薄膜材料技术与物理5.pdf

1 第五章硅液相外延第五章硅液相外延 液相外延 液相外延 Liquid Phase Epitaxy LPE 从过冷饱和溶液中析出固相物质并沉积在单晶衬底 上生成单晶薄膜 1963年 尼尔松发明 用于外延GaAs 物理理论基础 物理理论基础 假设溶质在液态溶剂内的溶解度随温度 的降低而减少 那么当溶液饱和后再被冷却时 溶质会 析出 若有衬底与饱和溶液接触 那么溶质在适当条件 下可外延生长在衬底上 生长方式特 点优 点缺 点生长方式特 点优 点缺 点 稳态稳态 温度梯度 外延生长 利用衬底 低温 与源 片 高温 之间溶液的 温度差造成的温度梯度 实现溶质的外延生长 可生长组分均 匀的厚外延层 厚度不均匀 瞬态瞬态每次开始操作前不让衬 底与溶液接触 生长0 1 几 m 的薄外延层 厚度比稳态法 的要均匀得多 瞬态LPE 溶液冷却方法 平衡法 分步冷却法 突冷法 过冷法 两相法 5 1 液相外延生长的原理液相外延生长的原理 溶于熔体中的硅淀积在硅单晶衬底上 并形成单晶薄膜 实现淀积 在生长过程中溶于熔体中的硅是过饱和的 熔体 也称熔剂 不是水 酒精等液体 而是低熔点金属的 熔体 在这里 硅外延用的熔体是锡 也可用镓 铝 硅在熔体中的溶解度随温度变化而变化 在以锡溶剂中 硅的溶解度随温度降低而减少 硅液相外延生长 硅液相外延生长 通过降低熔体温度进行 过冷生长 逐步过冷 冷却速率 min 熔体饱和后降低温度 使熔体呈过饱和 然后维持 恒定温度进行生长 等温生长 溶液生长晶体的过程 可分为以下步骤 溶液生长晶体的过程 可分为以下步骤 1 熔硅原子从熔体内以扩散 对流和强迫对流方式进行输 运 2 通过边界层的体扩散 3 晶体表面吸附 4 从表面扩散到台阶 5 台阶吸附 6 沿台阶扩散 7 在台阶的扭折处结合入晶体 质量输运过程 冷却速率相关 受表面动力学支配 2 A 质量输运控制 表面动力学过程快于质量输运过程 生长速率将由 质量输运控制 通常液相外延生长都是在这种条件下进 行的 B 表面动力学控制 质量输运速率过程快于表面动力学过程 生长速率 受表面动力学限制 一 过冷生长动力学 逐步冷却 冷却速率恒定 一 过冷生长动力学 逐步冷却 冷却速率恒定 选择5种冷却速率 0 2 min 0 5 min 0 75 min 2 5 min 7 min 0 2 min 0 5 min 0 75 min 2 5 min 7 min 对应每一冷却速率 可得到一固定的生长速率 生长速率随冷却速率增加而增加 由什么限制 冷却速率 而生长速率不再增加 由什么限制 图5 1 外延层厚度与 a 生长时间和 b 过冷度的关系 0 2 min 0 5 min 0 75 min 2 5 min 7 0 min 较高冷却速率 所有点都落在一条直线上 较低冷却速率生长 外延层厚度与过冷度成线性 质量输运 限制 所有冷却速率 外延层厚度与生长时间成正比 由质量输运限制的生长速率 存在边界层 溶质线性 梯度分布 在低冷却速率的情况下 D 溶质有效分凝系数 过饱和度 平衡溶质浓 度 晶体密度 边界层厚度 如果溶质溶解度随湿度线性变化 800 950 同时 冷却速率为常数C 可以这样认为 KC 其中K是比例常数 与冷却速率大小有关 那么生长速率 薄膜厚度 Thickness 可以看出 膜厚最终取决于过冷度 与冷却速度无关 在较低的冷却速率下 表面动力学过程比质量输运过程 快 生长速率受质量输运限制 生长速率为质量输运限制 冷却速率增大 C 生长速率为表面动力学限制 大冷却速率 与C无关 图5 2 生长速率随冷 却速率的变化关系 冷却速率上升 生长速率趋于饱和 在过冷生长条件下获得外延层的形态 表面质量 1 低冷却速率0 2 min 表面平整 2 冷却速率 0 5 min 有锡的类杂 组分过冷 3 冷却速率 7 min 表面形态强烈依赖下表面晶向 3 二 等温生长动力学二 等温生长动力学 在熔体过饱和时才能进行外延生长 外延层厚度与过饱和的关系 