半导体工艺原理----硅的异质外延技术(2012.3.31)(贵州大学)

1、硅的异质外延技术l 随着大规模、超大规模集成电路的进展，外延技术的应用越来越广泛，除了在硅衬底上进行硅的同质外延之外，还发展了在蓝宝石、尖晶石衬底上进行硅的“SOS”外延生长和在绝缘衬底上进行硅的“SOI”异质外延。2SOSSOS技术技术l SOS是“Silicon on Sapphire”和“Silicon On Spinel”的缩写，也就是在蓝宝石或尖晶石衬底上外延生长硅。l 蓝宝石(-Al203)和尖晶石(MgOAl203)是良好的绝缘体，以它们为衬底外延生长硅制做集成电路，可以消除集成电路元器件之间的相互作用，不但能减少漏电流和寄生电容，增强抗辐射能力和降低功耗，还可以提高集成度和实现

2、双层布线，是大规模、超大规模集成电路的理想材料。1、衬底材料的选择l 在选择异质外延衬底材料时，首先要考虑的是外延层与衬底材料之间的相容性。其中晶体结构、熔点、蒸气压、热膨胀系数等对外延层的质量影响很大，其次还必须考虑衬底对外延层的沾污问题。目前，作为硅外延的异质衬底最合适的材料是蓝宝石和尖晶石。l 另一方面，衬底和外延层的热膨胀系数相近是得到优良异质外延层的重要因素之一。如果相差较大，在温度变化时会在界面附近产生较大的应力，使外延层缺陷增多，甚至翘曲，从而影响材料和器件的性能及热稳定性。l 从晶格匹配、热匹配、减少自掺杂和电容效应等方面来考虑，尖晶石是比蓝宝石更好的衬底材料。l 然而，尖晶石

3、上硅外延层的性质强烈地依赖于衬底组分，而其组分又因制备方法和工艺条件不同而异。l 因此，虽然在尖晶石衬底上可以得到优于蓝宝石衬底上的硅外延层，但由于再现性差，加上蓝宝石的热导率高，制备工艺比较成熟，所以当前工业生产上广泛使用蓝宝石做硅外延衬底。2、SOS外延生长l SOS外延生长的设备和基本工艺过程与一般硅同质外延相同。衬底的切磨抛及清洗也大体相同，只是蓝宝石比硅硬，磨、抛时间要长一些。l SOS外延生长时，值得注意的是自掺杂效应比较严重，因为在外延生长的条件下，衬底表面将发生如下反应：l Al2O3 (s) +2HCl (g) +2H2 (g) =2AlCL3 (g) +3H2O (g) l

4、 低价铝的氯化物是气态，它使衬底被腐蚀，导致外延层产生缺陷。 l 另外，H2和淀积的硅也会腐蚀衬底，其反应为： 2H2 (g) + Al2O3 (s) = Al2O (g) + 2H2O (g) 5Si (s) + Al2O3 (s) = Al2O (g) + 5SiO (g) + 2Al (s) l 在衬底表面尚未被Si完全覆盖(至少外延层长到10-20nm)之前，上述腐蚀反应都在进行。在衬底表面被覆盖之后，这些腐蚀反应还会在衬底背面发生。造成Al、O等沾污。此外，由于衬底表面被腐蚀，会增加外延层中的缺陷，甚至局部长成多晶。因为SiCl4对衬底的腐蚀大于SiH4，所以SOS外延生长，采用Si

5、H4热分解法更为有利。l 为了解决生长和腐蚀的矛盾，可采用双速率生长和两步外延等外延生长方法。l 双速率生长法是先用高的生长速率(1-2mmin)，迅速将衬底表面覆盖(生长100-200nm)。然后，再以低的生长速率(约0.3 mmin)长到所需求的厚度。l 两步外延法是综合利用SiH4/H2和SiCl4/H2两个体系的优点。即第一步用SiH4/H2体系迅速覆盖衬底表面，然后第二步再用SiCl4/H2体系接着生长到所要求的厚度。3、SOS外延生长缺点l SOS外延生长由于衬底表面机械损伤以及生长组分和衬底之间的腐蚀作用、晶格失配、价键不当、应变效应等因素，不可避免地在外延层中引入高密度的位错、

