等离子体化学气相沉积硅外延

第】5卷 第 】期 I f c t ～ 青 岛 化 工 学 院 学 藿 Jo~nal 《 an0a∞ lr 岫；《 曲 emi呲 d嘧 r VoL】5 No．】 l994 等离子体化学气相沉积硅外延 石玉龙 (尊离子体表面技术研兜所) G · Ratz tt．P．目罄er S．Veprek (慕尼蒜工大信息化学研究所) 3。 。} ． 摘 要 ：运用射塌等离子诛化学气相沉积在si(100)P进行外延试骚，并 用四极质谱仪 (QMS)进扦监测，得出j Sill4最度的变化规律。试验结果表明 在 600"(3，压力为300mTorr时，外延生长率最高，为4sob／min，膜中H含量也 较低，为】．5％[at]．在压力为 30mTorr，7o0℃时，外延生长率为 59。6^ ／mln， 膜中H含量降至2t 5 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 [at]· 关键词t§ }暌 毪 0 引言 硅外延擘 辛。 一 随着科学的发展，半导体材料在电子工业上的她位越来越重要。例如，在 1991年硅在微 电子市场上能占 98 [ 。这是因为硅有其独特的物理和化学性质 ，而利用它制成的非晶硅， 微晶硅有很多用途，如用于太阳能电池、传感器、复印机鼓的感光层、可以寄存的液晶显示器 等 ，还可以用于制造不同种类的集成微电子元件。 硅外延主要用来翩备集成电路。近来，集成电路的规模越来越大，尺寸变的越来越小。而 只有在低温下进行硅外延才能满足制造亚微米原件和三维集成电路的需要 。 硅外延的方法很多 ，如 分子 束外延 (臌 )．离子 束外 延(雠 )，化学 气相沉积 法 (cVD)，等离子体化学气相沉积法(PCVD)等。以上方法各有其优缺点。而等离子体化学气相 沉积硅外延则可在较低温度下进行，而作者也是主要从褰这方面的工作。 1 试验 1．1 反应机理 反应气体是用硅烷(sm．)，使其分解产生 si沉积在单晶Si(100)或 Si(111)上，使其外延 生长。反应机理如下b ： a)气相 Sm 4+M ~ I．-I‘‘ (1a) siHI‘一 s{H2+H2 (1b) 收稿 日期 ；19g3—02一】5 维普资讯 http://www.cqvip.com 青 岛 化 工 学 I完 学 报 Sfi-I2+ SiH‘ =±s{2HB’ s{ 6 +M — i2H6+ M SiH2+ Si2HB = s{3H日‘ si 日‘+ M — i 日+ M b)表面 SiHI— s讯‘(ads)一 sj(s)+2H2 sj 6一 sj H6(ads)一 SiH2(ads)+SⅡ Sfi-I2(ads)一 sj(吕)-4"-H2 si3H日一 ?一 ) l(s)+(3一x)／lls H2 +1)+yH2 1．2 装置 试验装置如图1所示。 图 】 PCVD硅外延装量简田 这是一台高真空试验装置，其真空度可选 1 0-9mbaz数量级。装置上有预真空室和主真 空室以始终使主真空室保持很高的真空度。还配备了一台四极质谱仪可以随时测量反应气 体的成分。电源采用 80MHz 2KW 射额电源。反应气体为 5 SfH·／ ，Hz用于预清理反应室 用。CF。和 O 用于反应后的反应嚣清理。Ar作为保护气体用于装取试样。 1．3 试验过程 硅片采用si(1 00)P型 ，先经过天平称重，然后经 RCAIs]处理，即用一定比铡的盐酸和氨 水分别与双氧水配制成溶液。在超声波中 80"C水温分别用速两种溶液清洗硅片各 15miu 清 ^ ^ ^ ^ ^ ^ ) ) “ 维普资讯 http://www.cqvip.com 第 1期 等离干体化学气相沉积硅外廷 洗后甩高纯水冲净硅片再放到 5 的 HF中 60 s，再用高纯水冲洗 2min，然后在干燥器内甩 干即可装入预真空室。 装试样前主真空室必须清理 ，方法是 ：升温至 600"C，分别通入 H：和 SiH ／H ，压力分别 为 130mTorr，30mTorr，经过四次约 1小时的放电清理 ，即为外延试验做了准备 。 在顶真空室的真空抽至与主真空室相近时，即可打开门阀将硅片装入主真空室 。 在温 度、压力调节到所需要的值时，便可进行外延试验。 1．d 四极质谱仪(QMS)监测 图 2中的荷质 比 m／e=30，l8，2分别为 sm ，H：o 和 H 。b)，c)为 d)的放大图，从 中可 以 看 出 在放 电 中 smt主 要 分 鹪 为 SiH ，它的含量即 可代表 气相 中 sm4的含 量。它在反应中起着主导作用。 图 3为 闽 13旋 开 2，3，4，5，l3即 U2， U3，u4，U5和 U1 3所测得的驰豫时间f。 驰豫时间是衡量反应气体在反应器内滞 留时间的物理量，它对化学反应起着重要的 影响作用 图中有两条曲线，这是甩两种方法 测得的驰豫时 闻。其中 △利用公式 7)测得 。 = · 坐AP (7) ‘一 0 ) 其 中，P为反应器压 力， 为 反应器容积， r 为整个反应器带同管道的容积。 O是根据针阀 l2的曲线来测定的。