硅外延中的化學(xué)原理

1、硅外延中的化學(xué)原理一氫氣的純化原理1 分子篩:他是一種人工合成的高效硅鋁酸鹽,具有微孔結(jié)構(gòu)的晶體,脫水后的分子篩產(chǎn)生許多肉眼看不見的大小相同的孔洞,具有很強(qiáng)的吸附力,能把小于孔洞的分子吸進(jìn)孔洞而被吸附,大于孔洞的分子擋在孔外,從分子篩小晶粒間通過.此外,是否被吸附還與物質(zhì)分子的極性有關(guān),一般來說對極性強(qiáng)的,不飽和性大的分子有優(yōu)先被吸附的能力.如優(yōu)先吸附水,氨,硫化氫等極性分子,而對氫,甲烷等非極性分子不吸附.分子篩分A,X,Y型，具有以下特性： 分子篩可以用來選擇性吸附水分. 氣體相對濕度低時具有良好的吸附容量,而且不會被液態(tài)水損壞. 具有熱穩(wěn)定性,低高溫都可使用. 再生可連續(xù)使用，吸收的水分

2、可在350500°C下加熱除去.2 脫氧劑又稱C-05催化劑，是含0.03%鈀的分子篩.工作原理:在常溫下氫氣通過其表面時，氫氣中的氧和氫化合生成水,反應(yīng)如下:2H+O2HO+Q222催化反應(yīng)在催化劑的表面進(jìn)行，如果原料氫中的含氧量過高，放熱反應(yīng)使催化劑表面的溫度很高,如含氧量大于5%則催化劑的表面溫度可達(dá)800-1000C,高的溫度將使通過的氫被加熱，使吸附效率下降，并會使催化劑的穩(wěn)定性變壞而失去催化作用(在550C以下較為穩(wěn)定),所以允許通過的氫含氧量為2.5%.3 鈀管的純化原理其他的方法只能除水和氧氣，但氫氣中的氮，碳?xì)浠衔?，二氧化碳等就難以除去，而采用鈀管純化氫氣則可同時

3、除去上述有害氣體.鈀管又稱鈀合金膜管，是一個通過氣體擴(kuò)散的方法來制取高純氫的裝置，氫氣的純度可達(dá)8個9，是最好的一種方法.其原理如下:金屬鈀在一定催化條件下有選擇的吸附，溶進(jìn)和滲透氫氣的性質(zhì)加熱到450C左右時，由于鈀的催化作用，氫分子在合金膜表面離解為氫原子，并進(jìn)一步離解為氫離子和電子，由于鈀的晶格常數(shù)為3.88埃，而氫離子的半徑僅1.5X10-5埃，所以在催化狀態(tài)下可以通過，然后又合成氫原子，氫原子再合成氫分子.從而達(dá)到氫氣有高濃度向低濃度的方向擴(kuò)散.4 二氧化硅的結(jié)構(gòu)二氧化硅晶體:每個硅原子和周圍的四個氧原子構(gòu)成共價鍵，叫硅氧橋結(jié)構(gòu).無定形硅:除存在硅橋結(jié)構(gòu)外，也存在由SIO組成的四面體

4、，氧化工藝中得到的是無定形二氧化硅.濕氧氧化時，還會有非橋鍵的基(-OH)，即硅醇存在.硅橋結(jié)構(gòu)越少，氧化層越疏松.由于硅醇中基的親水性，易于吸附水，所以濕氧氧化后表面總存留一些水分子不易除盡，這就是疏水的由來.二氧化硅極易被鈉離子污染，使器件漏電增大.5 硅P-N結(jié)顯示的化學(xué)原理:3-7%的硫酸銅溶液，加幾滴氫氟酸，硅可從硫酸銅溶液中置換出銅來，SI+2CUS0+HF2CUI+H【SIF】+2HSO由于N型硅較P型硅易失去電子,6容易發(fā)生置換反應(yīng),所以在N型硅上有銅析出,從而出現(xiàn)一條明顯的分界線.6 硅腐蝕的化學(xué)原理通常條件下,硅對濃或稀的硝酸,硫酸以及鹽酸都是穩(wěn)定的,和氫氟酸也不發(fā)生反應(yīng),