6、孪晶、晶粒间界等晶格缺陷。这些缺陷与cu、Fe等重金属杂质作用，在禁带中形成一系列深能级。l 在外延层中还存在着Al局部析出及其氧化物等晶体缺陷，它们起复合、散射和俘获中心的作用，使载流子浓度、迁移率和少数载流子寿命下降，因此SOS外延层的质量赶不上同质硅外延层，而且外延层越薄，性能越差。尽管如此，SOS材料大体上还是能满足MOS器件的要求。l 改进方向：提高SOS外延层的晶体完整性，降低自掺杂，使其性能接近同质硅外延层的水平并且有良好的热稳定性，是SOS技术发展的重要课题。9SOS SOS 技术的缺点及需要解决的问题技术的缺点及需要解决的问题缺点：缺点：1 1）由于晶格失配（尖晶石为立方结构

7、，蓝宝石为六角）由于晶格失配（尖晶石为立方结构，蓝宝石为六角晶系）问题和自掺杂效应，外延质量缺陷多，但厚度增加，缺晶系）问题和自掺杂效应，外延质量缺陷多，但厚度增加，缺陷减小。陷减小。2 2）成本高，一般作低功耗器件，近来用）成本高，一般作低功耗器件，近来用SOISOI代替，可代替，可降低成本。降低成本。需要解决的问题需要解决的问题: :提高提高SOSSOS外延层的晶体完整性外延层的晶体完整性, ,降低自掺杂降低自掺杂, ,使其性能接近同质使其性能接近同质硅外延层的水平并且有良好的热稳定性硅外延层的水平并且有良好的热稳定性SOISOI技术技术1 1、S0I技术发展原因l 世界微处理器市场的霸主

8、英特尔公司于2000年3月8日推出1GHz奔腾3微处理器，同年6月28日推出14GHz奔腾4微处理器。l 同年6月9日AMD公司推出1GHz AMD Athlon处理器。l 同年IBM公司推出1GHz测试版Power 4处理器(用于APPLE电脑)。它们标志着以微处理器为代表的IC芯片进人了GHz时代 l 制造1GHz以上的IC芯片有两大途径，一是不断缩小芯片的特征尺寸，按照摩尔定律所指引的方向继续走下去。l 二是寻找新型材料，以放宽以芯片特征尺寸进一步缩小的要求，如用铜布线替代铝布线，用绝缘硅(SOI，Silicon-on-Insulator)晶圆替代硅晶圆等。 2、缩小芯片的特征尺寸的缺点

9、l 对于第一种途径，缩小芯片特征尺寸可提高IC芯片的速度，但不能改变其损耗机制。当工艺水平逐渐接近物理器件的极限时，众多问题会接踵而来 ：l 必须考虑CMOS器件的电容，因为CMOS器件的电容损耗与开关速度成正比，衬底电容不与器件几何尺寸成正比例关系；l 漏电流增大；l 晶体管本身对噪声的承受能力降低，互连器件中产生的噪声增大；l 晶体管工作时会有更多的电子渗漏到硅晶圆上，直接影响晶体管的工作特性。 3、S0I技术的产生l 半导体业界提出先在硅晶圆上嵌埋一层Si02绝缘层，以此绝缘层作为基板来制造晶体管，这就是SOI技术。SOI的极薄氧化层有效地使电子从一个晶体管门电路渗漏到硅晶圆上。l S0

10、I器件与Si器件相比有如下优点：功耗小，在相同的工作速度下，功耗可降低50-65；l 工作速度快，在相同的特征尺寸下，工作速度可提高35；l 静电电容小，寄生电容小；l 抗辐射性能好，抗辐射强度是Si器件的50-100倍。l SOI技术1998年由IBM公司研制成功，2000年正式用于其POWER PC RS64IV （APPLE POWER4，早期的iMAC电脑上）芯片上。l 为了提高集成电路的集成度和速度，降低功耗，必须缩小器件的尺寸。但当器件的尺寸缩小到亚微米范围以内时，常规的结构就不适应了，从而导致SOI(Silicon On Insulator或Semiconductor 0n In

