當今，隨著時代的進步，社會已進入以半導體技術為核心的信息時代，在半導體制造生產(chǎn)過程中需要使用多種特殊氣體，那么今天我們就來聊一聊在半導體制造生產(chǎn)中氣體在半導體外延工藝中起到什么作用？

外延生長實際上主要是一個化學反應過程。硅外延生長使用的主要氣源是氫氣和氯硅烷類，如四氯化硅（SiCl4）、三氯甲硅烷（SiHCl3）和二氯甲硅烷（SiH2Cl2）。另外，為了降低生長溫度，也經(jīng)常使用硅烷作為氣源。選擇使用哪種氣源主要由生長條件和外延層的規(guī)格來決定的，其中生長溫度是選擇氣源種類時要考慮的最重要因素。硅外延層生長速度和生長溫度的關系。圖中顯示了兩個明顯不同的生長區(qū)域，在低溫區(qū)（區(qū)域A），硅外延層的生長速度和溫度成指數(shù)關系，表明它們受表面反應控制；而在高溫區(qū)（區(qū)域B），其生長速度和溫度幾乎沒有直接的關系，表明它們受質量輸運或者擴散的控制。需要著重指出的是，在低溫條件下生長的硅薄膜為多晶層。硅外延層的形成溫度在每條曲線的轉折點以上，轉折點的溫度隨著反應物的摩爾比、氣流速度以及反應爐的種類變化而變化。從這張圖中可以推斷出：當以SiH4為氣源時，硅外延層的形成溫度大約在900℃，而以SiCl4為氣源時，硅外延層的形成溫度大約在1 100℃。

需要注意的是還原和腐蝕過程是相互競爭的，這主要決定于反應物的摩爾比和生長溫度。在大氣壓下，以SiCl4和H2為反應物并在總壓強為1.01×l05Pa（1大氣壓）的情況下，腐蝕和沉積的分界線與生長溫度和SiCl4分壓的關系。另外的研究也給出了以SiCl4和H2為硅外延的反應物時，生長速度和溫度的關系，如圖2.2-31表示。從圖中可以看出在低溫和高溫下發(fā)生的是腐蝕過程。因此在這種情況下，外延溫度通常選在1 100～1300℃。為了得到了較厚的外延層，通常會選擇SiHCl3作為氣源，主要是因為它的沉積速度比SiCl4的快。

SiCl4作為外延氣源時所涉及的化學反應不同，采用SiH4氣源時的熱分解反應是不可逆的，其過程可以用、和其他任何氯硅烷相比，硅烷的主要優(yōu)點是在相對較低的溫度下可以得到硅外延層。但是由于硅烷的同質反應，很難避免硅的氣相成核。因此在生長過程中將會形成硅顆粒，從而導致粗糙的表面形貌甚至是多晶生長。這個問題可以通過控制生長溫度或者在低壓生長而得到解決。硅烷是一種易于氧化和爆炸的氣體，因此在傳統(tǒng)的硅外延中，它不被經(jīng)常使用。而且，在以硅烷為氣源的生長過程中不存在HCl，因此不存在腐蝕這道工藝過程，從而導致外延層中含有更高濃度的金屬雜質。因此，在使用硅烷作為外延氣源時，需要采取非常仔細的預清洗工藝。

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