当前位置：文档之家 › 硅外延中的化学原理

硅外延中的化学原理

  • 格式：doc
  • 大小：39.00 KB
  • 文档页数：4

下载文档原格式

  / 4

合集下载

外延生长工艺原理10

外延生长工艺原理10

生长速率与温度的关系 在较高高温下，取决于气体源分子转移到生长层表面
的快慢 质量转移控制。 在较底温度时，取决于生长层表面进行的化学反应速
率 表面反应控制。
外延层中的杂质分布
自掺杂：凡是非反应气体中有意掺入的杂质所引起的对外 延层施加的掺杂
原因： 1、由于外延生长必须在1000度以上的高温下进行的，不 可避免的会存在杂质的热扩散和热迁移 2、由于反应产物氯化氢对衬底的腐蚀，其中的杂质就会 释放进入外延层
反应设备
采用卧室的反应器 由石英反应腔，石墨基座，高频感应 加热系统等
反应流程
装片 通氢气清除石英管内中空气 升温，一般为1100－1200℃ 通氢气消除表面氧化层或HCl去除表面损伤层。 去除HCl和杂质 通氢气及掺杂源，获得经过掺杂的硅层 关闭氢气，恒温数分钟。 缓慢降温，300℃下可以取片
外延技术用于MOS器件集成化可显著提高电路的 速度
提高电阻率可以提高载流子的迁移率，从而增大了MOS 电路的充放电电流，缩短了充放电时间，提高工作速度。 减小MOS器件的电容效应，高电阻率的外延层使器件的 寄生电容，扩散电容均减小，缩短了充放电时间。
可以解决CMOS集成电路的闭锁效应
CMOS闭术的灵活性由利于提高IC集成度 实现隔离技术：由于在进行隔离墙扩散时，横向扩散与纵 向扩散的距离几乎相等，如果外延层较厚，相应的增加了 横向扩散的距离，降低了集成度。
有利于提高少子寿命，降低IC存储单元的漏电流 集成电路的有源区在高温的条件下常会诱生处大量的热缺 陷和微缺陷 ，这些缺陷加速了金属杂质的扩散，杂质与 微缺陷相互作用，导致漏电流增大，发生低击穿现象，功 耗增大，成品率降低。
采用RF射频加热的理由：
1、升温速度快，降温速度快 2、温度稳定性好

第07章 外延

第07章 外延

§7.1 Si气相外延的基本原理
二． 1.
外延薄膜的生长模型 在外延生长过程中， 在外延生长过程中 ， 反应剂先吸附在 表面上。 反应后生成Si和一些副产物 和一些副产物， 表面上 。 反应后生成 和一些副产物 ， 副产物必须立即被排出， 而生成的Si 副产物必须立即被排出 ， 而生成的 则按衬底晶向生长成薄膜。 则按衬底晶向生长成薄膜。
72外延层中的杂质分布72外延层中的杂质分布在外延生长过程中衬底和外延层中的杂质因热蒸发或者化学反应的副产物对衬底或外延层的腐蚀都会使衬底和或外延层中的杂质进入到边界层中改变了边界层中的掺杂成份和浓度从而导致了外延层中杂质的实际分布偏离理想情况这种现象称为自掺杂效应
第07章 外延
引言 Si气相外延的基本原理 气相外延的基本原理 外延层中的杂质分布 低压外延 选择外延 硅烷热分解法外延 SOS技术 技术 分子束外延 层错、 层错 、 图形漂移及利用层错法 测量厚度
2.
CMOS
生长外延层（ 2-4µm， p-型或本征 ） 生长外延层 （ ， 型或本征） 型或本征 是为了给CMOS器件提供一个光滑、 器件提供一个光滑、 是为了给 器件提供一个光滑 损伤小、 损伤小 、 无 SiOx沉积和低缺陷的完整 性好的表面，以减小漏电流、 性好的表面，以减小漏电流、改善器 件的电学特性，消除闩锁效应。 件的电学特性，消除闩锁效应。
二． 1.
类型 正向外延、反向外延 正向外延、
衬底 上生 在 低 阻 衬底上生 长高 阻外延 层为正向外延。 层为正向外延。 衬底 上生 在 高 阻 衬底上生 长低 阻外延 层为反向外延。 层为反向外延。
3.
直接外延、 直接外延、间接外延
直接外延是用加热、电子轰击或 直接外延是用加热、 外加电场等方法使生长的材料原 子获得能量， 子获得能量 ， 直接迁移沉积在衬 底表面上完成外延生长.如真空淀 底表面上完成外延生长 如真空淀 溅射， 积，溅射，升华等 间界外延是利用化学反应在衬底 表面上沉积生长外延层

