第六章外延生长

3、超饱和度（supersaturation）模型 超饱和度（supersaturation）
(1) 超饱和度的定义： 超饱和度的定义：
当超饱和度为正 当超饱和度为正时，系统为超饱和，—— 外延生长； 外延生长； 系统为超饱和， 当超饱和度为负 当超饱和度为负时，系统不饱和， 系统不饱和， —— 刻蚀过程。 刻蚀过程。
d. 其他：RTCVD外延、UHVCVD外延、离子束外延等等 其他：RTCVD外延 UHVCVD外延 外延、 外延、
3、 外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构（组分）、厚度、 外延层的作用：独立控制薄膜晶体结构 组分）、厚度、 晶体结构（ ）、厚度
杂质种类及掺杂分布
(1) 双极工艺：器件隔离、解决集电极高击穿电压与串连电阻的矛盾 双极工艺：器件隔离、 (2) CMOS工艺：减小闩锁（Latch-up）效应 CMOS工艺 减小闩锁（Latch-up） 工艺： (3) GaAs工艺：形成特定的器件结构层 GaAs工艺 形成特定的器件结构层 工艺： (4) 其他：制作发光二极管、量子效应器件等 其他：制作发光二极管 量子效应器件等 发光二极管、
超饱和度模型未能预测，因为低浓度下外延生长速率是受气 超饱和度模型未能预测， 相质量输运限制的。 质量输运限制的
c. 超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（与薄膜生长模式 超饱和度的值过大，会影响单晶薄膜的质量（
有关）。 有关）。
4、薄膜生长的三种模式： 薄膜生长的三种模式：
(1) 逐层生长（ 逐层生长（Layer Growth） 理想的外延生长模式 Growth）
该临界尺寸可写为： 该临界尺寸可写为：
其中，U 是表面的界面自由能，V 是原子体 其中， 是表面的界面自由能， 积， σ0 是反应剂的分气压与平衡气压的比 值（称为饱和度）。 称为饱和度 饱和度）。
结 论 I) 气相中颗粒的产生限制了工艺温度下SiH4的最大分气压。 气相中颗粒的产生限制了工艺温度下SiH 的最大分气压。 一般采用H 一般采用H2将SiH4稀释到1％～5％。 稀释到1％～5 II) 一般的硅外延工艺采用H2稀释SiHxCl4-x（x=1,2,3）作为馈气。 一般的硅外延工艺采用H 稀释SiH x=1,2,3）作为馈气 馈气。 含Cl越少，工艺温度越低。目前最常用的反应源是SiH2Cl2。 Cl越少 工艺温度越低 目前最常用的反应源是SiH 越少， 温度越低。 最先使用的SiCl 的反应温度在1150 以上，已经不再使用。 最先使用的SiCl4的反应温度在1150 ℃以上，已经不再使用。
超饱和度是描述外延生长工艺的重要的一级近似。 超饱和度是描述外延生长工艺的重要的一级近似。 (2) 超饱和度的计算： 超饱和度的计算： a. 计算反应进气中的硅/氯分压比。 计算反应进气中的 氯分压比。 反应进气中的硅 b. 用查图法求出反应温度下的硅/氯平衡分压比。 查图法求出反应温度下的 氯平衡分压比。 求出反应温度下的硅
一、概述
1、外延工艺的定义： 在单晶衬底上生长单晶薄膜的技术。 外延工艺的定义： 工艺的定义 单晶衬底上生长单晶薄膜的技术 上生长单晶薄膜的技术。 按衬底晶相延伸生长的新生单晶薄层 新生单晶薄层—— 外延层。 按衬底晶相延伸生长的新生单晶薄层—— 外延层。 长了外延层的衬底 —— 外延片。 外延片。
结论
a. Cl的含量增加后，超饱和度下降，当SiCl4含量为20％～30％时， Cl的含量增加 的含量增加后 超饱和度下降， 含量为20％～ ％ ％～30
由外延生长转为刻蚀。 由外延生长转为刻蚀。
b. 当SiCl4含量为10％左右时，外延生长速率有一个最大值？ 含量为10％左右时，外延生长速率有一个最大值 最大值？
(2)
岛式生长（ 岛式生长（Island Growth） Growth）
超饱和度值越大，吸 超饱和度值越大， 附分子主要在台面中 心结团生长。 心结团生长。
(3)
逐层+岛式生长（ 逐层+岛式生长（Layers and Islands Growth） Growth）
5、硅片表面的化学反应
(1) 在化学反应限制区，不同硅源的化学反应激活能是相似的。 化学反应限制区，不同硅源的化学反应激活能是相似的。 化学反应激活能是相似的 (2) 一般认为，硅外延速率受限于H从硅片表面的解吸附过程。 一般认为， 外延速率受限于 从硅片表面的解吸附过程 受限于H 解吸附过程。 (3) 硅片表面的主要反应剂是SiCl2，反应剂是以物理方式吸附 硅片表面的主要反应剂是SiCl 在硅片表面。 在硅片表面。
说明 1) Deal模型是一个半定量模型，但它将外延生长过程过于简单化处理： Deal模型是一个半定量模型，但它将外延生长过程过于简单化处理： 模型是一个半定量模型