11、sulator)结构的发展，也就是把器件制做在绝缘衬底上生长的硅单晶层上。l SOI结构开始是针对亚微米CMOS器件提出来，以取代不适合要求的常规结构以及已经应用的SOS结构(SOS可以看成是SOI的一种形式)，但SOI结构很快也成为实现高速集成电路及三维集成电路的新途径(但不是所有的SOI结构都可以用来做三维集成电路)，是当前半导体材料研究的一个热点问题。 4、SOI结构的优点l SOI结构的优点大致可以归纳为如下几个方面：l (1)由于它是介质隔离，寄生电容小，对高速和高集成度的IC电路特别有利。l (2)由于介质隔离，降低了噪声，并提高了线路和器件的抗辐射性能。l (3)抑制了CMOS电

12、路的“闩锁效应”(1atch-up)问题。(CM0S电路中固有的寄生可控硅结构被触发导通，在电源和地之间形成低阻大电流通路的现象) COMS电路的锁定效应电路的锁定效应(latch up)： COMS电路由于输入太大的电流，内部的电流急剧增大，除非切断电源，电流一直在增大。这种效应就是锁定效应。当产生锁定效应时，COMS的内部电流能达到40mA以上，很容易烧毁芯片。16体硅CMOS技术17SOI（Silicon-On-Insulator：绝缘衬底上的硅）技术18低压低压SOI器件器件体硅体硅SOI双栅双栅SOI5、SOl与SOS相比: l SOl材料的完整性比SOS好得多，比SOS应用的范围也

13、广泛。l CMOS电路中采用SOI结构，可以减少掩蔽次数，也不需要隔离扩散，使线路布局简化，提高集成度。l SOS中Si与Al203的热膨胀系数不匹配，硅层内有压缩应力。l SOI的功耗和衬底成本都比SOS低得多，SOS没有实现三维器件结构功能。l 从目前情况来看，有的SOI技术已初步走向实用化，只要能进一步克服工艺和材料质量问题，实用化是没有问题的，某些SOI技术可以用于三维IC的制造。207、SOI技术的挑战技术的挑战l SOI材料是材料是SOI技术的基础技术的基础 SOI技术发展有赖于技术发展有赖于SOI材料的不断进步，材料是材料的不断进步，材料是SOI技术技术发展的主要障碍之一发展的主

14、要障碍之一 这个障碍目前正被逐渐清除这个障碍目前正被逐渐清除21SOI材料制备l 目前最常用的方法：目前最常用的方法： SDB (Silicon Direct Bonding)直接键合技术直接键合技术 SIMOX (Separating by Implanting Oxide )氧注入隔离氧注入隔离l Smart Cut智能切割智能切割l ELTRAN (Epoxy Layer Transfer)外延层转移外延层转移22 SDB(Silicon Direct Bonding)直接键合技术直接键合技术，是采用键，是采用键合技术形成合技术形成SOI结构的结构的核心技术之一。核心技术之一。 将两片硅

15、片将两片硅片通过通过表面的表面的SiO2层键合在一起层键合在一起,再把背面用再把背面用腐蚀等方法减薄来获得腐蚀等方法减薄来获得SOI结构。结构。1、SDB23 当两个平坦的具有亲水性表面的硅片（如被氧化的硅片）相对放置在一起时，即使在室温下亦回自然的发生键合。 亲水性亲水性是指材料表面与水分子之间有较强的亲和力.通常表现为洁净固体表面能被水所润湿 通常认为，键合是由吸附在两个硅片表面上的OH-在范德瓦尔斯力作用下相互吸引所引起的。 在室温下实现的键合通常不牢固，所以键合后还要进行退火，键合的强度随退火温度的升高而增加。 键合后采用机械研磨或化学抛光的方法，将器件层的硅片减薄到预定厚度。24键合