外延工艺简介

外延工艺简介

6
Do Not Copy
掺杂浓度(原子/cm3)
掺杂浓度
HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO., LTD
1018 1017
B2H6 PH3 AsH3
1016
1100 1200
1300 T(℃)
(图1) 硅外延中掺杂剂的掺入系数 与生长温度就之间的函数
诚信 忍耐
探索
面化学反应控制两个区域.但杂质源和硅源的化学动力学不同,情 况
更为复杂。杂质的掺入效率不但依赖于生长温度,同时每种掺杂剂 都有其自身的特征。一般情况下,硅的生长速率相对稳定。硼的掺 入量随生长温度上升而增加，而磷和砷却随生长温度的生长温度
的上升而下降(见图1)。
Company Confidential
一丝不苟的工作态度、质量意识和安全意识。
Company Confidential
2
Do Not Copy
HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO., LTD
什么叫外延？
诚信 忍耐
探索
热情
Faith Endurance Exploration Enthusiasm
外延Epitaxy这个词来源于希腊字epi,意思是“…之上”。这样选定的 词对外延提供了一个恰当的描写。一个含有硅原子的气体以适当的方式通 过衬底，自反应剂分子释放出的原子在衬底上运动直到它们到达适当的位 置，并成为生长源的一部分，在适当的条件下就得到单一的晶向。所得到 的外延层精确地为单晶衬底的延续。
Company Confidential
4
Do Not Copy
HANGZHOU SILAN INTEGRATED CIRCUIT CO., LTD

吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.1-5.3

吉林大学-半导体材料-课件-第五章5.1-5.3
按气体的物理特性分 气溶胶辅助CVD ：Aerosol assisted CVD (AACVD) 直 接 液 体 喷 射 CVD ： Direct liquid injection CVD
(DLICVD)
等离子体法 微波等离子体协助CVD ：Microwave plasma-assisted CVD
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
硅源要求
通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3和SiCl4。
SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高，但 生长速度快，易提纯，使用安全
SiH2Cl2和SiH4常温下是气体，反应温度低，外延 层杂质分布陡峭。缺点是：
要求生长系统具有良好的气密性，否则会因漏气而 产生大量的外延缺陷。
第 5 章 硅外延生长
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
第5章 硅外延生长
5-1、外延生长概述 5-2、硅衬底制备 5-3、硅的气相外延生长 5-4、硅外延层电阻率的控制 5-5、硅外延层的缺陷 5-6、硅的异质外延
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
5-1、外延生长概述
外延生长的定义 外延生长的分类 发展外延生长的动机
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
重掺杂的衬底区：低电阻率的衬底降低了基片的 电阻，降低饱和压降，提供在中等电流下高的器 件工作速度→高频
轻掺杂的外延层：集电极区高的电阻率保证高的 集电极-衬底的击穿电压→大功率
吉林大学电子科学与工程学院
半导体材料
CMOS电路制作在一层很薄的轻掺杂p型外延层上；
SiH4在高温和高浓度下易发生气相分解而生成粉末 状硅使外延无法进行。
表5-1：常用硅源的特性

半导体工艺原理----硅的异质外延技术(2012.3.31)(贵州大学)

半导体工艺原理----硅的异质外延技术(2012.3.31)(贵州大学)

21
1、SDB
SDB(Silicon Direct Bonding)直接键合技术，是采用键 合技术形成SOI结构的核心技术之一。
将两片硅片通过表面的SiO2层键合在一起,再把背面用
腐蚀等方法减薄来获得SOI结构。
22
当两个平坦的具有亲水性表面的硅片（如被氧化的硅片）
相对放置在一起时，即使在室温下亦回自然的发生键合。
减薄到预定厚度。
23
键合(Bonded)技术优缺点：
（1）硅膜质量高
（2）氧厚度和硅膜厚度可以随意调整 （3）适合于大功率器件及MEMS技术 （4）硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍 （ 5 ）键合要用两片体硅片制成一片 SOI 衬底，成本至少 是体硅的两倍
24
25
26
2、SIMOX （ 氧离子注入隔离法 ）

SOI的功耗和衬底成本都比SOS低得多，SOS没有实现三维
器件结构功能。

从目前情况来看，有的SOI技术已初步走向实用化，只要能进 一步克服工艺和材料质量问题，实用化是没有问题的，某些 SOI技术可以用于三维IC的制造。
7、SOI技术的挑战
SOI材料是SOI技术的基础
SOI技术发展有赖于SOI材料的不断进步，材料是SOI技术
蓝宝石(α-Al203)和尖晶石(MgO· Al203)是良好的绝缘体，以
它们为衬底外延生长硅制做集成电路，可以消除集成电路 元器件之间的相互作用，不但能减少漏电流和寄生电容， 增强抗辐射能力和降低功耗，还可以提高集成度和实现双 层布线，是大规模、超大规模集成电路的理想材料。
2
1、衬底材料的选择
PC RS64IV （APPLE POWER4，早期的iMAC电脑上）芯片上。

