基于化学反应动力学的减压SiGe外延生长的数值建模与实验研究

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Numerical modeling and experimental study of reduced-pressure SiGe epitaxial growth based on chemical reaction kinetics

硅基锗（SiGe）异质外延生长的数值模型研究及其工艺优化。采用表面反应动力学与计算流体力学（CFD）耦合模型，系统分析 RPCVD 工艺中温度-气流场分布对 SiGe 层生长速率、锗含量及横截面均匀性的影响机制，通过实验验证模型预测精度，成功制备出具有均匀成分（锗含量 30%±1%）、低表面粗糙度（Ra<5nm）及优异晶格应变（残余应变<100με）的 12 英寸 SiGe 外延层。

　　

张章|朱凌峰|张文豪|梅德清|王彦成

中国浙江省杭州市浙江大学机械工程学院流体动力与机电系统国家重点实验室，310058

摘要

硅锗（SiGe）因其可调的能带结构和应变工程能力而受到广泛关注，使其成为先进电子设备和新兴三维器件的重要组成部分。然而，在大直径硅片上制备具有均匀成分、良好控制的应变和高表面质量的SiGe外延层仍是一项技术挑战。特别是在减压化学气相沉积（RPCVD）过程中，工艺参数对生长速率、锗含量以及晶片内均匀性（WIWNU）的影响尚未完全明了。本文基于减压外延反应器中表面反应限制条件下的SiGe外延生长动力学建立了一个数值模型，并在单晶片腔内进行了多物理场模拟。系统研究了关键工艺参数对反应器腔内热流分布和外延生长行为的影响。此外，模拟结果与实验数据进行了对比验证，证明了所提出的基于动力学的数值模型能够准确预测减压外延条件下的生长趋势和均匀性变化。最终制备出了高质量的外延层，其应变得到良好保持，表面粗糙度较低。研究结果表明，该SiGe外延生长模型可为SiGe生长的优化提供有效指导，具有实现高质量外延的巨大潜力。

引言

硅锗（SiGe）由于其优异的电学和热学性能以及与硅基技术的兼容性，在半导体行业中发挥着关键作用[[1], [2], [3]]。因此，它被广泛应用于逻辑器件[4]和光电子器件[5]中。此外，SiGe在先进的晶体管架构（如鳍式场效应晶体管（FinFETs）和全环绕栅极（GAA）器件）中也非常重要，在这些器件中，选择性外延生长被广泛用于应变工程和结构形成。硅和锗之间的晶格失配使得SiGe外延层能够向器件中引入可控的应变，从而调节载流子传输特性并提升器件性能[6,7]。由于SiGe是一种完全互溶的合金，通过改变锗的成分，可以系统地调整其关键电子特性（如带隙和载流子有效质量），从而精确控制载流子传输行为[8,9]。然而，SiGe在硅等基底上的生长属于异质外延过程，这容易引入界面缺陷和高密度的位错[10,11]。因此，制备出具有良好应变保持、均匀厚度以及精确控制锗成分的高质量外延层是SiGe器件的关键要求。

目前已有多种技术在基底表面生长SiGe外延层，包括低压化学气相沉积（LPCVD）[12]、减压化学气相沉积（RPCVD）[13]、超高真空化学气相沉积（UHVCVD）[14]、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）[15]和分子束外延（MBE）[16]。其中，RPCVD具有适中的SiGe生长速率，且生产成本低、操作复杂度相对较低[17]。尽管如此，使用不同的Si和Ge前驱体进行CVD生长仍是一个复杂的过程。Byeon等人[18]研究了使用二硅烷、三硅烷和四硅烷等高阶硅烷以及锗烷沉积的SiGe层的生长速率和表面质量。Wang等人[19]通过第一性原理计算研究了氯硅烷在基底表面外延过程中的吸附和生长机制。Hartmann等人[20]指出，由于氯的蚀刻作用，二氯硅烷（DCS）和锗烷（GeH₄）表现出合适的反应速率。然而，使用氯硅烷和锗烷前驱体进行单晶片SiGe外延生长时的化学机制及关键工艺参数的影响尚未得到充分研究，这限制了数值模拟对SiGe外延过程的预测能力。