16、键合(Bonded)(Bonded)技术优缺点：技术优缺点： （1）硅膜质量高 （2）氧厚度和硅膜厚度可以随意调整 （3）适合于大功率器件及MEMS技术 （4）硅膜减薄一直是制约该技术发展的重要障碍 （5）键合要用两片体硅片制成一片SOI衬底，成本至少是体硅的两倍252627 SIMOX法(Separation by Implanted Oxygen)。它是利用注入氧离子形成符合化学计量比的SiO2埋层的方法。注入的氧离子量约为1.2-1.81018cm2。埋层深度和注入能量有关，若埋层深度为0.5m，则注入能量约为500keV，若深度为lm，则需要1MeV。 氧离子注入时，为了得到突变的Si

17、SiO2界面，通常把注入剂量适当过量，略大于1.81018cm2。剂量不足时，在上界面处会出现孪晶层。 2 2、SIMOXSIMOX （ 氧离子注入隔离法 ）l 氧离子注入后，必须进行高温退火热处理，使O与Si作用形成Si02并消除晶格的损伤，处理温度为1150-1250，时间为2h。退火前，在硅片表面淀积一层Si02能有助于提高退火效果并能减少表面缺陷。l SIMOX法简单易行，能得到良好的单晶层，与常规硅器件工艺完全相容。它可以说是目前SOI技术中最引人注意的，但不足的是它无法做成三维的器件。29O2O23031 采用采用SIMOX技术制备的技术制备的硅膜均匀性较好，调整氧离子注硅膜均匀性

18、较好，调整氧离子注入剂量可使厚度控制在入剂量可使厚度控制在50400nm的范围。的范围。但由于需要昂贵的但由于需要昂贵的高能大束流离子注入机，还要经过高温退火过程，所以制备高能大束流离子注入机，还要经过高温退火过程，所以制备成成本很高，价格非常贵。本很高，价格非常贵。 采用采用SIMOX技术制备的技术制备的顶层顶层硅膜通常较薄硅膜通常较薄，为此，人们采，为此，人们采用在用在SIMOX基片上外延的方法来获得较厚的顶层硅基片上外延的方法来获得较厚的顶层硅，即所谓的，即所谓的ESIMOX（Epoxy SIMOX）技术）技术。但是厚外延将在硅膜中引起。但是厚外延将在硅膜中引起较多的缺陷，因此较多的缺陷

19、，因此SIMOX技术通常用于制备薄硅膜、薄埋氧层技术通常用于制备薄硅膜、薄埋氧层的的SOI材料。材料。 32各层性能各层性能2020世纪世纪9090年代年代今后今后上层上层SiSi的均匀性的均匀性/ /埃埃1001002525SiOSiO2 2埋层厚度埋层厚度/um/um0.3-0.50.3-0.50.05-0.50.05-0.5SiOSiO2 2埋层的均匀性埋层的均匀性3%3%1%1%平均缺陷密度平均缺陷密度/cm/cm-2-210105 5-10-104 410103 3-10-102 2样品表面的粒子数样品表面的粒子数注入后注入后/cm/cm-2-2( (粒子大小粒子大小) )0.750

20、.750.0160.016退火后退火后/cm/cm-2-2( (粒子大小粒子大小) )0.0160.0160.0160.016SIMOXSIMOX材料现在的水平和今后的需要材料现在的水平和今后的需要33nSIMOX材料：材料：最新趋势是采用最新趋势是采用较小的氧注入剂量较小的氧注入剂量显著改善顶部硅层的质量显著改善顶部硅层的质量降低降低SIMOX材料的成本材料的成本低注入剂量低注入剂量( 4 1017/cm2)的埋氧厚度薄：的埋氧厚度薄：8001000退火温度高于退火温度高于1300，制备大面积，制备大面积( 300mm)SIMOX材料困难材料困难34 Smart Cut智能切割智能切割兼具有