半导体工艺基础 第八章 薄膜技术

半导体工艺基础 第八章 薄膜技术
外延的分类 ①按工艺分类： 气相外延 液相外延 固相外延 MBE（分子束外延）

§8.1 硅同质外延薄膜制备原 理
②按材料分类 同质外延：外延层材料与衬底材料相同。 异质外延：外延层材料与衬底材料不相同，如外延 SiGe、GaN、SiC、SOS(Silicon on Sapphire)、 SOI(Silicom on Insulators) ③按压力分类 常压外延 低压（减压）外延
D2 t ，可简化得
x 1 N 2 x , t N sub erfc 2 D t 2 2
二、外延掺杂及杂质再分布
②外延掺入杂质的再分布 Nf－外延层掺入杂质的原始浓度；N1(x,t)－掺入杂质 的最终分布。 初始条件： N1(x,0)＝0， （x<0） 边界条件： N1(x,t)∣x=-∞=0; N1(x,t)∣x=xf=Nf 当vt» D1 t 时，有
一、外延生长动力学原理
1.生长过程—H2还原SiCl4体系 生长反应： SiCl4 + 2H2＝Si(s)+4HCl(g) 腐蚀反应： SiCl4+ Si(s) ＝2SiCl2 中间生长反应： SiCl4 + H2＝SiHCl3 +HCl SiCl4 + H2＝SiCl2+2HCl SiHCl3 + H2＝ SiH2Cl2 +HCl SiHCl3 ＝ SiCl2+HCl SiH2Cl2 ＝SiCl2+H2
四、缺陷及检测
1.缺陷 ①位错 ②层错（堆垛层错） 2.埋层的漂移与畸变 制备：热氧化；热分解淀积；外延；阳极氧化； 溅射法。
一、 SiO2的结构与性质
1. 结构
①结晶形结构：如石英晶体（水晶），密度＝2.658g/cm3 ②无定形（非晶形）结构：由无规则排列的Si-O4四面体组成的 三维网络结构，如SiO2薄膜，密度＝2.2g/cm3 结构特点：短程有序，长程无序； Si-O4四面体:不存在共同的边和面，只在顶角处通过氧（O)相 互联结。 Si-O4四面体中氧原子： 桥联氧原子－为两个Si原子共用，是多数； 非桥联氧原子－只与一个Si原子联结，是少数；

(3)外延

(3)外延
10
双极型晶体管
制作双极性晶体管，衬底为高 掺杂单晶，外延为低掺杂，晶 体管就制作在外延层上。
n+埋层 n-Si外延层 SiO2 p+隔离墙

利用外延技术的pn
结隔离是早期双极
型集成电路常采用
P-Si衬底
的电隔离方法。
pn结隔离示意图
11

P阱
n阱
将CMOS电路制作在外 延层上比制作在体硅抛 光片上有以下优点： ①避免了闩锁效应； ②避免了硅层中SiOx的 沉积；

优势： 1.反应是不可逆的，没卤化物产生，不存在反向腐蚀效应， 对反应室也无腐蚀；
2.外延温度低，一般是650-900 ℃，最低可在600℃完成，减 弱了自掺杂和扩散效应。

问题： SiH4在气相中可自行分解，造成过早核化，对外延 层的晶体结构产生重要影响，甚至生成多晶； SiH4易氧化形成硅粉，要尽量避免氧化物质和水汽的存在， 否则会影响外延层的质量；
34
3.2.4 外延掺杂
气相外延工艺中的掺杂是直接将含有所需要杂质元 素的气体掺杂剂，按照所需剂量，和硅源外延剂气 体一起通入反应器内，掺杂剂气体也和外延气体一 样扩散穿越边界层到达衬底，并在衬底上发生分解， 替代硅原子排列在衬底上。

35
3.2.4 外延掺杂

因掺杂剂和外延剂的热力学 性质不同，使得外延生长过 程变得更为复杂。
相反。
32
外延速率的影响因素（三）

反应剂浓度对生 长速率的影响
SiCl4+H2↔Si+4HCl
SiCl4摩尔浓度 大于0.28出现腐 蚀现象
SiH4：超过临界点，生成多晶硅
SiCl4浓度与生长速率的关系

tcs外延硅的化学反应过程

tcs外延硅的化学反应过程

TCS外延硅的化学反应过程
TCS（化学气相沉积）外延硅的制备过程主要包括以下几个步骤：
1. 前驱体制备：将硅源材料（如硅烷或硅醇）和TCS气体混合，在高温下反应生成前驱体。

2. 沉积：将前驱体沉积在衬底上，通常采用热氧化反应，将前驱体转化为硅薄膜。

3. 热处理：对沉积后的硅薄膜进行高温处理，使其结晶并形成单晶硅。

4. 退火：对单晶硅进行退火，消除内部应力，提高其电学性能。

整个TCS外延硅的制备过程中，化学反应主要发生在前驱体的制备和沉积过程中。

在前驱体制备过程中，硅源材料和TCS气体在高温下反应生成前驱体。

前驱体的化学反应式如下：
SiH4 + 2TCS → Si(111) + 2TCS2
在沉积过程中，前驱体与硅源材料反应生成硅薄膜，其化学反应式如下：
Si(111) + TCS → Si(111) + TCS2
在热处理过程中，硅薄膜发生化学反应，生成单晶硅。

单晶硅的化学反应式如下：
Si(111) + TCS2 → Si(111) + 2TCS
TCS外延硅的制备过程中，化学反应主要涉及前驱体和硅源材料的反应，以及硅薄膜和TCS气体的反应。