虽然 两种方法有一定误差 ，但看出这两条曲线基 本平行，说明测量的相对值正确，差异是属于 方法不确而引起的。 图 4为四极质谱仪测得的SiH·／H2浓度 臣。从图 4中四极质谱仪测褥 SiHdHz电流 信号 比可推算出反应器 中siH 的浓度。 图 5为射颠放电功率与 SiHJH：浓度的 关系曲线。图5中有 9 SIHdH 和 5 SiH‘／ 圈 2 放电巾s ．／H：的质谱丹析 气体 ； s皿·／H：．P湘。／a2—27 3 mT。丌(放电时) ( P 一1 6×10一‘retort 放电功率 P一60w H：两条曲线 ，反应压力为 30reTort。图中阴影部分为沉积区。右边为部分化学平衡区，可见等 离子体化学气相沉积硅外延是在非化学平衡中进行。 2 结果和讨论 图 6为反应气体 压力与沉积速率的关 系图。反应条件为 5 sm．／H：，沉积温度 = 600"C，阀 l3旋转 1 3转 ，f=0．1 5秒 ，放电功率为 60W。由图可以看出，沉积速率随着压力增 加而增加 ，到达 300mTorr时为 450^ ／mm，然后又逐渐下降。 维普资讯 http://www.cqvip.com 青 岛 化 工 学 院 学 报 卷 雹 3 不同状态下的弛聋时问 △ 压力法 0 瘴量莹 v置应·一n 7|吼 气体} Pt＆-：29--31 m1 r 图5 射颠放电功率与 smt／}I2的关系曲拽 图 7为沉积温度与沉积速率的关系图。反 应条件为 5 Si ／H2，沉积压力 P一 0mT~"， 阎 i 3旋转 l3转．f一0．15s，放 电功率为 60W。 由图 7可以看出，在温度为 700℃ 时沉积速率 最高 ，可达 59．6A／mm。 对 si外延试样进行了红外(Ⅲ)测试。测试 其 SiHz，siH的吉量。图 8为不同温度下进行硅 外延所测的红外曲线。由图 8可以看出，随着温 度的升高，峰的强度逐渐降低。 图 9为硅 外延生长中压力与膜中 H吉量 的关系图。反应条件如图 6。由图 9可以看 出， 随着压力的升高 H含量逐新降低至 300reTort 时的 1．5 Eat3。然后 又逐渐增加。 VD自]xJ∞ 图4 s旺 ／ 浓度的标定 图 6 压力与沉积速率的美系 图7 褪压与沉积建率的关系 善口． ＼苷删 并唁 维普资讯 http://www.cqvip.com 维普资讯 http://www.cqvip.com 青 岛 化 工 学 I完 学 报 】5喜 反应温度为 600℃，压力为 300mTorr时，沉积速率最高达 450^ ／m_m，膜中H含量也较 低为 1．5 [at]。 反应压力为 30mTorr，温度为 ?00"C时，沉积速率最高为 59．6^ ／m'm，膜 中 H含量最低 为 2．75 [ac]。 由x—ray衍射分析表明，外延硅为多晶，但具有较强的(400)织构。 参 考 文 献 SVeta-~ ．theIntca-aatlon~ &咖 越 Sctz．ol on Di蹿 ∞吐 and^ 咄毫【 0m 仙 Films_27th 一 4thJune】99】，(】Ⅱl1m in Trebone．( 自jK vakj 石玉龙．气相中晶体生长与外廷的方怯，青岛化工学院学报-14(4)． JM Jas~nski。JO ( ．JOaen 舯 ．1989I(88)J 678． S N Gete~Sm-I Sa．1988‘(196)307． SM S越．VI 豇 Tectmclogy。3rd。d。McG墙耳一H丑 ]985 Smgepar~ T 删 +et a1．J Eleoxon~Mateziab．1990Il9(10)． Epitaxial Silicon by Plasma Chemical Vapor Deposition Shl Y g (Thin F laboratory) G。 丑d扛 H ．P。Egger +Vepreh Ahs~act：Silicon epitaxial groWhh technique by p1asma chemical vapor deposition has been de- veloped．Epitaxial thin films grew on Si(100)P substrate~．The concen廿a廿on of Sit-I4could be exarn reed byQMS． Ar．600℃ ，whenthe pressure 300mTorr，the growth ratew gre,ate,gt，45OA／min—andthe content of H in the films wag lower．1．5 m．W hen the pressure 30 retort，at 700℃ ，The growthrateinca'easedto 59．6℃^／min，andthecontent ofHi凸thefilms decreasedtc 2．75 at。 Key Words：pl锄 chemical vapor deposition；epiUL,cial silicon 维普资讯 http://www.cqvip.com