a. 外延与氧化不同，衬底表面和气相中存在多种化学反应过程 外延与氧化不同，衬底表面和气相中存在多种化学反应过程 b. 存在大量的、影响外延生长（促进或阻碍）的过程 存在大量的、影响外延生长（促进或阻碍） 例如： Si－ Cl系统 系统（ 例如： 在Si－H－Cl系统（SiH2Cl2+H2）中， I） SiCl2、SiCl4、SiH2等含硅粒子在衬底表面的形成过程会阻碍硅 等含硅粒子在衬底表面的形成过程会阻碍硅 外延层的生长； 外延层的生长； II） Cl的存在会刻蚀吸附在衬底表面的硅原子或衬底表面本身的硅 II） Cl的存在会刻蚀吸附在衬底表面的硅原子或衬底 的存在会刻蚀吸附在衬底表面的硅原子或衬底表面本身的硅 原子。 原子。
Байду номын сангаас
气相分解； 传输到硅片表面； 2 1) VPE步骤包括： 1）气相分解； ）传输到硅片表面； VPE步骤包括 步骤包括： 3）吸附；4）扩散；5）分解；6）反应副产物的解吸附。 吸附； 扩散； 分解； 反应副产物的解吸附 解吸附。 注意：VPE中的每一步 注意：VPE中的每一步 骤都可能影响外延生长 的速率，其中进行得最 的速率，其中进行得最 慢的一步是关键限制因 素。
其中的c1和c2分别是正向反应速率系数 其中的c1和c2分别是正向反应速率系数 和逆向反应速率系数。 和逆向反应速率系数。 图14.5 一个大气压下，Cl:H比为0.06 一个大气压下，Cl:H比为 比为0.06 时， Si-Cl-H系统的平衡气压。 Si-Cl- 系统的平衡气压。
图14.6 生长速率与SiCl4的函数关系，当Cl浓度高时 生长速率与SiCl 的函数关系， Cl浓度高时 出现硅的刻蚀现象。 出现硅的刻蚀现象。
三种外延工艺 三种外延工艺的示意图 外延工艺的示意图
(3) 按工艺原理 a. 气相外延工艺（Vpor-Phase Epitaxy） 气相外延工艺（ porpitaxy） b. 液相外延工艺（Liquid-Phase Epitaxy） 液相外延工艺（ iquidpitaxy） c. 分子束外延（Molecular Beam Epitaxy） 分子束外延（ pitaxy） 超高真空蒸发
二、气相外延生长的热动力学
（以硅外延为例） 以硅外延为例）
类似， 1、Deal 模型： 与氧化模型类似，假设粒子穿过气体边界层的流量 模型： 氧化模型类似 与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。 与薄膜生长表面化学反应消耗的反应剂流量相等。
其中， 质量传输系数， 是表面反应速率系数 反应速率系数， 其中，hg是质量传输系数，Ks是表面反应速率系数，Cg和Cs分别是 气流中和圆片表面的反应剂浓度 气流中和圆片表面的反应剂浓度。 反应剂浓度。
第六章 外延生长 （Epitaxial Growth） Growth）
外延生长（Epitaxial Growth）工艺 Growth） 外延生长（
■ 概述 ■ 气相外延生长的热动力学 ■ 外延层的掺杂与缺陷 ■ 硅气相外延工艺 ■ 小结 参考资料： 参考资料： 《微电子制造科学原理与工程技术》第14章 微电子制造科学原理与工程技术》 14章 （电子讲稿中出现的图号是该书中的图号） 电子讲稿中出现的图号是该书中的图号）
2、 外延工艺的分类： 外延工艺的分类 分类：
(1) 按材料
同质外延： 同质外延： 异质外延： 异质外延：
■ 掺入杂质可改变外延 掺入杂质可改变外延 层的电学特性 层的电学特性。 电学特性。 ■ 交替生长不同的外延 层可制作超晶格结构。 可制作超晶格结构 超晶格结构。
外延层 界面 衬底
(2) 按晶格畸变程度
外延薄膜生长速率可写为： 外延薄膜生长速率可写为： 生长速率可写为
其中， 是硅原子密度（ 除以反应剂分子中的硅原子数。 其中，N是硅原子密度（5×1023cm-3）除以反应剂分子中的硅原子数。
Ks>> hg时，
R由气相质量传输决定 气相质量传输决定
Ks << hg时， R由表面反应速率决定 表面反应速率决定
先计算反应腔中Cl－ 先计算反应腔中Cl－ H的比率，再查图读 的比率， 取Si－Cl比率。 Si－Cl比率 比率。
图14.7 一个大气压下硅/氯平衡比率 一个大气压下硅/
(3) 估算SiCl4浓度的饱和度的例子 估算SiCl 外延生长使用SiCl 生长温度为1270 外延生长使用SiCl4，生长温度为1270 ℃ ， SiCl4 /H2=0.05/0.95。 =0.05/0.95。 计算系统的超饱和度 并确定是刻蚀还是外延生长状态？ 计算系统的超饱和度，并确定是刻蚀还是外延生长状态？ 超饱和度， 刻蚀还是外延生长状态 解： 1、进气中Si/Cl比为0.25， 进气中Si/Cl比为 比为0.25， 2、温度T＝1270＋273＝1543K，由SiCl4 /H2=0.05/0.95 可知 温度T 1270＋273＝1543K， Cl /H＝0.05×4/0.95×2＝0.11 /H＝0.05×4/0.95× 3、查图14.7得到：(Psi/PCl) eq ≈ 0.16 查图14.7得到 得到： 4、系统的超饱和度σ = 0.25－0.14=0.11 > 0 系统的超饱和度 超饱和度σ 0.25－ 因此，系统处于外延生长状态。 外延生长状态。 因此，系统处于外延生长状态