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氣體在半導體外延工藝中起到什么作用

2020-12-05 10:51:57    責任編輯: 外延工藝供氣管道系統工程公司     0

當今,隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步,社會(huì )已進(jìn)入以半導體技術(shù)為核心的信息時(shí)代,在半導體制造生產(chǎn)過(guò)程中需要使用多種特殊氣體,那么今天我們就來(lái)聊一聊在半導體制造生產(chǎn)中氣體在半導體外延工藝中起到什么作用?

外延生長(cháng)實(shí)際上主要是一個(gè)化學(xué)反應過(guò)程。硅外延生長(cháng)使用的主要氣源是氫氣和氯硅烷類(lèi),如四氯化硅(SiCl4)、三氯甲硅烷(SiHCl3)和二氯甲硅烷(SiH2Cl2)。另外,為了降低生長(cháng)溫度,也經(jīng)常使用硅烷作為氣源。選擇使用哪種氣源主要由生長(cháng)條件和外延層的規格來(lái)決定的,其中生長(cháng)溫度是選擇氣源種類(lèi)時(shí)要考慮的最重要因素。硅外延層生長(cháng)速度和生長(cháng)溫度的關(guān)系。圖中顯示了兩個(gè)明顯不同的生長(cháng)區域,在低溫區(區域A),硅外延層的生長(cháng)速度和溫度成指數關(guān)系,表明它們受表面反應控制;而在高溫區(區域B),其生長(cháng)速度和溫度幾乎沒(méi)有直接的關(guān)系,表明它們受質(zhì)量輸運或者擴散的控制。需要著(zhù)重指出的是,在低溫條件下生長(cháng)的硅薄膜為多晶層。硅外延層的形成溫度在每條曲線(xiàn)的轉折點(diǎn)以上,轉折點(diǎn)的溫度隨著(zhù)反應物的摩爾比、氣流速度以及反應爐的種類(lèi)變化而變化。從這張圖中可以推斷出:當以SiH4為氣源時(shí),硅外延層的形成溫度大約在900℃,而以SiCl4為氣源時(shí),硅外延層的形成溫度大約在1 100℃。

需要注意的是還原和腐蝕過(guò)程是相互競爭的,這主要決定于反應物的摩爾比和生長(cháng)溫度。在大氣壓下,以SiCl4和H2為反應物并在總壓強為1.01×l05Pa(1大氣壓)的情況下,腐蝕和沉積的分界線(xiàn)與生長(cháng)溫度和SiCl4分壓的關(guān)系。另外的研究也給出了以SiCl4和H2為硅外延的反應物時(shí),生長(cháng)速度和溫度的關(guān)系,如圖2.2-31表示。從圖中可以看出在低溫和高溫下發(fā)生的是腐蝕過(guò)程。因此在這種情況下,外延溫度通常選在1 100~1300℃。為了得到了較厚的外延層,通常會(huì )選擇SiHCl3作為氣源,主要是因為它的沉積速度比SiCl4的快。

SiCl4作為外延氣源時(shí)所涉及的化學(xué)反應不同,采用SiH4氣源時(shí)的熱分解反應是不可逆的,其過(guò)程可以用、和其他任何氯硅烷相比,硅烷的主要優(yōu)點(diǎn)是在相對較低的溫度下可以得到硅外延層。但是由于硅烷的同質(zhì)反應,很難避免硅的氣相成核。因此在生長(cháng)過(guò)程中將會(huì )形成硅顆粒,從而導致粗糙的表面形貌甚至是多晶生長(cháng)。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)控制生長(cháng)溫度或者在低壓生長(cháng)而得到解決。硅烷是一種易于氧化和爆炸的氣體,因此在傳統的硅外延中,它不被經(jīng)常使用。而且,在以硅烷為氣源的生長(cháng)過(guò)程中不存在HCl,因此不存在腐蝕這道工藝過(guò)程,從而導致外延層中含有更高濃度的金屬雜質(zhì)。因此,在使用硅烷作為外延氣源時(shí),需要采取非常仔細的預清洗工藝。


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