【文章內(nèi)容簡介】 。氫占據(jù)硅表面位置，如果不被排除，會阻止新的硅原子加入到生長薄膜中。 實際外延溫度是選在高溫區(qū) (B區(qū) )： 在高溫區(qū)外延，表面 Si原子有足夠的能量和遷移能力，運動到扭轉(zhuǎn)的位置， 易生成單晶 。 生長速率與反應(yīng)劑濃度的關(guān)系 SiCl4氫還原法外延過程中，生長速率主要受兩個過程控制： ? 氫還原 SiCl4析出硅原子過程； ? 硅原子在襯底上生成單晶層的過程。 速度中較慢的一個將決定外延生長速率。 當(dāng) SiCl4濃度較小時 ， SiCl4被氫還原析出硅原子的速度遠(yuǎn)小于 Si原子在襯底上生成單晶的速度，因此 化學(xué)反應(yīng)速度控制著外延層的生長速率。 SiCl4濃度增加時，化學(xué)反應(yīng)速度加快，生長速率提高。 當(dāng) SiCl4濃度大到一定程度時 ，化學(xué)反應(yīng)釋放硅原子速度大于硅原子在襯底表面的排列生長速度，此時 生長速率受硅原子在襯底表面排列生長的速度控制。 進(jìn)一步增大 SiCl4濃度 ，也就是當(dāng) y值達(dá)到 ， 生長速率就開始減小 。當(dāng) SiCl4的濃度增長到 ，逆向反應(yīng)發(fā)生，硅被腐蝕。當(dāng)氫氣中 SiCl4的摩爾分?jǐn)?shù)大于 ，只存在腐蝕反應(yīng)。 典型生長速率為 1?m/min，如圖所示。 生長速率與氣體流速的關(guān)系 SiCl4氫還原法外延溫度一般在 1200度 左右的高溫下，到達(dá)襯底表面的反應(yīng)劑會立即發(fā)生反應(yīng)， （ 薄膜 生長速率受反應(yīng)劑以擴(kuò)散方式穿越邊界層的 質(zhì)量輸運過程控制 。 氣體流速越大，外延層生長速率越快。 當(dāng)氣體流量大到一定程度時，外延層生長速率基本不隨氣體流量增大而加快，這時的生長速率則由化學(xué)反應(yīng)速率所決定。 ） 襯底晶向?qū)ιL速率的影響 襯底表面的取向?qū)ν庋由L速率也有一定的影響。 不同晶面的鍵密度不同，鍵合能力就存在差別，因而對生長速率就會產(chǎn)生一定的影響。 硅的 (111)晶面的雙層原子面之間的共價鍵密度最小，鍵合能力差，故外延層生長速率就慢。 (110)晶面之間的原子鍵密度大，鍵合能力強(qiáng)，外延層生長速率就相對地快。 （襯底表面的取向?qū)ν庋由L速率也有一定的影響。不同晶面的鍵密度不同，晶面之間的原子鍵密度越大，鍵合能力越強(qiáng)，外延層生長速率就相對地快） 、外延層中的雜質(zhì)分布 外延工藝不僅要求外延層具有完美的晶體結(jié)構(gòu)，還要求： ? 精確控制外延層摻雜濃度； ? 外延層與襯底之間具有突變型的雜質(zhì)分布。 SiCl4氫還原法的外延溫度高，導(dǎo)致： ? 襯底中雜質(zhì)蒸發(fā)，改變了氣相中的雜質(zhì)成份和濃度 ? 襯底中雜質(zhì)與外延層中雜質(zhì)互擴(kuò)散，使界面處雜質(zhì)分布變緩 原位摻雜： 雜質(zhì)原子是在外延生長過程中摻入到外延層晶格中的，雜質(zhì)源使外延生長過程變得更為復(fù)雜。 摻雜劑： B2H6， PH3， AsH3，稀釋后與生長外延層的反應(yīng)劑一同輸送到反應(yīng)室。 右圖是幾種摻雜劑的摻入效率與生長溫度的關(guān)系。硅的生長速率保持恒定時，硼的摻入量隨生長溫度上升而增加，而磷和砷卻隨溫度上升而下降。 實際摻雜效率還與摻雜劑的類型和濃度、外延層的生長速率、襯底的取向等因素有關(guān)。 摻雜原理 擴(kuò)散效應(yīng) 擴(kuò)散效應(yīng)： 襯底中的雜質(zhì)與外延層中的雜質(zhì)，在外延生長時互相擴(kuò)散，引起襯底與外延層界面附近的雜質(zhì)濃度緩慢變化。 