气体在半导体外延中起到的作用

外延生长实际上主要是一个化学反应过程。硅外延生长使用的主要气源是氢气和氯硅烷类，如四氯化硅（SiCl4）、三氯甲硅烷（SiHCl3）和二氯甲硅烷（SiH2Cl2）。另外，为了降低生长温度，也经常使用硅烷作为气源。选择使用哪种气源主要由生长条件和外延层的规格来决定的，其中生长温度是选择气源种类时要考虑的最重要因素。硅外延层生长速度和生长温度的关系。图中显示了两个明显不同的生长区域，在低温区（区域A），硅外延层的生长速度和温度成指数关系，表明它们受表面反应控制；而在高温区（区域B），其生长速度和温度几乎没有直接的关系，表明它们受质量输运或者扩散的控制。需要着重指出的是，在低温条件下生长的硅薄膜为多晶层。硅外延层的形成温度在每条曲线的转折点以上，转折点的温度随着反应物的摩尔比、气流速度以及反应炉的种类变化而变化。从这张图中可以推断出：当以SiH4为气源时，硅外延层的形成温度大约在900℃，而以SiCl4为气源时，硅外延层的形成温度大约在1 100℃。

需要注意的是还原和腐蚀过程是相互竞争的，这主要决定于反应物的摩尔比和生长温度。在大气压下，以SiCl4和H2为反应物并在总压强为1.01×l05Pa（1大气压）的情况下，腐蚀和沉积的分界线与生长温度和SiCl4分压的关系。另外的研究也给出了以SiCl4和H2为硅外延的反应物时，生长速度和温度的关系，如图2.2-31表示。从图中可以看出在低温和高温下发生的是腐蚀过程。因此在这种情况下，外延温度通常选在1 100～1300℃。为了得到了较厚的外延层，通常会选择SiHCl3作为气源，主要是因为它的沉积速度比SiCl4的快。

SiCl4作为外延气源时所涉及的化学反应不同，采用SiH4气源时的热分解反应是不可逆的，其过程可以用、和其他任何氯硅烷相比，硅烷的主要优点是在相对较低的温度下可以得到硅外延层。但是由于硅烷的同质反应，很难避免硅的气相成核。因此在生长过程中将会形成硅颗粒，从而导致粗糙的表面形貌甚至是多晶生长。这个问题可以通过控制生长温度或者在低压生长而得到解决。硅烷是一种易于氧化和爆炸的气体，因此在传统的硅外延中，它不被经常使用。而且，在以硅烷为气源的生长过程中不存在HCl，因此不存在腐蚀这道工艺过程，从而导致外延层中含有更高浓度的金属杂质。因此，在使用硅烷作为外延气源时，需要采取非常仔细的预清洗工艺。