硅单晶(或多晶)薄膜的沉积

硅单晶(或多晶)薄膜的沉积

硅（Si）单晶薄膜是利用气相外延(VPE)技术，在一块单晶Si 衬底上沿其原来的结晶
轴方向，生长一层导电类型、电阻率、厚度和晶格完整性都符合要求的新单晶层，层厚一
般为几到几十urn。外延工艺的采用，有效地解决了在制备高频大功率晶体管和高速开关
晶体管时击穿电压和集电极串联电阻对材料电阻率要求的矛盾，从而提高了器件与电路的
性能。
多晶Si薄膜是利用化学气相沉积（CVD）工艺，在各种衬底材料，如Si，SiO2和玻璃
片衬底上，由无数微小晶粒作无规则堆积而成的薄膜。多晶Si薄膜可作为金属—氧化物—
半导体（MOS）器件的栅电极，重掺杂多晶Si薄膜可作为双极晶体管的发射极。
近年，随着半导体材料、器件和集成电路的发展，又出现了许多新的薄膜生长工艺，
如液相外延，固相外延、热壁外延（HBE）、分子束外延（MBE）、金属有机化学气相沉积
（MOCVD）等，这些工艺为半导体薄膜与超薄薄膜的生长奠定了良好技术基础。
在本实验中，我们仅介绍利用气相外延技术，在Si单晶衬底上生长高阻Si单晶外延层
和利用化学气相沉积工艺在SiO2衬底上制备多晶Si薄膜的工艺原理与操作方法。
一、实验目的
1．掌握Si 单晶或多晶薄膜生长的基本原理
2．熟悉Si 单晶或多晶薄膜生长的工艺操作规程
二、外延生长系统
在硅外延生长中普遍使用图1 所示的卧式反应器。此外还有立式反应器。不论用哪种

反应器，外延时都是使含有一定浓度的气态硅化物(如SiCl4或SiH4)的氢气流，流过被高频
感应加热的硅片来生长外延层的。由于在生长过程中反应器壁仍是冷的，就避免了在反应
器壁上的淀积，并使来自反应器的沾污减至最小。整套外延生长系统包括原料气体发生装
置、反应室、加热用高频装置和控制装置。
所用的气体包括①原料气体SiCl4、SiHCl3和S2H2等，②掺杂气体PH3、B2H6和AsH3等。
③H2，对这些气体的纯度都有较高的要求。经过提纯的H2和SiCl4（或其它原料气体）混合
后送人反应室。卧式反应室为石英玻璃制作，硅片放在石墨基座上，石墨由射频感应圈加
热，一般在1160℃以上。薄膜生长速率先随SiCl4含量增加而增大，达到极限值后，再增加
SiCl4含量生长速率反而下降。卧式反应室可同时装大量的硅片，但膜厚的分布和电阻率分
布的均匀性欠佳。立式装置中加热线圈在反应室内，硅片基座为圆盘形，可以旋转。气体
由圆盘中心送入，成放射形向外扩散。此装置中能装的硅片数少，但膜厚和电导率的均匀
性都比卧式好。
三、外延生长的基本原理
外延生长硅单晶（或多晶）的方法可以分成气相淀积和真空淀积两类。本实验则采用
化学气相淀积的方法，就是用运载气体（如氢）携带含化合物的蒸气，在高温下进行反应，
以还原出硅，并使之淀积到衬底上去生成外延层。下边分别介绍“氢气还原四氯化硅”外
延硅单晶薄膜和硅烷（SiH4）热分解生长硅多晶薄膜的基本原理：
1．氢气还原四氯化硅外延硅单晶
此方法是目前普遍采用的一种，能够获得高质量的外延硅单晶。氢还原四氯化硅法是
以运载气体和还原剂，在高温（1200℃）下使氢与四氯化硅发生化学反应，即:
SiCl4+2H2 ＝ Si+4HCl
还原出来的硅原子落在衬底上，便按衬底的晶向排列起来，成为外延生长的硅单晶。
上述化学反应是可逆的，然而在外延生长中由于氯化氢气体不断被排出，硅原子不断
淀积在衬底上，反应式右边的浓度下降；不过因为上述反应式的正反应是主要的，于是外
延生长将继续进行。

2．硅烷热分解外延多晶硅薄膜
硅烷（SiH4）的热分解反应为
SiH4=Si+2H2
整个生长过程可分为 “低温成核”和“淀积生长”两个阶段。“低温成核”温度为650
℃－680℃，“淀积生长”温度在 750℃－800℃之间，在这种工艺条件下生长的多晶硅膜
光亮如镜。多晶硅膜的制备之所以分两个阶段进行，其目的是：（1）低温成核阶段可保证
晶粒的致密性，但生长速度较慢。（2）生长阶段是在低温成核的基础上加快了生长速率，
但仍不破坏生长的致密性。
四、外延生长的操作过程
1．衬底的清洁处理
衬底的表面状况如何对外延层质量有着严重影响，是外延工艺的关键之一。对衬底的
要求是表面平整、光洁。即使如此，仍要对衬底片进行化学处理，以去除表面氧化层、微
粒和游离的金属等各种沾污以利于外延生长的进行。其化学处理过程如下：
甲苯丙酮乙醇去离子水冲→ 硫酸煮至冒烟三次→ → → → 去离子水冲→ 烘干待用。
2．装片

图1.2 高频反应炉   图1.3 气路系统

在超净工作台中，把烘干的衬底片用乙醇棉球擦净后放在基座上，装入反应室内。
(1) 打开高频炉的水冷和风冷，开启高频炉灯丝电压进行灯丝预热。
（2）通人氢气，以排除外延系统中的空气，通气10 分钟后方可开启高压。
（3）加上高压、待温度升至1160－1200℃时（用光学高温计测量），进行SiCl4赶气，
约五分钟。
3．外延生长
将氢气携带的SiCl4蒸气通入反应室内进行生长，氢气流量8 升／分；SiCl4流量：0.45
升/分；生长温度1160℃－1200℃；生长速率：1 微米/分。
4．停止生长
（1）关闭SiCl 截门，继续通氢气5 分钟，以排除生长系统中的SiCl 残余气体。
（2）关高压，待反应室冷却后取片进行质量分析。
五、薄膜的参数
在半导体中衡量薄膜质量的参数一般包括：厚度/均匀性、表面平整度/粗糙度、组成/
核粒尺寸、自由应力、纯净度、完整性。
附：思考题
2、外延生长的基本原理是什么？
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1、什么叫外延？制作平面型晶体管为什么要采用外延工艺？