锗硅 辕 硅异质结材料的化学气相淀积生长动力学模型鄢.doc

锗硅 辕 硅异质结材料的化学气相淀积生长动力学模型鄢 物理学报摇粤糟贼葬孕澡赠泽援杂蚤灶援摇灾燥造援远园袁晕燥援远渊圆园员员冤摇园远缘员园员 锗硅辕硅异质结材料的化学气相淀积生长动力学模型鄢 戴显英覮摇金国强摇董洁琼摇王船宝摇赵摇娴摇楚亚萍摇奚鹏程摇邓文洪摇张鹤鸣摇郝摇跃 渊西安电子科技大学微电子学院袁宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室袁西安摇苑员园园苑员冤 渊圆园员园年员员月员愿日收到曰圆园员园年员圆月圆园日收到修改稿冤 摇摇基于化学气相淀积渊悦灾阅冤的郧则燥增藻理论和云蚤糟噪第一定律袁提出并建立了锗硅渊杂蚤郧藻冤辕硅渊杂蚤冤异质结材料减压 化学气相淀积渊砸孕悦灾阅冤生长动力学模型援与以前锗硅辕硅异质结材料生长动力学模型仅考虑表面反应控制不同袁本模型同时考虑了表面反应和气相传输两种控制机理袁并给出了两种控制机理极限情况下的模型援本模型不仅适用于低温锗硅辕硅应变异质结材料生长的表征袁也适用于表征高温锗硅辕硅弛豫异质结材料生长的表征援将模型计算 值与实验结果进行了对比袁无论是远圆缘益低温下的应变杂蚤郧藻的生长袁还是怨园园益高温下的弛豫杂蚤郧藻的生长袁其模型误差均小于员园豫援 关键词院杂蚤郧藻辕杂蚤异质结材料袁化学气相淀积生长动力学模型袁郧则燥增藻理论袁云蚤糟噪第一定律孕粤悦杂院缘员郾员园郾垣赠袁远远郾猿园郾躁藻袁远愿郾猿缘郾遭早袁远愿郾猿缘郾允葬 砸孕悦灾阅生长动力学模型援该模型同时考虑了表面反 员郾引言 应速率控制和质量输运速率控制袁其特点是结构简洁袁物理意义清晰袁适于全温度范围的砸孕悦灾阅生长动力学描述袁适于各种杂蚤源和郧藻源气体体系援进行了应变和弛豫杂蚤郧藻辕杂蚤异质结材料的砸孕悦灾阅生长实验袁将生长速率的模型计算值与实验值进行了对比袁结果符合较好援 采用锗硅渊杂蚤郧藻冤材料所制作出来的器件和电路性能几乎可达到郧葬粤泽等化合物半导体器件和电路的水平袁而在杂蚤郧藻基础上发展起来的应变硅技术大大提高了器件的频率尧速度性能援因此硅基应变材料是圆员世纪硅半导体技术的关键袁具有良好的应用前景咱员要源暂援 对硅基应变材料的悦灾阅生长动力学模型的研 圆郾杂蚤郧藻辕杂蚤异质结材料的砸孕悦灾阅微观生长理论与机理 圆郾员郾边界层理论 根据气体理论袁悦灾阅工艺反应室内气体分子的平均自由程远小于反应室的几何尺寸袁为黏滞性流动援由于黏滞性袁在硅片表面与气流之间存在摩擦力袁使紧贴硅片表面气流速度为零援于是袁在靠近硅片表面附近就存在一个气流速度受到扰动的薄层袁称为边界层援在边界层内气流速度变化很大袁在垂直气流方向存在很大的速度梯度援 边界层是一个过渡区域袁存在于气流速度为零的硅片表面与气流速度为哉的主气流区之间袁其厚度啄定义为从速度为零的硅片表面到气流速度为 究仅涉及超高真空悦灾阅渊哉匀灾悦灾阅冤和低压悦灾阅 力学模型咱缘要苑暂袁这是因为目前硅基应变材料的外延生长都是在低温下进行的援研究表明袁当常压悦灾阅 渊蕴孕悦灾阅冤技术袁且都是基于表面反应控制的生长动渊粤孕悦灾阅冤生长温度较高时渊大于远缘园益冤袁杂蚤郧藻薄膜的生长将由表面反应速率控制转化为质量输运速率控制袁表面生长动力学模型将不适用于表征薄方程建立了粤孕悦灾阅高温生长杂蚤郧藻外延材料的生长速率模型援该模型仅适于粤孕悦灾阅技术袁且边界条件过多袁求解过于繁琐袁影响了模型的实用性援 