这些化学反应的过程和机理对于TCS外延硅的质量和性能具有重要影响。

外延生长工艺原理10

外延生长工艺原理10

外延技术用于MOS器件集成化可显著提高电路的速 外延技术用于MOS器件集成化可显著提高电路的速 度
提高电阻率可以提高载流子的迁移率，从而增大了 MOS电路的充放电电流，缩短了充放电时间，提高工作速 MOS电路的充放电电流，缩短了充放电时间，提高工作速 度。 减小MOS器件的电容效应，高电阻率的外延层使器件的 减小MOS器件的电容效应，高电阻率的外延层使器件的 寄生电容，扩散电容均减小，缩短了充放电时间。
采用RF射频加热的理由： 采用RF射频加热的理由： RF射频加热的理由
1、升温速度快，降温速度快 2、温度稳定性好 3、射频感应加热可使反应器腔体壁温度远低于石墨基座 保证产物“择温淀积” 保证产物“择温淀积”在硅衬底上。
，
外延生长的工艺环境
生长速率与浓度的关系 在硅气相淀积中，在低浓度时生长速率与浓度成 正比，高浓度时，反而降低，主要是产生了逆向腐蚀作用。
可以解决CMOS集成电路的闭锁效应 可以解决CMOS集成电路的闭锁效应
CMOS闭锁效应 CMOS闭锁效应
CMOS倒相器中的寄生元器件结构
外延方法
物理气相外延 蒸发 溅射 ，化学气相外延 化学反应来激活或强化生长的过程 液相外延 金属有机CVD 金属有机CVD 淀积金属以及氧化物的多晶或无定型膜 分子束外延 淀积GaAs异质外延层 淀积GaAs异质外延层 通过
降低自掺杂效应的方法
在衬底上生长一层较薄的外延层，由它盖住衬底，阻止杂 质的蒸发 外延生长前用氯化氢气相抛光 除掉衬底表面的微量污染 物。 可以经过离子注入的埋层来降低衬底表面的杂质浓度。
外延层生长缺陷
按位置分类有表面缺陷和体内缺陷 在一定的生长速率 在一定的生长速率下，晶格缺陷密度随温度的降低而增加 生长速率下，晶格缺陷密度随温度的降低而增加

第四章 硅外延生长

第四章 硅外延生长

4.2.2 硅外延生长设备
硅
氢气净化系统
外 延
气体输运及控制系统
生
长
加热设备
设
备
反应室
按
•卧式
反
应
•立式
室
分
•桶式
类
反应器：依反应气体流通方向相对于硅片方向可以分为水平 式、垂直式、柱形。
卧式：产量大，设备简单，但生成的外延层的厚度和 电阻率均匀性较差，外延生长时易出现滑移位错及片 子弯曲。
(1)、表面应平整，光亮，没有亮点，麻坑，雾渍和滑移线等表 面缺陷。
(2)、晶体完整性好，位错和层错密度低。对于硅外延来说，位 错密度应低于1000个／cm2，层错密度应低于10个／cm2，同时 经铬酸腐蚀液腐蚀后表面仍然光亮。
(3)、外延层的本底杂质浓度要低，补偿少。要求原料纯度高， 系统密封性好，环境清洁，操作严格，避免外来杂质掺入外延层。
分子束外延MBE
12 2019/10/22
外延生长的特点
(1)可以在低(高)阻衬底上外延生长高(低)阻外延层。 (2)可以在P(N)型衬底上外延生长N(P)型外延层，直接 形成PN结，不存在用扩散法在单晶基片上制作PN结时 的补偿的问题。 (3)与掩膜技术结合，在指定的区域进行选择外延生长， 为集成电路和结构特殊的器件的制作创造了条件。 (4)可以在外延生长过程中根据需要改变掺杂的种类及 浓度，浓度的变化可以是陡变的，也可以是缓变的。
36
硅外延生长基本工艺
硅单晶
置于基座
抽高真空 通高纯H2 恒温反应
定向
烘干
切割
400-500μm
清洗
磨平
抛光
Si02胶体 溶液
加热去除氧化层

外延,扩散,离子注入,衬底制备

外延,扩散,离子注入,衬底制备

7.7 分子束外延（MBE）
MBE：Molecular Beam Epitaxy 原理：在超高真空下，利用薄膜组分元素受热蒸发所 形成的原子或分子束，直接射到衬底表面，形 成外延层。 应用：元素半导体—Si、Ge 化合物半导体-GaAs、GaN、SiGe MBE的特点： ①温度低； ②生长速度低； ③化学组成及掺杂浓度精确可控； ④厚度可精确控制到原子级；

SOI技术的特点与优势

1．速度高 ：在相同的特征尺寸下，工作速度可提高 30-40％； 2．功耗低： 在相同的工作速度下，功耗可降低 50 ％ - 60％； 3．特别适合于小尺寸器件； 4．特别适合于低压、低功耗电路； 5．集成密度高 ： 封装密度提高约40％； 6．低成本： 最少少用三块掩模版，减少13%-20% （30％）的工序； 7．耐高温环境： 工作温度300℃-500℃； 8．抗辐照特性好： 是体硅器件的50-100倍。
绪论

