第八章 薄膜淀积西南科技大学理学院 刘德雄 2013.04.01

本章重点

硅外延薄膜制备原理 SiO2薄膜 化学气相淀积(CVD) 物理气相淀积(PVD)

薄膜淀积概述

薄膜类型

①外延薄膜-器件工作区 ②掩蔽膜-实现定域工艺 ③绝缘介质膜-表面保护、钝化、隔离 ④金属膜及多晶膜-电极引线及栅电极

薄膜材料

①半导体材料-Si、GaAs、GaN、SiC、SiGe ②金属材料-Al、Au、Pt、Ni、Cu、W ③无机材料-SiO2 、Si3N4 ④有机材料

薄膜淀积概述薄膜制备 ①间接生长法：制备薄膜所需的原子或分子通过 化学反应得到。 包括：气相外延、热氧化、化学气相淀积(CVD) 等。 ②直接生长法：制备薄膜所需的原子或分子不通 过化学反应，直接转移到衬底上。 包括：液相外延、固相外延、分子束外延(MBE) 、真空蒸发、溅射、涂敷等

§8.1 硅外延薄膜制备原理

外延(epitaxy):在单晶衬底上生长一层新的单 晶的方法(技术)。 特点：①沿衬底的晶向方向生长；②外延温度 低于晶体的熔点；③外延层可与衬底形成突变 PN结。 外延层：衬底上新生长的单晶层。 外延片: 生长了外延层的衬底。

§8.1 硅同质外延薄膜制备原 理外延的分类 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

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

一、外延生长动力学原理

生成的SiCl2吸附在衬底表面： 2SiCl2=Si(s)+SiCl4 SiCl2+H2=Si(s)+2HCl

一、外延生长动力学原理

外延生长的步骤

①传输(扩散):反应物从气相转移到Si表面； ②吸附：反应物吸附在Si表面； ③化学反应：在Si表面进行化学反应，得到Si及副产物 ④脱吸：副产物脱离吸附； ⑤逸出：脱吸的副产物从表面转移到气相，逸出反应室 ⑥加接：生成的Si原子加接到晶格点阵上；

一、外延生长动力学原理外延生长速率:与化学反应动力学、吸(脱)附 动力学、扩散动力学有关，取决于最慢者。 ①常压外延：取决于扩散与化学反应； ②低压外延：取决于吸附与化学反应。 2.生长动力学原理 ①简单的生长模型：假定反应器空间尺寸与基

座相比，可视为无限大，且温度均匀。

一、外延生长动力学原理

②速度附面层：速度分布受到扰动的区域，也称滞留层 自由流体：速度附面层以外的流体。 附面层厚度δ u:在该处的流速是自由流体流速uT的99%。 u x n x g uT

式中，τ -气体粘滞系数；ξ g-气体密度；β n-无量 纲常数，线性分布β n= 。 若基座的长度=L, 则 2 1 L L u u x dx L 0 g uT

一、外延生长动力学原理uT=M/S,M—气体流量，S—反应器截面积。 ③质量附面层δ N:小于δ N,浓度分布不均匀； 大于δ N,浓度分布均匀。 假定在δ N内，浓度呈线性分布，则N G N GS N G 0 N GS

N

y

,0≤y≤ δ

N

式中，NG– δ N内的反应剂浓度；NGS—外延层表面反应 剂浓度；NG0–δ N外的反应剂浓度. ;

一、外延生长动力学原理

设外延层表面反应剂离子流密度为J1,则 N G J 1 DG yy 0

N

DG

N G 0 N GS hG N G 0 N GS

式中，DG-反应剂在H2中的扩散系数；hG-反应剂的气 相转移系数(hG=DG/ δ N≈DG/ δ u)。 设外延层表面消耗的离子流密度为J2,则 J2=ksNGS ks-表观化学反应速率常数. N G0 平衡时， |J1|=J2=J,则 N GS 1 k s / hG

一、外延生长动力学原理

生长速率k s hG N G 0 k s hG N T J v Y N Si k s hG N Si k s hG N Si

式中，NT-单位体积混合气体总分子数；Y-反应剂摩 尔分数；NSi-Si原子密度。 ①当hG» ks,则 NGS≈NG0,V= ks(NT/ NSi) Y,是表面反 应控制。 ②当ks» hG,则 NGS ≈0, V= hG(NT/ NSi) Y,是质量转 移控制。

二、外延掺杂及杂质再分布1. 掺杂原理-以SiH4-H2-PH3为例

2PH3(g)=2P↓+3H2↑ 设Nf为外延层中的杂质浓度，pfs为外延层表面处掺杂 剂的分压，则有 Nf=Hpfs-亨利定律， H-亨利常数 向表面输运的掺杂剂离子流密度为 Jf1=-(hf/kT)(pf0-pfs) 式中，pf0-气相中掺杂剂的分压； hf-掺杂剂气相质量转移系数

二、外延掺杂及杂质再分布表面所消耗的掺杂剂粒子流密度为 Jf2=vNf , 式中，v-生长速率 平衡时， Jf1=- Jf2,hG≈hf,则 Pf0/pfs ≈1+HpG0/NSi ,Nf/NSi =Pf0/(pG0+NSi/H), pG0-气相中反应剂分压。 或 pf0

Nf

1 kT v H hf

二、外延掺杂及杂质再分布2.影响掺杂浓度的因素①掺杂剂分压Pf0:Nf 与 Pf0成正比(图3-15a) ②外延工艺(温度、生长速率): 掺杂剂分压一定时：高温下，H与v无关，掺杂浓度随 生长速率的增加而下降；低温下， Nf∝ HPf0,且H 随生长速率的增加而增加，因此掺杂浓度与生长速率 成正比；。

二、外延掺杂及杂质再分布3.杂质再分布再分布：

外延层中的杂质向衬底扩散； 衬底中的杂质向外延层扩散。 总杂质浓度分布：各自扩散的共同结果。 ①衬底杂质的再分布(图3-21) 初始条件:N2(x,0)=Nsub,x<0; N2(x,0)=0,x>0; 边界条件一：衬底深处杂质浓度均匀，即

N 2 x

x

0

二、外延掺杂及杂质再分布

边界条件二：在外延层表面(x=xf),扩散流密度Jd为 解得： N 2 x ,t N 2 J d D2 xx x f

J b J s h2 v N 2 x f , t

x v h2 2vt x v N sub erfc exp vt x erfc 2 D t 2 D t 2 2 h2 D2 2 2 v h2 v h2 t x v 2 h2 exp 2 h2 D 2

式中，D2-衬底杂质的扩散系数；h2-衬底杂质气相转 移系数；Jd-衬底杂质抵达外延层表面的扩散流密度；