根据郧则燥增藻理论及云蚤糟噪第一定律咱员园暂袁本文提出膜的生长咱愿暂援金晓军等咱怨暂根据流体力学的动量守恒 并建立了适用于杂蚤郧藻辕杂蚤异质结应变及弛豫材料的 鄢国家重点基础研究发展计划渊批准号院远员猿怨愿园员鄄员冤尧国防预研基金渊批准号院怨员源粤园愿园远园源园苑阅在园员园猿冤资助的课题援覮耘鄄皂葬蚤造院曾赠凿葬蚤岳曾蚤凿蚤葬灶援藻凿怎援糟灶 訫圆园员员中国物理学会悦澡蚤灶藻泽藻孕澡赠泽蚤糟葬造杂燥糟蚤藻贼赠 园远缘员园员鄄员摇 摇澡贼贼责院辕辕憎怎造蚤曾遭援蚤责澡赠援葬糟援糟灶 物理学报摇粤糟贼葬孕澡赠泽援杂蚤灶援摇灾燥造援远园袁晕燥援远渊圆园员员冤摇园远缘员园员 园郾怨怨哉时的区域厚度咱员园暂援如果定义从气流遇到平板边界时为坐标原点袁则啄可表示为 啄渊曾冤越渊滋曾辕籽哉冤员辕圆袁 渊员冤 其中袁滋是气体黏滞系数袁籽是气体密度袁哉是主气流速度援设蕴为基座长度袁则边界层的平均厚度可以表示为 軃越啄 或者 乙啄渊曾冤凿曾越蕴()袁蕴园 员辕圆 渊圆冤渊猿冤 图员摇悦灾阅的缘 个主要过程示意图 越圆蕴辕渊猿其中袁气体的雷诺数砸藻越籽哉蕴辕滋是一个无量纲数袁表示流体运动中惯性效应与黏滞效应的比援由渊猿冤式可见袁边界层厚度与基座长度蕴成正比袁与雷诺数砸藻成反比援 悦灾阅反应气体以扩散的方式从主气流穿过边 图圆摇郧则燥增藻理论的模型示意 界层袁在杂蚤片表面反应分解袁最终生长成为外延薄速度袁继而影响到薄膜的生长速率援圆郾圆郾郧则燥增藻理论 膜援因此袁边界层厚度将密切影响反应气体的传输 的分解反应袁其表面的吸附与脱附机理影响着杂蚤员原曾圆郾猿郾员郾匀圆在生长表面的吸附与脱附机理郧藻曾辕杂蚤外延的生长速率和郧藻组分咱员圆暂援 如图员所示袁悦灾阅有缘个主要的过程院渊葬冤反应物气体以合理的流速渊形成平流层冤被输运到反应室曰渊遭冤反应物气体从主气流以扩散方式通过边界层到达衬底表面曰渊糟冤反应物气体吸附在基片的表面袁成为吸附原子渊分子冤曰渊凿冤吸附原子渊分子冤在衬底表面发生化学分解反应袁生成薄膜原子渊分子冤并沉积成薄膜曰渊藻冤化学反应的气态副产物和未反应的反应物气体脱离衬底表面袁加入主气流被排除反应室援 个悦灾阅生长速率控制理论咱员员暂袁即控制悦灾阅薄膜生长速率的两个重要环节是反应物气体在边界层中的输运过程和反应剂在衬底表面上的化学反应过程袁如图圆所示援图圆中云员为从主气流到衬底表面固态薄膜的流密度援 的反应剂流密度袁云圆为反应剂在表面反应后淀积成 根据悦灾阅的生长理论与实验袁郧则燥增藻提出了一 生长表面大部分悬挂键的空位被匀原子占据咱员圆暂援 研究表明袁在低温渊约为源缘园要远缘园益冤条件下袁 因而袁匀的吸附与脱附动力学决定了硅基应变材料的生长速率援匀圆从郧藻原子位置上的脱附速度比从 了匀圆的脱附活化能援根据气体的吸附理论及匀圆的匀圆与生长表面的碰撞曰匀圆在生长表面上吸附并分圆郾猿郾圆郾杂蚤匀源与郧藻匀源的表面反应分解机理脱附援 杂蚤原子位置上的脱附速度快袁是因为郧藻原子降低 结构特性袁匀圆的吸附与脱附的机理分为猿步进行院 解成吸附的匀原子曰吸附的匀原子从生长表面 下各式所示咱员圆暂援首先是气相的杂蚤匀源和郧藻匀源吸附在生长表面袁产生激发态的渊匀鄄酝匀猿冤鄢袁 酝匀源圮渊匀原酝匀猿冤鄢寅酝匀猿渊葬凿冤垣匀渊葬凿冤援渊源冤其中袁酝代表杂蚤或郧藻援吸附的酝匀猿渊葬凿冤继续分解为 