数值建模和模拟已被广泛用于模拟和预测外延生长[[21], [22], [23]]。常用的方法包括量子力学（QM）和密度泛函理论（DFT）计算[24,25]、分子动力学（MD）模拟[26]、动力学蒙特卡罗（KMC）方法[27]以及计算流体动力学（CFD）模拟[28,29]。QM和DFT方法能够在电子结构层面准确描述外延过程中的化学反应，但需要大量的计算资源。MD和KMC方法能够模拟原子尺度上的外延生长，主要关注原子级过程而非宏观薄膜特性（如晶片内均匀性（WIWNU）。相比之下，结合化学反应动力学和CFD方法的反应器尺度模拟能够研究外延生长行为并预测关键薄膜特性[30,31]。具体而言，CFD建模可以解析反应器内的气体流动模式、温度梯度及前驱体传输，而基于局部物种浓度和温度场的化学反应动力学则控制表面反应和物种消耗。因此，这些模拟能够预测薄膜的厚度和成分等特性。例如，Deng等人[32]利用CFD模拟分析了不同结构和工艺条件下的反应器内温度分布，发现改善热均匀性可以有效提高外延层的厚度和掺杂均匀性。基于热均匀性和流动均匀性的研究，Wang等人[33]开发了碳化硅（SiC）外延生长的数值表面反应模型，用于表征表面反应路径及其对生长速率和薄膜均匀性的影响。这些研究主要针对单一材料系统的生长，而SiGe外延涉及成分变化的二元合金系统，其中硅和锗物种共同参与并竞争表面反应。因此，需要建立一个结合反应器尺度CFD模拟与表面反应动力学及竞争反应的耦合数值模型，以便系统研究减压SiGe外延过程中的生长速率、成分演变及其对关键工艺参数的依赖性。

在本研究中，我们提出了一个基于氯硅烷和锗烷前驱体的单晶片RPCVD工艺SiGe外延生长的数值模型，用于模拟和预测外延SiGe层的厚度和锗含量。首先介绍了DCS和GeH₄的竞争反应机制，并开发了一个耦合的反应器尺度CFD模型。随后进行了数值模拟，分析了反应器腔内的热流场，并预测了不同工艺条件下的外延层特性。模拟结果经过实验验证。最终成功制备出了具有均匀厚度和锗含量的12英寸SiGe外延层，表现出优异的表面形态和应变状态。

外延生长反应室结构

SiGe外延的生长速率主要由表面反应决定。SiGe外延层的最终特性主要受气相中前驱体成分和基底温度的影响。基底表面不均匀的热流场会改变生长动力学，从而影响吸附原子的表面扩散[34,35]。因此，维持稳定的层流气体传输并尽量减少温度波动至关重要

实验装置和程序

在减压SiGe外延生长过程中，基底表面的温度和气态前驱体浓度直接影响薄膜的生长速率和最终的锗含量分布。此外，在减压条件下，腔内压力和气体流速会显著影响前驱体浓度和在基底上的流动速度，从而控制物种在基底上的空间分布。

热流场分布的模拟结果

腔内气体混合物的流动和热特性与物种传输密切相关，这突显了稳定流动-热场对于实现均匀生长条件的重要性。图5(a–b)展示了模拟得到的流动和热场。图中标出了腔体的进出口，并用粗箭头指示了前驱体从入口到出口的总体传输路径

结论

本研究开发了一个基于化学反应动力学的数值模型，用于表面反应限制条件下的减压外延生长。通过将表面反应动力学与CFD相结合，该模型能够系统分析单晶片减压反应器内的热流场，并定量预测不同工艺条件下的外延生长速率、锗含量及相应的晶片内均匀性。

作者贡献声明

张章：撰写——初稿、验证、实验研究、数据分析。朱凌峰：数据可视化、资源获取、方法论设计。张文豪：资源管理、数据整理、概念框架构建。梅德清：资源管理、数据整理。王彦成：撰写——审稿与编辑、验证、项目监督、实验研究、资金获取、概念框架构建。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了浙江省重点研发计划（2025C01003）的支持。