5、硅和硝酸,氫氟酸的混合溶液反應(yīng),使硅溶解:SI+4HN0SI0+2H0+4N0t(1)3222SI0+6HFH【SIF】+2HO二氧化硅的腐蝕配方:氫氟酸:氟化銨:純水=3(毫升):6(克):10(毫升)7 環(huán)氧樹脂;硅氧型高聚物 環(huán)氧樹脂:以兩個碳原子和一個氧原子組成的環(huán)狀化合物,稱環(huán)氧乙烷,含環(huán)氧乙烷的化合物統(tǒng)稱為環(huán)氧化和物. 硅氧型高聚物:其基本結(jié)構(gòu)是硅氧交替的共價鍵和連接在硅原子上的弳基,可以看作是在石英的骨架上,接上了不同的基.因此既具有一般高聚物的可塑性,彈性及可溶解性,又有類似于無機(jī)高聚物石英的耐熱性與電絕緣性等優(yōu)點.硅油:高聚物的鏈數(shù)不大時所生成的液態(tài)聚合物叫做硅油.其粘度受溫

6、度的影響小,可以在-70°C-300°C之間保持流動性，揮發(fā)性小,受熱不易氧化，不易燃燒,對化學(xué)品抵抗力強(qiáng),對金屬無腐蝕性以及電絕緣性好等優(yōu)點.另外,他的防水性能優(yōu)良,在物體外面可以形成一層防水膜.在硅油中加填料的產(chǎn)物叫硅脂.硅橡膠是純二甲基二氯硅烷水解縮聚(不含三甲基氯硅烷)，得到縮合程度較大的直鏈型聚硅醚，叫做硅橡膠.其優(yōu)點是:在-60C150C之間仍保持彈性,不變脆，也不變形.8 硅外延中的常識外延生長屬于異質(zhì)形核生長.邊界層厚度影響生長速率:R小于5400時是層流，大于5400時是湍流.R為雷諾數(shù).淀積速率受所使用的載體種類的影響,用氦氣和氬氣時生長速率比氫氣快.(

7、111)晶面不含臺階稱為奇異面，在其上形成平整，光滑的生長很難，這就是奇異面的不穩(wěn)定性，這就是為什么要偏離3-5°.而(100)和(110)可以生長光華平整的外延層.外延堆垛層錯和乳突是由于襯底沾污引起的，乳突沒有晶體學(xué)結(jié)構(gòu).沾污來自于內(nèi)部雜質(zhì)源和外部雜質(zhì)源.內(nèi)部雜質(zhì)源主要與襯底雜質(zhì)外擴(kuò)散有關(guān).外部可能的來源:外延前石墨基座的擾動，反應(yīng)室線圈電場產(chǎn)生的靜電電荷，它可以增強(qiáng)粒子趨向于襯底表面的吸引力.表面小丘的的形成主要受生長參數(shù)的影響，其密度隨生長速率和溫度倒數(shù)的增加而呈指數(shù)增加，從而造成橘皮，霧，最終變?yōu)槎嗑Ч枘?也有人認(rèn)為小丘或棱錐體是由于二維核的生長引起的,SI/CL的比值越大

8、越易形成.熱應(yīng)力是位錯最普遍的來源.圖形漂移的主要原因是晶體學(xué)平面生長速率的各向異性，(111)比(100)重.利用紅外技術(shù)測厚度必須淀積在相同導(dǎo)電類型的襯底上，襯底的電阻率必須小于0.02Qcm.外延層與襯底的電阻率差別越大則測量越準(zhǔn)，因為它的測厚原理利用的是濃度差異從而折射系數(shù)不同.如果不是同一種類型，則晶格畸變的方向相反，無法出現(xiàn)反射峰.在純氫中，并在1150-1200C之間保持10分鐘可去除自然氧化層.HCL氣腐量為1-2%時,可非擇優(yōu)腐蝕表面0.1-0.5Mm但HCL的原位腐蝕也可能擇優(yōu)去除硅表面的摻雜劑使電阻率降低,它也可能是重金屬雜質(zhì)的攜帶氣體是否加HCL根據(jù)情況而定，如果表面缺

9、陷是主要問題最好用HCL腐蝕，當(dāng)自摻雜成為主要問題時用高溫處理的方法.硅的熔點是1412C，P，N型的摻雜范圍10E4-10E18.就生長速率而言(110)晶向最快，(111)最慢.理想無雜質(zhì)的本征載流子濃度為1.4E14,本征電阻率3E5Qcm.氧進(jìn)入硅單晶中處于間隙位置.在450°C下熱處理時,SO-O的鍵合狀態(tài)發(fā)生變化，在此溫度下，以極快的速度生成SIO+施主態(tài)，從而束縛一個E+電子,叫做熱施主,它的存在使電4阻率發(fā)生變化甚至轉(zhuǎn)型，重金屬雜質(zhì)易在氧的附近沉淀，降低0在1000-1200C還形成SIO沉淀，使V-I變軟，漏電流增大.氧還和空位結(jié)合(O-V).多晶硅中B，P雜質(zhì)的擴(kuò)

