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一、硅外延的定义
硅外延工艺实际上是一种薄层的单晶生长技术,它是在一定的条件下,在硅单晶的衬底片上,沿单晶的结晶方向生长一层具有一定导电类型,电阻率、厚度、晶格结构与体单晶一致的新单晶层。
二、硅外延生长工艺的优点
1、生长温度比它本身的熔点要低
2、可以获得纯度高、缺陷少的单晶薄层
3、由于掺杂工艺灵活,可以获得多种结构的单晶或多层外延便于器件参数结构的调整
三、硅外延工艺的分类
1、按结构分类 同质外延——即外延层在结构与性质上与衬底材料相同,例如N/N+,P/P+
异质外延——即外延层在结构与性质上与衬底材料不同,例:SOI(绝缘衬底上外延)
2、按外延层的厚度和电阻率分类
厚度和电阻率均可按客户要求**控制
3、按外延生长方法分类
直接法——不经过中间化学反应,硅原子直接从源转移到衬底片上形成外延层,例:真空溅射法,分子束外延(物理法)液相外延等等
间接法——通过还原或分解硅化合物得到所需要的硅原子,然后在衬底上淀积形成外延层,我们的硅外延就属于间接生长工艺
四、硅外延的基本原理
1、四种硅源的化学反应及其优点
表一.硅烷和氯硅烷外延
硅源熔点(℃)
沸点(℃)化学反应式淀积压力 温度范围典型生长速率um/min
SiCl4
-6857.6SiCl4+2H2=Si+4HCl常压减压1150-12000.5-1.2
SiHCl3
-12731.8SiHCl3+H2=Si+3HCl常压减压1100-11501.0-3
SiH2Cl2
-1228.3SiH2Cl2=SI+2HCl常压减压1050-11000.5-2
SiH4
-185-112SiH4=Si+2H2常压减压900-10000.1-0.5
2、硅外延的生长过程
硅的化学气相沉积外延生长其原理是在高温(>1100℃)的衬底上输送硅的化合物(SiHCl3或SiCl4或SiH2Cl2等)利用氢(H2)在衬底上通过还原反应析出硅的方法。
气相外延生长过程包括:
(1)反应剂(SiCl4或SiHCl3+H2)气体混合物质量转移到衬底表面;
(2)吸收反应剂分子在表面上(反应物分子穿过附面层向衬底表面迁移);
(3)在表面上进行反应得到硅原子及其副产物;
(4)释放出副产物分子;
(5)副产物分子向主气流质量转移;(排外)
(6)硅原子先在生长层表面形成原子集团——晶核,接着加接到晶核上,使晶核增大,形成新的晶面。
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