21、兼具有SDB和和SIMOX的特点，的特点，工工艺流程包括艺流程包括热氧化、注氢、低温键合、热处理剥离、精密热氧化、注氢、低温键合、热处理剥离、精密抛光抛光等。这种方法制得的等。这种方法制得的硅片顶部硅膜的均匀性相当好，硅片顶部硅膜的均匀性相当好，单片厚度偏差和片间偏差可控制在单片厚度偏差和片间偏差可控制在10nm以内，另外以内，另外生产成生产成本也可降低本也可降低，因为不需要昂贵的专用大束流离子注入机和，因为不需要昂贵的专用大束流离子注入机和长时间的高温退火，所以这是一种极有前途的长时间的高温退火，所以这是一种极有前途的SOI制备技制备技术。特别术。特别适用于制备薄硅膜、厚埋氧层材料。适用于制

22、备薄硅膜、厚埋氧层材料。 3.Smart Cut（智能切割智能切割）3536nSmart-Cut技术是一种智能剥离技术n将离子注入技术和硅片键合技术结合在一起n解决了键合SOI中硅膜减薄问题，可以获得均匀性很好的顶层硅膜n硅膜质量接近体硅。n剥离后的硅片可以作为下次键合的衬底，降低成本37H2H238Smart Cut39Smart Cut40Smart Cut41 ELTRAN技术技术(Epoxy Layer Transfer)外延层转移外延层转移，独独特之处在于特之处在于在多孔硅表面上在多孔硅表面上可可生长平整的外延层生长平整的外延层，并能以合，并能以合理的速率理的速率将多孔硅区域彻底刻蚀

23、掉将多孔硅区域彻底刻蚀掉 ，该技术保留了外延层，该技术保留了外延层所具有的原子平整性，在晶体形成过程中也不产生颗粒堆积所具有的原子平整性，在晶体形成过程中也不产生颗粒堆积或凹坑，因此具有比其它或凹坑，因此具有比其它SOI技术更为优越的性能。技术更为优越的性能。 4.ELTRAN（外延层转移外延层转移）4243ELTRAN44ELTRAN4546 以上以上4 4种制备种制备SOISOI材料的方法各有所长，用户可以根据不同的材料要求，材料的方法各有所长，用户可以根据不同的材料要求，选择不同的制备方法。选择不同的制备方法。1 1）SDBSDB法通常用于制取厚埋氧层材料，其硅层的厚度取决于硅片减薄技术

24、法通常用于制取厚埋氧层材料，其硅层的厚度取决于硅片减薄技术的进展。早期该技术只能制备厚硅层材料，后来随着的进展。早期该技术只能制备厚硅层材料，后来随着BEBE（Back EtchBack Etch） BondingBonding技术和技术和CMPCMP（Chemical Mechanical PolishingChemical Mechanical Polishing）技术的发展，也可）技术的发展，也可以用于制备极薄的顶层硅（以用于制备极薄的顶层硅（0.1m 0.1m ）。）。2 2）SIMOXSIMOX法由于氧注入条件的限制，只能制取薄硅层（法由于氧注入条件的限制，只能制取薄硅层（0.10.

25、10.4m0.4m）和薄）和薄埋氧层（埋氧层（0.10.10.4m0.4m）材料。要获得厚的硅层，必须再进行外延，即采用）材料。要获得厚的硅层，必须再进行外延，即采用ESIMOXESIMOX法。法。3 3）Smart CutSmart Cut法由于采用了键合工艺，则最适用于制备薄硅层（法由于采用了键合工艺，则最适用于制备薄硅层（0.10.11m1m）和厚埋氧层材料。和厚埋氧层材料。4 4）ELTRANELTRAN法的适用范围最宽，可根据用户要求，提供从几十纳米到几十微法的适用范围最宽，可根据用户要求，提供从几十纳米到几十微米的硅层和埋氧层。米的硅层和埋氧层。l 金属有机物化学气相沉积(Meta

26、l Organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD)自20世纪60年代首次提出以来，经过70年代至80年代的发展，90年代已经成为砷化镓、磷化铟等光电子材料外延片制备的核心生长技术，特别是制备氮化镓发光二极管和激光器外延片的主流方法。l 到目前为止，从生长的氮化镓外延片和器件的性能以及生产成本等主要指标来看还没有其它方法能与之相比。l 近年来从外延生长角度出发，称这一技术为MOVPE（ Metal organic Vapor Phase Epitaxy ）MOVPE：l 它是采用它是采用族、族、族元素的有机化合物和族元素的有机化合物和V族、族、族元素族元素的氢化