外延的分类 ①按工艺分类： 气相外延（VPE）：硅的主要外延工艺； 液相外延（LPE）：Ⅲ-Ⅴ化合物的外延； 固相外延（SPE）：离子注入退火过程； 分子束外延（MBE，Molecular Beam Epitaxy） ②按材料分类 同质外延：外延层与衬底的材料相同，如 Si上外延Si，GaAs上外延GaAs； 异质外延：外延层与衬底的材料不相同，如 Si上外延SiGe 或 SiGe上外延Si； 蓝宝石上外延Si-- SOS(Silicon on Sapphire)； 蓝宝石上外延GaN、SiC。 ③按压力分类 常压外延：100kPa ； 低压（减压）外延：5-20kPa。

7.9 外延层电阻率的测量
方法：四探针法、三探针法、电容-电压(CV)法、扩展 电阻法等 扩展电阻法 特点：可以测量微区的电阻率或电阻率分布。 原理：当金属探针与半导体材料呈欧姆接触时，电阻主 要集中在接触点附近的半导体中，而且呈辐射状 向半导体内扩展。 采用探针形式：单探针、两探针、三探针。 下面以右图所示单探 针为例进行原理说明。

半导体材料第6讲-外延

半导体材料第6讲-外延

外延层应满足的要求
• (4)对于异质外延，外延层与衬底的组分间应突变(要求组 分缓变的例外)并尽量降低外延层和衬底间组分互扩散。 • (5)掺杂浓度控制严格，分布均匀，使得外延层有符合要 求而均匀的电阻率。不仅要求一片外延片内，而且要求同 一炉内，不同炉次生长的外延片的电阻率的一致性好。 • (6) 外延层的厚度应符合要求，均匀性和重复性好。
• (7)有埋层的衬底上外延生长后，埋层图形畸变很小。
• (8)外延片直径尽可能大，利于器件批量生产，降低成本。 • (9)对于化合物半导体外延层和异质结外延热稳定性要好。
5—2 硅的气相外延生长
• 气相硅外延生长是在高温下使挥发性强的硅源 与氢气发生反应或热解，生成的硅原子淀积在 硅衬底上长成外延层。 • 通常使用的硅源是SiH4、SiH2Cl2、SiHCl3 和SiCL4。 • SiHCl3和SiCl4常温下是液体，外延生长温度高， 但生长速度快，易提纯，使用安全，所以它们 是较通用的硅源。早期多使用SiCl4，近来使用 SiHCl3和SiH2Cl2逐渐增多。
• 利用外延片制作半导体器件，特别是化合物半导体器 件绝大多数是制作在外延层上，因此外延层的质量直 接影响器件的成品率和性能。一般来说外延层应满足 下列要求： • (1)表面应平整，光亮，没有亮点，麻坑，雾渍和 滑移线等表面缺陷。 • (2)晶体完整性好，位错和层错密度低。对于硅外 延来说，位错密度应低于1000个／cm2，层错密度应 低于10个／cm2，同时经铬酸腐蚀液腐蚀后表面仍然 光亮。 • (3)外延层的本底杂质浓度要低，补偿少。要求原 料纯度高，系统密封性好，环境清洁，操作严格，避 免外来杂质掺入外延层。
ห้องสมุดไป่ตู้ Epsilon Series Single-Wafer Epitaxial Reactors

第五章_硅外延生长要点

第五章_硅外延生长要点
半导体材料
第五章硅外延生长
5.1外延生长概述
• 外延生长用来生长薄层单晶材料，即薄膜 • 外延生长：在一定条件下，在单晶衬底上， 生长一层合乎要求的单晶层的方法。 • 生长的这层单晶叫外延层。（厚度为几微米）
2
外延生长分类
• 根据外延层性质
同质外延：外延层与衬底同种材料
如Si/Si、GaAs/GaAs 、GaP/GaP;
CVD生长的薄膜未必是单晶，所以严格讲只有生长的薄膜是单晶的CVD才是外延生长。 CVD设备简单，生长参数容易控制，重复性好， 是目前硅外延生长的主要方法
4
根据向衬底输运外延材料的原子的方法不同
• 真空外延、气相外延、液相外延
液相外延（LPE）法的原理是通过将硅熔融在母体里， 降低温度析出硅膜。
根据相变过程
21
5－3－1外延层中的杂质及掺杂
• 1.外延层中的杂质
外延层中杂质来源很多，总的载流子浓度N总可以表示为 ：N总＝N衬底N气N邻片N扩散N基座N系统 N衬底：衬底中挥发出来的杂质掺入外延层中的杂质浓度分量 N气：外延层中来自混合气体的杂质浓度分量 N邻片：外延层中来自相邻衬底的杂质浓度分量 N扩散：衬底中杂质经固相扩散进入外延层的杂质浓度分量 N基座：来自基座的杂质浓度分量 N系统：除上述因素外整个生长系统引入的杂质浓度分量
19
气相均质反应模型
• 这个模型认为： 外延生长反应不是在固－气界面上，而 是在距衬底表面几微米的空间中发生。 反应生成的原子或原子团再转移到衬底 表面上完成晶体生长。
20
5－3硅外延层电阻率的控制
• 不同器件对外延层的电参数要求是不同 的，这就需要在外延生长过程中，精确 控制外延层中的杂质浓度和分布来解决