當(dāng)雜質(zhì)的擴(kuò)散速度遠(yuǎn)小于外延層的生長速度時，外延層中的雜質(zhì)濃度分布由下式給出： 式中“ +”和“ ”分別對應(yīng) n/n+ (p/p+) 和 p/n+ (n/p+)型外延片。 ???????? ?????????? ??tDxe r fCtDxe r fCxCeesse 212212)(0 自摻雜效應(yīng) 自摻雜效應(yīng)： 在外延生長過程中，襯底或外延層中的雜質(zhì)進(jìn)入邊界層中，改變了邊界層的摻雜成份和濃度，導(dǎo)致外延層中雜質(zhì)的實際分布偏離理想情況。 在摻雜襯底上生長摻雜外延層時，因為自摻雜效應(yīng)，外延層中的雜質(zhì)濃度分布為： 式中 Cs為襯底中均勻分布的雜質(zhì)濃度， Ce0為無限厚處外延層的雜質(zhì)濃度。 “ +”和“ ”分別對應(yīng) n/n+ (p/p+) 和 p/n+ (n/p+)型外延片。 )1()( 0 XeXse eCeCxC ???? ??? 在重?fù)诫s襯底上生長含有相同導(dǎo)電類型的輕摻雜外延層時，雜質(zhì)濃度分布右圖中 (a)所示。 在輕摻雜襯底上，生長不同導(dǎo)電類型的重?fù)诫s外延層，雜質(zhì)分布情況如圖中 (b)所示。由圖可見，在外延過程中由于自摻雜效應(yīng)的影響，引起 pn結(jié)位置的移動。 由圖可以看到，雜質(zhì)濃度的突變型分布是不能實現(xiàn)的。 同時考慮擴(kuò)散效應(yīng)和自摻雜效應(yīng)，在重?fù)诫s襯底上生長輕摻雜外延層時，襯底與外延層之間過渡區(qū)的雜質(zhì)分布如圖。 緊靠近襯底的外延層 (A區(qū) )，摻雜濃度高，這是因為在外延生長過程中摻雜劑從襯底擴(kuò)散到外延層中。 與擴(kuò)散速度相比外延生長速度要大得多，因此很快就抑制了這種影響。 B區(qū)是自摻雜效應(yīng)對過渡區(qū)的影響。 當(dāng)外延層生長一定厚度時，自摻雜效應(yīng)影響也降低，外延層中雜質(zhì)濃度達(dá)到期望值。 同時考慮擴(kuò)散效應(yīng)和自摻雜效應(yīng)的雜質(zhì)濃度分布 (1) 為了減小 B的自摻雜 ，保證外延質(zhì)量和速度前提下， 盡量降低外延生長溫度 。但對于 As雜質(zhì)無效， As的自摻雜程度隨著溫度的降低而增強(qiáng)。 (2) 對于 n型襯底，應(yīng)該使用 蒸氣壓低并且擴(kuò)散速率也低的雜質(zhì)作為埋層雜質(zhì) 。如用 Sb替代高蒸氣壓的 As和高擴(kuò)散速率的 P。 (3) 對于重?fù)诫s的襯底，需要 使用輕摻雜的硅來密封重?fù)诫s襯底的底面和側(cè)面，進(jìn)而減少雜質(zhì)的外逸。 (4) 為了減小自摻雜， 外延系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)工作在低壓條件下， 此時氣態(tài)雜質(zhì)原子的擴(kuò)散速率高， 由襯底逸出的大部分雜質(zhì)被主氣流帶出反應(yīng)室。 對As和 P的效果顯著，而對 B的作用不明顯。 減小自摻雜效應(yīng)影響的方法 （作業(yè) 3） (5) 可以使用經(jīng)過 離子注入的埋層來降低襯底表面的雜質(zhì)濃度 。 (6) 可以在埋層或者 襯底上生長未摻雜的薄膜（本征層） 來避免襯底中的雜質(zhì)外逸，之后再進(jìn)行原位摻雜。 (7) 應(yīng)當(dāng)避免在高溫下采用 HCl對襯底進(jìn)行腐蝕，或者在腐蝕之后 使用低溫氣流除去因腐蝕外逸的雜質(zhì) 。