27、物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底的氢化物等作为晶体生长的源材料，以热分解方式在衬底上进行外延生长上进行外延生长一一V族，族，一一族化合物半导体以及它族化合物半导体以及它们的多元化合物的薄层单晶。们的多元化合物的薄层单晶。金属有机化合物的名称及其英文缩写l 三甲基镓 Tri-methyl-gallium TMGTMGal 三甲基铟 Tri-methyl-indium TMITMInl 三甲基铝 Tri-methyl-alumium TMAIl 三乙基镓 Tri-ethyl-gallium TEGTEGal 三乙基铟 Tri-ethyl-indium TEITEInl 二甲基锌 Di-

28、methyl-zinc DMZnl 二乙基锌 Di-ethyl-zinc DEZnl 二甲基镉 Di-methyl-cadmium DMCAl 二乙基镉 Di-ethyl-cadmium DECAMOVPE的特点的特点MOVPE具有下列的特点：具有下列的特点：（1）可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的性质）可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的性质 用来生长化合物晶体的各组分和掺杂剂都以气态通入反应器。因此，可以通过精确控制各种气体的流量来控制外延层的成分、导电类型、载流子浓度、厚，度等特性。可以生长薄到零点几纳米，纳米级的薄层和多层结构。（2） 反应器中气体流速快，可以迅速改变

29、多元化合物组分和杂质浓度反应器中气体流速快，可以迅速改变多元化合物组分和杂质浓度 反应器中气体流速快，因此，在需要改变多元化合物组分和杂质浓度时，反应器中的气体改变是迅速的，从而可以使杂质分布陡峭一些，过渡层薄一些，这对于生长异质和多层结构无疑是很重要的。 （3） 晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，需要晶体生长是以热分解方式进行，是单温区外延生长，需要控制的参数少，设备简单。便于多片和大片外延生长，有利于控制的参数少，设备简单。便于多片和大片外延生长，有利于批量生长。批量生长。（4） 晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因此改变晶体的生长速度与金属有机源的供给量成正比，因此改

30、变其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。其输入量，可以大幅度地改变外延生长速度。（5） 源及反应产物中不含有源及反应产物中不含有HCl一类腐蚀性的卤化物，因此生长一类腐蚀性的卤化物，因此生长设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。设备和衬底不被腐蚀，自掺杂比较低。 此外，此外，MOVPE可以进行低压外延生长可以进行低压外延生长(LP-MOVPE. Low Pressure MOVPE)，比上述常压，比上述常压MOVPE的特点更加显著。的特点更加显著。MOVPE设备l MOVPE设备分为卧式和立式两种，有常压和低压，高频感应加热和辐射加热，反应室有冷壁和热壁的。l 因为MOVPE生长使用的源是易燃、

31、易爆、毒性很大的物质，并且常常用来生长大面积、多组分超薄异质外延层。因此，设备要求考虑系统气密性好，流量、温度控制精确，组分变换要迅速，整个系统要紧凑等等。l 不同厂家和研究者所生产或组装的MOVPE设备往往是不同的，但一般来说，都由以下几部分组成： (1) 源供给系统， (2)气体输运和流量控制系统， (3)反应室加热及温度控制系统，(4)尾气处理， (5)安全防护报警系统，(6)自动操作及电控系统。立式低压MOVPE设备示意图l 1源供给系统l 源供给系统包括金属有机物和氢化物及掺杂源的供给。金属有机物是装在特制的不锈钢(有的内衬聚四氟乙烯)的鼓泡器(源瓶)中，由通入的高纯H2携带输运到反