10、散系數(shù)是單晶的5-20倍.位錯對性能的影響:A)吸收效應(yīng):銅，鐵，鎳，錳.B)在應(yīng)力的作用下，位錯可增強(qiáng)擴(kuò)散，靜止的位錯不引起增強(qiáng)擴(kuò)散應(yīng)力一位錯運動一產(chǎn)生過量空位.B，P半徑比SI小,AL,PT,SB比SI尢AS和Si相近點陣錯配將導(dǎo)致位錯.由點陣錯配產(chǎn)生的位錯網(wǎng)絡(luò)是平行于擴(kuò)散表面.氧化層錯是在高溫(920-1250C)熱氧化后產(chǎn)生的,但是熱氧化本身不產(chǎn)生層錯,來源有兩個:一個是片子表面損傷或雜質(zhì)沾污，另一個是晶體生長時形成的生長缺陷.分抽出型，插入型，氧化層錯是后者.層錯都發(fā)生在(111)面上.外延層錯起源于界面，表面損傷起了重要作用，表面沾污，微氧化斑成核.去除方法氣相腐蝕.9 HCL氣腐

11、的作用與副作用通HCL的目的是腐蝕襯底表面，使之能達(dá)到硅外延的要求.實際上通HCL的目的不是去除表面的自然氧化層，而是去除表面沾污，在這一點上以前我們存在誤區(qū).如果表面不存在沾污則完全不必加HCL氣腐工藝.至于HCL是否幫助背面吸硅至今沒有定論.我們做了一些實驗:利用SIO背封片(基座不包硅)，不去邊，去邊1mm及去邊2mm共三種情況2實驗，結(jié)果是沒有太大的區(qū)別.這至少說明了兩點:第一，以前認(rèn)為背面邊緣對自摻雜的影響較大是沒有根據(jù)的，在外延的初期可能影響較大，但后期影響較小.也可能是在生長過程中背面生長的多晶硅本身抑制了自摻雜，這和多晶硅背封是同樣的道理.第二，在外延的后期背面自摻雜已不是均勻

12、性的主要因素，氣體流速，反應(yīng)室的結(jié)構(gòu)類型以及正面自摻雜變?yōu)橹饕蛩貫榱俗C明HCL對自摻雜及背面吸硅的作用我們做了以下實驗:用0.002-0.004Qcm的襯底，基座包硅8分鐘，一片HCL高溫氣腐8分鐘,一片未氣腐只高溫保持8分鐘,長純度lOMm比較二者的電阻率均勻性，邊緣未發(fā)現(xiàn)有什么區(qū)別，但中間未氣腐的反而電阻率高.從實驗中發(fā)現(xiàn)HCL對自摻雜沒有明顯貢獻(xiàn).相反在較大的HCL量腐蝕后發(fā)現(xiàn):HCL的過量導(dǎo)致了均勻性的降低，顯然屬于HCL過量腐蝕硅表面所致.在實際生產(chǎn)中減小氣腐量均勻性有了顯著的增加，并廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)中.生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)如下規(guī)律:1.SIO背封與多晶硅背封的效果相差不大，前者稍好一些.

13、22. 去環(huán)后對均勻性沒有較大的影響，自摻雜應(yīng)分前期自摻雜和后期自摻雜，前期是全方位的自摻雜，后期是正面自摻雜為主，要防止擊穿電壓帶環(huán)的問題必須從生長初期控制自摻雜，采用的方式根據(jù)具體情況定.實際上邊緣去環(huán)后背封的意義大打折扣.3. 襯底類型，外延厚度和濃度直接關(guān)系到采用什么樣的方法控制自摻雜.4. 去環(huán)的目的連長時改善背面邊緣處的硅渣，為達(dá)到同樣的目的可以做以下實驗:襯底用0.007-0.009Qcm,(111)晶向.摻AS. 全背封，1180CHCL1升氣腐4分鐘，然后保持6分鐘，降溫至1130C生長. 不背封，1200C保持8分鐘，不氣腐降至1130C生長而且連長測均勻性有什么區(qū)別.5建議合理的工藝是:外延濃度5E15以上的薄外延可以采用高溫處理的連長工藝.(100)晶向由于氣腐速度快可更加縮短氣腐時間. 考慮采用低溫氣腐高溫處理的方法,低溫下多晶硅腐蝕速度遠(yuǎn)大于單晶,目的是改善背面有硅渣的問題同時減小自摻雜.如果硅表面出現(xiàn)擇優(yōu)腐蝕則此方發(fā)法不可用.10 (111)與(100)的區(qū)別:生長速率不同,(100)生長速率大,(111)面屬于奇異面難以同質(zhì)形核,只能靠臺階生長.正因