图5 3 外延层厚度与 a 过饱和度 b 生长时间的线性关系 生长温度949 生长时间100min 过饱和度21 生长温度919 过饱和度以熔体饱和温度与生长温度差的形式给出 因为在这个温度范围内 硅在锡中的溶解度与温度成 线性关系 因此 温度差直接表示过饱和度 外延层厚度的增加与生长时间平方根成正比 与过饱 和度成正比 CL 边界层外的固定浓度 Ce 平衡浓度 D 熔体中生长单元的扩散系数 K 表面反应常数 外延层密度 假设 停滞边界层 生长单元 硅原子 能穿过边界层 并通过边界层和熔体的界面的一级反应 结合并进入外延层 只要外延层的密度远大于熔体中溶质的浓度 只要生长速率 低 在分析中就可忽略边界层运动 等温生长技术非常适用于薄层外延生长 因为表面微形 貌很好 厚层处延需较长的生长时间和高的过饱和度 等温生长可获得平整的表面 即使在较低的冷却速率下获得外延层 其表面形貌 多 多少少有波纹 5 2 设备和实验方法设备和实验方法 1 溶剂 溶剂 锡 Sn 溶点低 重要的是 结合到硅中的锡 在硅 禁带内不引入浅能级或深复合中心 不影响电性能 锡 没有电活性 Ga Al作为溶剂 成为重掺p型硅 2 生长设备 生长设备 图5 4 浸渍法LPE生长系统示意图 4 3 生长步骤 生长步骤 1 充氢气 清洗石英托 硅片托 在H2中熔化熔体 2 用厚硅片饱和熔体 生长轻掺n型外延层 100 cm掺磷硅片饱和熔体 重掺p型外延层 0 01 cm掺硼硅片饱和熔体 饱和时轴在转动 直至硅片不溶解为止 950 0 49g Si使Sn达到饱和 2 溶解度 每次生长后 用相同方法补充硅 Sn可用50次外延生长 3 硅片清洗 HF 4 硅片在熔体上10min 温度一致 然后放入 初 始温度选定为950 如过冷生长 选用不同的冷却 速率 如等温生长 选用某一特定温度 5 先移去硅片 后停止冷却 以防回熔效应 硅硅LPE的特点 的特点 1 在较低温度下生长 950 以前CVD要1100 以 上 可减预扩散区的掺杂分布变化 在外延生长 时 以获得衬底 外延层界面处陡峭的分布 2 金属杂质分凝系数小于1 LPE 外延层的金属杂质 较少 3 较有效地防止自掺杂 4 选择性外延 在氧化物表面没有 Si 5 硅中有锡 但不造成影响电性能 自掺杂来源 自掺杂来源 A 外延前 掺杂剂除去进入气相 B 外延时 掺杂剂从衬底背面蒸发进入气相 C 外延时 使用SiHCl3等由于卤化物腐蚀 掺杂剂进 入气相 这在液相外延中均可防止 但回炉将出现类似自掺杂 5 3 LPE的特点的特点 与其他外延技术相比 LPE具有以下优点优点 1 生长设备比较简单 操作简单 2 生长温度比较低 外延生长时可减少预扩散区的杂质分 布变化 以获得外延层 衬底界面处陡峭的分布 3 生长速率较大 4 外延材料纯度比较高 5 掺杂剂选择范围比较广泛 6 外延层的位错密度通常比它赖以生长的衬底要低 7 成分和厚度都可以比较精确的控制 重复性好 8 操作安全 没有汽相外延中反应产物与反应气体所造成 的高毒 易燃 易爆和强腐蚀等危险 LPE的缺点缺点 1 当外延层与衬底的晶格失配大于1 时外延生长困难 2 生长速率较大导致纳米厚度的外延层难以得到 3 外延层的表面形貌一般不如汽相外延的好 要想用LPE生长出理想的晶体薄膜 可采取的措施措施 找到晶格参数和热膨胀系数失配相对较小的衬底材料 改善工艺和设备以防止组分挥发引起的外延层组分不均 匀 注意防止衬底氧化 如硅单晶衬底 5 五 五 LPE的应用的应用 1 pn结制造 2 外延再填 制备 A 结二极管 B 场控器件 栅极结构 C 太阳能电池 总的来说 LPE研究得还不够多 图5 5 垂直多结太阳能电池结构制造的LEP外延再填工艺过程 图5 6 场控器件门区制造时LEP再填工艺过程 图5 7 0 2 min冷却速率 生长8min 获得平面外延再填 图5 8 0 2 min冷却速率 生长延续 形成的硅薄层 这些再填外延均是在低冷却速率下才能完成的 高冷却 速率