32、应室。为了保证金属有机化合物有恒定的蒸气压，源瓶置于控温精度在01以下的电子恒温器中。l 氢化物一般是经高纯H2稀释到浓度为5或10后(也有100浓度的)装入钢瓶中，使用时再用高纯H2稀释到所需浓度后，输入反应室。l 掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源输运相同。 l 2气体输运系统l 气体的输运管路是由不锈钢管道、质量流量控制器(mass flow controllerMFC)，截止阀、电磁阀和气动阀等组成。为了防止存储效应，不锈钢管内壁进行电化学抛光，管道的接头用氩弧焊或VCR接头连接，并用正压检漏和He泄漏检测仪检测，保证反应系统

33、无泄漏是MOVPE设备组装的关键之一，泄漏速率应低于10-9cm3s。l 气路的数目视源的种类而定。为了精确控制流量应选择量程合适、响应快、精度高的MFC，如进行低压外延生长，在反应室后设有由真空系统，压力传感器及蝶形阀等组成低压控制系统。在真空系统与反应室之间还应设有过滤器，以防油污或其他颗粒倒吸到反应室中。l 如果使用的源在常温下是固态，为防止在管路中沉积，管路上绕有加热丝并覆盖上保温材料。l VCR接头是为要求高度纯净无垢环境的应用按照无渗漏而设计的。VCR产品设计在正压真空空间内提供全金属封装的无渗漏服务。 l 3反应室和加热系统l 反应室多数是由石英管和石墨基座组成。为了生长组分均匀

34、、超薄层、异质结构、大面积外延层，在反应室结构的设计、制造上下了很多工夫，因此，反应室有各式各样的不同结构。l 石墨基座由高纯石墨制做，并包覆SiC层，不仅立式石墨基座可以转动，有的水平式基座也可以转动。l 为了防止装片与取片时空气进入反应室，一般设有高纯N2的保护室(箱)或专用装取片设备。l 加热多采用高频感应加热或辐射加热。由热电偶和温度控制器与微机组或自动测控温系统，一般温度控制精度可达02。l 4尾气处理系统尾气处理系统l 反应气体经反应室后，大部分热分解，但有部分未分解，因此尾气不能直接排放到大气中，必须进行处理。目前处理尾气的方法有很多种，主要有高温炉再一次热分解，随后用硅油或高锰

35、酸钾溶液处理；也可以把尾气直接通入装有H2SO4+H202及装有NaOH的吸滤瓶处理；也有的把尾气通入固体吸附剂中吸附处理，以及用水淋洗尾气等等。总之要将尾气处理到符合环保要求后再排放到大气中。 l 5安全保护及报警系统安全保护及报警系统l 为了安全，一般的MOVPE系统，设备有高纯N2旁路系统，在断电或其他原因引起的不能正常工作时，纯N2将自动通入系统保护系统内的清洁。在正常停止生长期间也有长通高纯N2的保护系统。 设备还附有AsH3，PH3等毒气泄漏检测仪及H2气泄漏检测器，并通过声光报警。l 6控制系统控制系统l 一般的MOVPE设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能。 在控制系统面板

36、上设有阀门开关，各个管路气体流量、温度的设定及数字显示，如有问题会自动报警，使操作者能随时了解设备运转情况。MOVPE生长GaAsl 使用使用TMGa与与AsH3反应生长反应生长GaAs原理原理 Ga(CH3)3(g) + AsH3(g) = GaAs(s) +3CH4(g) l 如果要生长三元化合物如果要生长三元化合物Ga1-xAlxAs时，可以在上述反应系时，可以在上述反应系统中再通往统中再通往TMAl，反应式为：，反应式为： xAl (CH3)3(g) + (1-x) Ga(CH3)3(g) + AsH3(g) = Ga1-xAlxAs(s) +3CH4(g) MOVPE生长GaAsl

37、工艺流程：工艺流程：l 把处理好的GaAs衬底装到基座上，调整好三甲基镓(TMG)源的恒温器以及其他应设定的参数，如流量、温度等。l 然后系统抽空、充H2(如是低压生长应调整好反应室内压力)。l 接着升温，待温度达到300 时，开始通AsH3，在反应室内形成As气氛，以防止GaAs衬底受热分解。待温度升至外延生长温度时，通入TMG进行外延生长。l 在生长完后，停止通TMG，降温到300时再停止通AsH3，待温度降至室温时开炉取出外延片。影响GaAs生长的因素常压常压MOVPE生长生长GaAsl (1)AsH3TMG(VIII)对所生长的对所生长的GaAs导电类型和载流子浓度的影响。导电类型和载

