．源的摩尔分数 　２．淀积系统的类型 　３．气流速率 　４．源气体的选用 外延温度选在高温区： 　１．生长速率处于质量输运控制范围，温度的微小波动不会影响生长速率显著变化． 　２．淀积在表面的硅原子具有足够的能量和迁移能力，易找到合适的位置形成单晶． 生长速率与反应剂浓度的关系 外延生长速率由以下两因素较慢 一个决定： １氢还原ＳiＣl４析出硅原子 ２被释放出来的硅原子在衬底上生 成单晶层 分析： １．ＳiＣl４浓度较小，ＳiＣl４被氢还原析出硅原子的速度远小于被释放出来的硅原子在衬底上生成单晶硅速度，化学反应速度控制外延层的生长速率． ２．增加ＳiＣl４浓度，化学反应速率加快，生长速度提高．浓度大到一定程度，化学反应释放硅原子速度大于硅原子在衬底表面的排列生长速度． ３．进一步增大ＳiＣl４浓度（Ｙ＝０.１）生长速率减小；当Ｙ＝０.２７时，逆向反应发生硅被腐蚀． ４．反向腐蚀越严重，生长速率下降，当Ｙ＞０.２８时，只存在腐蚀反应． 生长速率与气体流速的关系 １．气体流速越大，边界层越薄，相同时间内转移到单位衬底表面上的反应剂数量越多，外延层生长速率也越快． ２．当气流大到一定程度时，外延层的生长速率基本不随气体流量增大而加快．因为此时边界层厚度很薄，输运到衬底表面的反应剂数量可能超过外延温度下的化学表面反应需要的数量，此时生长速率由化学反应速率决定． 衬底晶向对生长速率的影响 不同晶面的键密度不同，键合能力存在差别，会对生长速率产生一定影响． 　１．共价键密度小，键合能力差，生长速率慢．（１１１） 　２．共价键密度大，键合能力强，生长速率快．（１００） 外延层中的杂质分布 外延工艺与其他工艺相比的优势? 1.完美的晶体结构 2.精确地控制厚度,导电类型及电阻率(掺杂浓度) 3.外延层与衬底间有突变的杂质分布. ＳiＣl４在高温下生成 外延层中的杂质分布-掺杂原理 外延层中的杂质原子是在外延生长过程中被结合到外延层的晶格中. -----1杂质淀积的过程中,由于质量输运和表面化学反应控制,掺杂效率与综合因素有关(生长温度,生长速率,气流中掺杂剂相对于硅源的摩尔数,反应室的情况…) -----2外延层的生长速度也依赖于掺杂剂的类型和浓度;外延薄膜中所吸收的杂质数量又取决于外延层的生长速度. 外延层中的杂质分布-扩散效应 外延中,掺杂渠道-扩散效应;自掺杂效应 扩散效应:衬底中的杂质