碳化硅异质外延

碳化硅异质外延

碳化硅异质外延碳化硅异质外延是一种先进的材料制备技术，可以实现在碳化硅基底上生长其他材料，具有广泛的应用前景。

本文将介绍碳化硅异质外延的原理、制备方法和应用领域。

一、碳化硅异质外延的原理碳化硅异质外延是指在碳化硅基底上生长其他材料的过程。

碳化硅是一种具有优异性能的半导体材料，具有高热导率、高击穿电压、高电子迁移率等特点，被广泛应用于高温、高压、高频等领域。

而通过碳化硅异质外延技术，可以在碳化硅基底上生长其他材料，如氮化硅、氮化镓、氮化铝等。

碳化硅异质外延的原理基于外延生长技术，即在一个晶体表面上生长另一种晶体。

在碳化硅异质外延中，首先在碳化硅基底上形成一个薄的缓冲层，用来缓解晶格不匹配和热膨胀系数不匹配所引起的应力。

然后，在缓冲层上生长所需的材料，通过控制生长条件和材料选择，可以实现不同性质的材料生长。

碳化硅异质外延的制备方法主要包括化学气相沉积法和分子束外延法。

化学气相沉积法是一种常用的碳化硅异质外延制备方法。

该方法通过在高温下将气相中的前体物质分解产生反应，使其沉积在碳化硅基底上。

具体步骤包括：将前体物质供应到反应室中，加热至适当温度，使前体物质分解成活性物种；活性物种在碳化硅基底上发生化学反应，形成异质结构。

化学气相沉积法可以实现大面积、均匀的异质外延生长，适用于大规模生产。

分子束外延法是一种高真空下的异质外延制备方法。

该方法通过在高真空环境中利用分子束的能量和动量，使前体物质在碳化硅基底上生长。

具体步骤包括：将前体物质加热至蒸发温度，产生分子束；分子束沉积在碳化硅基底上，形成异质结构。

分子束外延法可以实现高质量、低缺陷的异质外延生长，适用于研究和高精度器件制备。

三、碳化硅异质外延的应用领域碳化硅异质外延材料具有优异的性能和广泛的应用前景。

其应用领域主要包括电子器件、光电子器件和传感器等。

在电子器件领域，碳化硅异质外延可用于制备高功率、高频率器件，如功率MOSFET、射频功率放大器等。

碳化硅具有优异的导电性能和耐高温特性，可以实现更高的功率密度和工作温度，具有广泛的应用前景。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

