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閱讀：97發(fā)布時(shí)間：2025-12-27
當(dāng)今，隨著時(shí)代的進(jìn)步，社會(huì)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(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(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(zhǎng)實(shí)際上主要是一個(gè)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。硅外延生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)條件和外延層的規(guī)格來(lái)決定的，其中生長(zhǎng)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(zhǎng)速度和生長(zhǎng)溫度的關(guān)系。圖中顯示了兩個(gè)明顯不同的生長(zhǎng)區(qū)域，在低溫區(qū)（區(qū)域A），硅外延層的生長(zhǎng)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(zhǎng)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(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(zhǎng)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(guò)程是相互競(jìng)爭(zhēng)的，這主要決定于反應(yīng)物的摩爾比和生長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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?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(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(duì)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(zhǎng)過(guò)程中將會(huì)形成硅顆粒，從而導(dǎo)致粗糙的表面形貌甚至是多晶生長(zhǎng)。這個(gè)問(wèn)題可以通過(guò)控制生長(zhǎng)溫度或者在低壓生長(zhǎng)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(zhǎng)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(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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