第五章硅外延生长课件.ppt
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1、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,GaAsGaAlAs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
2、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-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
3、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 SiCl42H2Si 4HCl,工艺生长过程:,反应物
4、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
5、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
6、Y (5-9)(5-10)讨论:反应物的浓度对生长速率的影响 GY , 与反应浓度较小的实验结果(图5-3)符合 。随着Y,G达最大值,随着Y,G,反应的温度对生长速率的影响(图5-4),在低温范围内:当hG Ks 生长速率受表面化学反应的速率KS的控制表面反应速率系数 T G 在高温范围内:当hG Ks 生长速率受质量输运的速率的控制气相质量转移系数 = 1.752 hG 随温度变化不大, G随温度变化小,气流速度对生长速率的影响,在反应物浓度和生长温度一定时,水平反应器中,生长速率基本上与总气体流速的平方成正比。对于立式反应器,在流速较低时,生长速率基本上与总气体流速的平方成正比,但流速超
7、过一定值后,生长速率达到稳定的极限值而不再增加。,边界层及特性,流体力学研究表明,当流体以速度0流过一平板上时,由于流体与平板间的摩擦力,在外延的情况下就是气流与基座之间的摩擦力,使紧贴基座表面的流体的流速为零,而离开表面时,基座表面的影响逐渐减弱,达到某一距离后,流体仍以速度0继续向前流动。在接近基座表面的流体中就出现一个流体速度受到干扰而变化的薄层,而在此薄层外的流速则不受影响,称此薄层为边界层(停止层、滞留层)边界层的厚度 (5-1),停滞层模型(图5-9),生长速率 (5-21)P0反应物分压, 0气流的平均速率, x沿基座的距离 边界层厚度 (5-1) 0-1/2 G -1 01/2
8、;,讨论反应物的分压对生长速率的影响 G与分压p0成正比, p0 G 反应物的流速对生长速率的影响 0-1/2 0 G ,与图5-5 相符生长速率与沿基座的距离x有关 x G 引起衬底淀积不均匀,(5-21),为了使基座上所有的衬底都能均匀淀积,埃威斯登提出将基座倾斜一个小的角度。(图5-10) 0 G =2.9时,实验结果表明: 气流速度较低时,生长速率仍然沿其基座长度方向降低,如气流适当,在基座80%的位置上生长速率波动小于2%,外延生长速率的影响因素,反应物的浓度对生长速率的影响 GY , 与反应浓度较小的实验结果(图5-3)符合 。随着Y,G达最大值,随着YG反应的温度对生长速率的影响
9、 低温时, T G ;高温时T G变化不大(图5-4 )反应物的流速对生长速率的影响 0 G , G 0平方根,与图5-5 相符衬底晶向对生长速率的影响 ,5.3硅外延层电阻率的控制,外延层中的杂质与掺杂外延层中杂质的再分布外延层中的自掺杂,5.3.1外延层中的杂质与掺杂1.外延层中的杂质,N总=N衬底N扩散 N气 N基座 N系统N衬底由衬底中挥发出来的杂质在外延生长时掺入外延层中杂质浓度N扩散衬底中的杂质经过固相扩散进入外延层中的杂质浓度N气外延层中来自混合气体的杂质浓度N基座来自基座的杂质浓度N系统来自除上述因素以外整个生长系统引入的杂质浓度N气N基座N系统外掺杂 N扩散N衬底自掺杂 N气
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