硅外延中的化学原理一氢气的纯化原理1 分子筛:他是一种人工合成的高效硅铝酸盐,具有微孔结构的晶体,脱水后的分子筛产生许多肉眼看不见的大小相同的孔洞,具有很强的吸附力,能把小于孔洞的分子吸进孔洞而被吸附,大于孔洞的分子挡在孔外,从分子筛小晶粒间通过.此外,是否被吸附还与物质分子的极性有关,一般来说对极性强的,不饱和性大的分子有优先被吸附的能力.如优先吸附水,氨,硫化氢等极性分子,而对氢,甲烷等非极性分子不吸附.分子筛分A,X,Y型,具有以下特性:①分子筛可以用来选择性吸附水分.②气体相对湿度低时具有良好的吸附容量,而且不会被液态水损坏.③具有热稳定性,低高温都可使用.④再生可连续使用,吸收的水分可在350—500℃下加热除去.2 脱氧剂又称C-05催化剂,是含0.03﹪钯的分子筛.工作原理:在常温下氢气通过其表面时,氢气中的氧和氢化合生成水,反应如下:2H2+O2→2H2O+Q催化反应在催化剂的表面进行,如果原料氢中的含氧量过高,放热反应使催化剂表面的温度很高,如含氧量大于5﹪则催化剂的表面温度可达800-1000℃,高的温度将使通过的氢被加热,使吸附效率下降,并会使催化剂的稳定性变坏而失去催化作用(在550℃以下较为稳定),所以允许通过的氢含氧量为2.5﹪.3 钯管的纯化原理其他的方法只能除水和氧气,但氢气中的氮,碳氢化合物,二氧化碳等就难以除去,而采用钯管纯化氢气则可同时除去上述有害气体.钯管又称钯合金膜管,是一个通过气体扩散的方法来制取高纯氢的装置,氢气的纯度可达8个9,是最好的一种方法.其原理如下:金属钯在一定催化条件下有选择的吸附,溶进和渗透氢气的性质.加热到450℃左右时,由于钯的催化作用,氢分子在合金膜表面离解为氢原子,并进一步离解为氢离子和电子,由于钯的晶格常数为3.88埃,而氢离子的半径仅1.5×10-5埃,所以在催化状态下可以通过,然后又合成氢原子,氢原子再合成氢分子.从而达到氢气有高浓度向低浓度的方向扩散.4 二氧化硅的结构二氧化硅晶体:每个硅原子和周围的四个氧原子构成共价键,叫硅氧桥结构.无定形硅:除存在硅桥结构外,也存在由SIO4组成的四面体,氧化工艺中得到的是无定形二氧化硅.湿氧氧化时,还会有非桥键的基(-OH),即硅醇存在.硅桥结构越少,氧化层越疏松.由于硅醇中基的亲水性,易于吸附水,所以湿氧氧化后表面总存留一些水分子不易除尽,这就是疏水的由来.二氧化硅极易被钠离子污染,使器件漏电增大.5 硅P-N结显示的化学原理:3-7﹪的硫酸铜溶液,加几滴氢氟酸,硅可从硫酸铜溶液中置换出铜来,SI+2CUSO4+HF→2CU↓+H2【SIF6】+2H2SO4由于N型硅较P型硅易失去电子,容易发生置换反应,所以在N型硅上有铜析出,从而出现一条明显的分界线.6 硅腐蚀的化学原理通常条件下,硅对浓或稀的硝酸,硫酸以及盐酸都是稳定的,和氢氟酸也不发生反应,硅和硝酸,氢氟酸的混合溶液反应,使硅溶解:SI+4HNO3→SIO2+2H2O+4NO2↑(1)SI02+6HF→H2【SIF6】+2H2O二氧化硅的腐蚀配方:氢氟酸:氟化铵:纯水=3(毫升):6(克):10(毫升)7 环氧树脂;硅氧型高聚物①环氧树脂:以两个碳原子和一个氧原子组成的环状化合物,称环氧乙烷,含环氧乙烷的化合物统称为环氧化和物.②硅氧型高聚物:其基本结构是硅氧交替的共价键和连接在硅原子上的弪基,可以看作是在石英的骨架上,接上了不同的基.因此既具有一般高聚物的可塑性,弹性及可溶解性,又有类似于无机高聚物—石英的耐热性与电绝缘性等优点.硅油:高聚物的链数不大时所生成的液态聚合物叫做硅油.其粘度受温度的影响小,可以在-70℃---300℃之间保持流动性,挥发性小,受热不易氧化,不易燃烧,对化学品抵抗力强,对金属无腐蚀性以及电绝缘性好等优点.另外,他的防水性能优良,在物体外面可以形成一层防水膜.在硅油中加填料的产物叫硅脂.硅橡胶是纯二甲基二氯硅烷水解缩聚(不含三甲基氯硅烷),得到缩合程度较大的直链型聚硅醚,叫做硅橡胶.其优点是:在-60℃--150℃之间仍保持弹性,不变脆,也不变形.8 硅外延中的常识外延生长属于异质形核生长.边界层厚度影响生长速率:R小于5400时是层流,大于5400时是湍流.R为雷诺数.淀积速率受所使用的载体种类的影响,用氦气和氩气时生长速率比氢气快.(111)晶面不含台阶称为奇异面,在其上形成平整,光滑的生长很难,这就是奇异面的不稳定性,这就是为什么要偏离3-5°.而(100)和(110)可以生长光华平整的外延层.外延堆垛层错和乳突是由于衬底沾污引起的,乳突没有晶体学结构.沾污来自于内部杂质源和外部杂质源.内部杂质源主要与衬底杂质外扩散有关.外部可能的来源:外延前石墨基座的扰动,反应室线圈电场产生的静电电荷,它可以增强粒子趋向于衬底表面的吸引力.表面小丘的的形成主要受生长参数的影响,其密度随生长速率和温度倒数的增加而呈指数增加,从而造成橘皮,雾,最终变为多晶硅膜.也有人认为小丘或棱锥体是由于二维核的生长引起的,SI/CL的比值越大越易形成.热应力是位错最普遍的来源.图形漂移的主要原因是晶体学平面生长速率的各向异性,(111)比(100)重.