气体在半导体外延中起到的作用

外延生长本质上是一个化学反应过程。用于硅外延生长的主要气体源是氢和氯硅烷，例如四氯化硅（SiCl4）、三氯氢硅（SiHCl3）和二氯硅烷（SiH2Cl2）。此外，硅烷经常被用作气体源以降低生长温度。气源的选择主要取决于外延层的生长条件和规格，其中生长温度是选择气源的最重要因素。硅外延层的生长速率和生长温度之间的关系。

显示了两个不同的增长区域。在低温区域（区域A）中，硅外延层的生长速率与温度成指数关系，这意味着它们由表面反应控制；在高温范围（区域B），生长速率与温度几乎没有直接关系，表明它们受质量传输或扩散控制。应该强调的是，在低温下生长的硅膜是多晶层。硅外延层的形成温度高于每条曲线的转折点，转折点的温度随反应物的摩尔比、气体速度和反应器类型而变化。从该图可以推断，当SiH4用作气源时，硅外延层的形成温度约为900℃，而当SiCl4用作气源时硅外延层形成温度约1100℃。

应该注意，还原和腐蚀过程是竞争性的，这主要取决于反应物的摩尔比和生长温度。在大气压下，SiCl4和H2作为反应物，总压力为1.01×l05Pa（1大气压），这是腐蚀和沉积边界与生长温度和SiCl4分压之间的关系。此外，该研究还显示了当SiCl4和H2用作硅外延反应物时，生长速率与温度之间的关系，如图所示。2.2-31.该图显示，腐蚀过程发生在低温和高温下。因此，在这种情况下，外延温度通常为1100~1300℃。为了获得更厚的外延层，通常选择SiHCl3作为气体源，主要是因为其沉积速度比SiCl4更快。

使用SiCl4作为外延气体源时的化学反应是不同的。使用SiH4气源时的热分解反应是不可逆的。可以使用该程序。与任何其他氯硅烷相比，硅烷的主要优点是可以在相对较低的温度下获得硅外延。然而，由于硅烷的均相反应，很难避免硅的气相成核。因此，硅颗粒在生长过程中形成，导致粗糙的表面形态，甚至多晶生长。这个问题可以通过控制生长温度或在低压下生长来解决。硅烷是一种容易氧化和爆炸的气体，因此不常用于传统的硅外延。此外，在使用硅烷作为气体源的生长过程中不存在HCl，因此不存在导致外延层中金属杂质浓度更高的腐蚀过程。因此，当使用硅烷作为外延气体源时，需要非常仔细的预清洁。

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