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氣體在半導(dǎo)體外延工藝中起到什么作用

2020-12-05 10:51:57    責(zé)任編輯: 外延工藝供氣管道系統(tǒng)工程公司     0

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

外延生長實(shí)際上主要是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過程。硅外延生長使用的主要?dú)庠词菤錃夂吐裙柰轭?,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條件和外延層的規(guī)格來決定的,其中生長溫度是選擇氣源種類時(shí)要考慮的最重要因素。硅外延層生長速度和生長溫度的關(guān)系。圖中顯示了兩個(gè)明顯不同的生長區(qū)域,在低溫區(qū)(區(qū)域A),硅外延層的生長速度和溫度成指數(shù)關(guān)系,表明它們受表面反應(yīng)控制;而在高溫區(qū)(區(qū)域B),其生長速度和溫度幾乎沒有直接的關(guān)系,表明它們受質(zhì)量輸運(yùn)或者擴(kuò)散的控制。需要著重指出的是,在低溫條件下生長的硅薄膜為多晶層。硅外延層的形成溫度在每條曲線的轉(zhuǎn)折點(diǎn)以上,轉(zhuǎn)折點(diǎn)的溫度隨著反應(yīng)物的摩爾比、氣流速度以及反應(yīng)爐的種類變化而變化。從這張圖中可以推斷出:當(dāng)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程是相互競爭的,這主要決定于反應(yīng)物的摩爾比和生長溫度。在大氣壓下,以SiCl4和H2為反應(yīng)物并在總壓強(qiáng)為1.01×l05Pa(1大氣壓)的情況下,腐蝕和沉積的分界線與生長溫度和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(yīng)物時(shí),生長速度和溫度的關(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,通常會選擇SiHCl3作為氣源,主要是因?yàn)樗某练e速度比SiCl4的快。

SiCl4作為外延氣源時(shí)所涉及的化學(xué)反應(yīng)不同,采用SiH4氣源時(shí)的熱分解反應(yīng)是不可逆的,其過程可以用、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(yīng),很難避免硅的氣相成核。因此在生長過程中將會形成硅顆粒,從而導(dǎo)致粗糙的表面形貌甚至是多晶生長。這個(gè)問題可以通過控制生長溫度或者在低壓生長而得到解決。硅烷是一種易于氧化和爆炸的氣體,因此在傳統(tǒng)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過程中不存在HCl,因此不存在腐蝕這道工藝過程,從而導(dǎo)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(xì)的預(yù)清洗工藝。


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