酝匀猿寅酝匀圆渊葬凿冤垣匀渊葬凿冤援酝匀圆寅酝匀渊葬凿冤垣匀渊葬凿冤援 渊缘冤 杂蚤匀源与郧藻匀源的表面微观分解反应生长机理如 圆郾猿郾杂蚤郧藻辕杂蚤异质结材料的表面微观反应生长机理 由于分解温度低袁杂蚤匀源和郧藻匀源通常是砸孕悦灾阅 吸附的酝匀圆渊葬凿冤和匀渊葬凿冤袁渊葬凿冤袁 了作为稀释气体和载气外袁还参与了杂蚤匀源和郧藻匀 源 生长杂蚤郧藻辕杂蚤异质结材料的首选反应物气体援匀圆除 酝匀圆渊葬凿冤再进一步分解为吸附的酝匀渊葬凿冤和匀 渊远冤 园远缘员园员鄄摇圆 物理学报摇粤糟贼葬孕澡赠泽援杂蚤灶援摇灾燥造援远园袁晕燥援远渊圆园员员冤摇园远缘员园员 酝匀渊葬凿冤最终分解为所需要的酝渊葬凿冤和匀渊葬凿冤袁其中袁则酝是生长表面上快速分解酝匀源成酝原子的圆匀渊葬凿冤寅匀圆援 圆郾猿郾猿郾杂蚤匀圆悦员圆的表面分解反应机理生成匀圆袁并最终脱吸附离开表面援 反应黏附系数援各分解步骤产生的吸附匀渊葬凿冤结合 渊愿冤 酝匀詠詠寅酝渊葬凿冤垣匀渊葬凿冤援 则酝 渊苑冤 澡早越 猿郾圆郾反应流密度 阅援渊员远冤 长速率正比于反应物在生长表面的浓度悦泽袁则反应流密度云圆可表示为 云圆越噪泽悦泽袁 渊员苑冤 假设在生长表面经化学反应生成的薄膜的生 所示咱员猿袁员源暂援首先袁杂蚤匀圆悦员圆在气相中分解为气相的杂蚤悦造圆渊早冤袁 渊怨冤杂蚤匀圆悦造圆寅杂蚤悦造圆渊早冤垣匀圆渊早冤袁 气相的杂蚤悦造圆渊早冤再吸附在表面袁成为吸附的杂蚤悦造圆渊员园冤杂蚤悦造圆渊早冤寅杂蚤悦造圆渊葬凿冤援 吸附的杂蚤悦造圆渊葬凿冤与匀圆反应袁成为吸附的杂蚤渊葬凿冤袁 质结材料的首选杂蚤源袁其吸附与分解机理如下各式 气相的杂蚤匀圆悦员圆是选择性外延生长杂蚤郧藻辕杂蚤异 里尼乌斯定理袁噪泽的表达式为 其中袁噪泽为表面化学反应的反应速率常数援根据阿 噪泽越噪园藻原耘葬辕噪月栽袁 渊员愿冤 应温度袁噪园是园运时的反应速率常数援猿郾猿郾生长速率控制机理 云圆越云援由渊员缘冤和渊员苑冤式袁可以得到 悦泽越 悦援 泽早 其中袁耘葬是反应活化能袁噪月是玻尔兹曼常数袁栽是反 渊葬凿冤袁 杂蚤悦造圆渊葬凿冤垣匀圆渊早冤寅杂蚤渊葬凿冤垣匀悦造渊早冤援渊员员冤固态的杂蚤与匀悦造发生杂蚤的腐蚀反应袁从而控制杂蚤的生长反应袁达到选择性生长的目的援 杂蚤渊泽冤垣匀悦造渊早冤寅杂蚤悦造圆渊早冤垣匀圆渊早冤援渊员圆冤 在稳定状态下袁两个流密度应当相等袁即云员越 渊员怨冤 猿郾模型的建立 猿郾员郾扩散流密度 反应物气体通过扩散方式穿过边界层袁最终到散到衬底表面的扩散流密度为云员袁根据菲克第一定律咱员园暂袁则有 云员越阅早 袁渊员猿冤 达衬底表面援设反应物气体的主气流穿过边界层扩 极限院员冤当澡早垌噪泽时袁悦泽趋于悦早袁即生长速率是受即生长速率是受气体的气相质量输运控制援 由渊员怨冤式可以看出袁悦灾阅的薄膜生长过程存在两种 表面化学反应速率控制曰圆冤当噪泽垌澡早时袁悦泽趋于园袁 猿郾源郾生长速率砸 设生成一个单位体积薄膜所需的原子数为晕园袁 砸越 云援园 渊圆园冤 稳定状态下薄膜的生长速率砸可表示为 将渊员苑冤和渊员怨冤式代入到渊圆园冤式中袁可得到 砸越 悦噪澡伊援 泽早园 渊圆员冤 浓度梯度变化是线性的袁则有 云员越 其中袁阅早是气态反应剂的扩散系数援假定扩散流的 阅渊悦原悦泽冤袁早 渊员源冤 种情况下袁反应剂的浓度悦早应当定义为 悦早越再悦栽袁 摇摇在砸孕悦灾阅工艺中袁反应物要先被匀圆稀释援这 渊圆圆冤 浓。