利用红外技术测厚度必须淀积在相同导电类型的衬底上,衬底的电阻率必须小于0.02Ω•㎝.外延层与衬底的电阻率差别越大则测量越准,因为它的测厚原理利用的是浓度差异从而折射系数不同.如果不是同一种类型,则晶格畸变的方向相反,无法出现反射峰.在纯氢中,并在1150-1200℃之间保持10分钟可去除自然氧化层.HCL气腐量为1-2﹪时,可非择优腐蚀表面0.1-0.5µm.但HCL的原位腐蚀也可能择优去除硅表面的掺杂剂使电阻率降低,它也可能是重金属杂质的携带气体.是否加HCL根据情况而定,如果表面缺陷是主要问题最好用HCL腐蚀,当自掺杂成为主要问题时用高温处理的方法.硅的熔点是1412℃,P,N型的掺杂范围10E4-10E18.就生长速率而言(110)晶向最快,(111)最慢.理想无杂质的本征载流子浓度为1.4E14,本征电阻率3E5Ω•㎝.氧进入硅单晶中处于间隙位置.在450℃下热处理时,SO-O的键合状态发生变化,在此温+施主态,从而束缚一个E+电子,叫做热施主,它的存在使电度下,以极快的速度生成SIO4阻率发生变化甚至转型,重金属杂质易在氧的附近沉淀,降低β.在1000-1200℃还形成沉淀,使V-I变软,漏电流增大.氧还和空位结合(O-V).SIO2多晶硅中B,P杂质的扩散系数是单晶的5-20倍.位错对性能的影响:A)吸收效应:铜,铁,镍,锰.B)在应力的作用下,位错可增强扩散,静止的位错不引起增强扩散.应力→位错运动→产生过量空位.B,P半径比SI小,AL,PT,SB比SI大,AS和Si相近.点阵错配将导致位错.由点阵错配产生的位错网络是平行于扩散表面.氧化层错是在高温(920-1250℃)热氧化后产生的,但是热氧化本身不产生层错,来源有两个:一个是片子表面损伤或杂质沾污,另一个是晶体生长时形成的生长缺陷.分抽出型,插入型,氧化层错是后者.层错都发生在(111)面上.外延层错起源于界面,表面损伤起了重要作用,表面沾污,微氧化斑成核.去除方法气相腐蚀.9 HCL气腐的作用与副作用通HCL的目的是腐蚀衬底表面,使之能达到硅外延的要求.实际上通HCL的目的不是去除表面的自然氧化层,而是去除表面沾污,在这一点上以前我们存在误区.如果表面不存在沾污则完全不必加HCL气腐工艺.至于HCL是否帮助背面吸硅至今没有定论.我们背封片(基座不包硅),不去边,去边1㎜及去边2㎜共三种情况做了一些实验:利用SIO2实验,结果是没有太大的区别.这至少说明了两点:第一,以前认为背面边缘对自掺杂的影响较大是没有根据的,在外延的初期可能影响较大,但后期影响较小.也可能是在生长过程中背面生长的多晶硅本身抑制了自掺杂,这和多晶硅背封是同样的道理.第二,在外延的后期背面自掺杂已不是均匀性的主要因素,气体流速,反应室的结构类型以及正面自掺杂变为主要因素.为了证明HCL对自掺杂及背面吸硅的作用我们做了以下实验:用0.002-0.004Ω㎝的衬底,基座包硅8分钟,一片HCL高温气腐8分钟,一片未气腐只高温保持8分钟,长纯度10µm比较二者的电阻率均匀性,边缘未发现有什么区别,但中间未气腐的反而电阻率高.从实验中发现HCL对自掺杂没有明显贡献.相反在较大的HCL量腐蚀后发现:HCL的过量导致了均匀性的降低,显然属于HCL过量腐蚀硅表面所致.在实际生产中减小气腐量均匀性有了显著的增加,并广泛应用于生产中.生产实践中发现如下规律:背封与多晶硅背封的效果相差不大,前者稍好一些.1.SIO22.去环后对均匀性没有较大的影响,自掺杂应分前期自掺杂和后期自掺杂,前期是全方位的自掺杂,后期是正面自掺杂为主,要防止击穿电压带环的问题必须从生长初期控制自掺杂,采用的方式根据具体情况定.实际上边缘去环后背封的意义大打折扣.3.衬底类型,外延厚度和浓度直接关系到采用什么样的方法控制自掺杂.4.去环的目的连长时改善背面边缘处的硅渣,为达到同样的目的可以做以下实验:衬底用0.007-0.009Ω㎝,(111)晶向.掺AS.①全背封,1180℃HCL1升气腐4分钟,然后保持6分钟,降温至1130℃生长.②不背封,1200℃保持8分钟,不气腐降至1130℃生长而且连长测均匀性有什么区别.5建议合理的工艺是:①外延浓度5E15以上的薄外延可以采用高温处理的连长工艺.②(100)晶向由于气腐速度快可更加缩短气腐时间.③考虑采用低温气腐高温处理的方法,低温下多晶硅腐蚀速度远大于单晶,目的是改善背面有硅渣的问题同时减小自掺杂.如果硅表面出现择优腐蚀则此方发法不可用.10 (111)与(100)的区别:①生长速率不同,(100)生长速率大,(111)面属于奇异面难以同质形核,只能靠台阶生长.正因为如此(111)面难以形成光滑的表面而易形成角锥等缺陷,所以(111)的衬底要向(110)方向偏2-5°.②对HCL的反应不同.对(111)而言HCL的择优腐蚀强烈,过量腐蚀易形成麻点.(100)对择优腐蚀不敏感可以气腐时间长一些.但由于(100)的不稳定性HCL对它的腐蚀速率更快,因而自掺杂更严重.③(100)晶向可采取更低的生长温度.④腐蚀缺陷采用的腐蚀液不同.严格地说,STRIL腐蚀液仅适合(1110面的缺陷检查.。