38、流子浓度的影响。l 由图看出，在比值大的情况下，外延由图看出，在比值大的情况下，外延层是层是N型，载流子浓度处于低到中等型，载流子浓度处于低到中等(1014cm3)区域内。随着区域内。随着ASH3TMG比的减少，材料的载流子浓度也随之减比的减少，材料的载流子浓度也随之减少，并发生导电类型改变。当比值减少少，并发生导电类型改变。当比值减少到大约到大约20时，变为时，变为P型。型。l 实验发现，产生导电类型转变区的精实验发现，产生导电类型转变区的精确的确的AsH3TMG的比值与生长温度、的比值与生长温度、生长速度以及源的纯度有关。此外，在生长速度以及源的纯度有关。此外，在比值大于比值大于30时，表

39、面如镜面，而比值很时，表面如镜面，而比值很低，小于低，小于1015时，表面变得粗糙。时，表面变得粗糙。载流子浓度与载流子浓度与AsH3TMG的关系的关系l (2) 外延层厚度对迁移率的影响。外延层厚度对迁移率的影响。在半绝缘GaAs衬底上，相同的条件下，生长一系列厚度不同的外延层，测其迁移率，发现随着外延层厚度增加，迁移率迅速增加，在层厚2530m时，达到极大值，然后有所下降，但变化不大。产生上述变化的原因还不十分清楚，也许是界面处存在的淀积物或砷空位等缺陷或衬底中其他杂质扩散出来所致。l (3) 总杂质浓度和生长温度的关系。总杂质浓度和生长温度的关系。在富砷的生长条件下，温度是影响非掺杂Ga

40、As外延层中总杂质浓度的最重要因素。实验发现，从750到600，外延层中的施主和受主浓度都随温度降低而降低。在600时，总杂质浓度1015cm3。但低于600时，外延层表面变得粗糙。l (4) 源纯度对迁移率的影响。源纯度对迁移率的影响。l 在MOVPE生长非掺杂GaAs外延层中，杂质的主要来源是源材料，只要TMG和AsH3中一种纯度不够，迁移率就降低。早期源的纯度不够高曾限制了MOVPE技术的应用。目前采用一般的源可生长出载流子浓度小于11014cm3，室温迁移率大于6000cm2VS的GaAs外延层。分子束外延生长(MBE)l 分子束外延分子束外延(molecular beam epita

41、xy，MBE)是是在超高真空条件下，用分子在超高真空条件下，用分子束或原子束输运源进行外延生长的方法束或原子束输运源进行外延生长的方法。在超高真空中，分子束中的分子之。在超高真空中，分子束中的分子之间以及分子束的分子与背景分子之间几乎不发生碰撞。间以及分子束的分子与背景分子之间几乎不发生碰撞。l 分子束外延与其他外延方法相比具有如下的优点：分子束外延与其他外延方法相比具有如下的优点：l 源和衬底分别进行加热和控制，生长温度低源和衬底分别进行加热和控制，生长温度低，如，如GaAs可在可在500左右生长，左右生长，可减少生长过程中产生的热缺陷及衬底与外延层中杂质的扩散，可得到杂质可减少生长过程中产

42、生的热缺陷及衬底与外延层中杂质的扩散，可得到杂质分布陡峭的外延层；分布陡峭的外延层；l 生长速度低生长速度低(0.1-1nm/s)，利用快门，利用快门可精密地控制掺杂可精密地控制掺杂、组分和厚度组分和厚度，是一，是一种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构；种原子级的生长技术，有利于生长多层异质结构；l MBE生长不是在热平衡条件下进行的，是一个动力学过程，因此生长不是在热平衡条件下进行的，是一个动力学过程，因此可以生长可以生长一般热平衡生长难以得到的晶体一般热平衡生长难以得到的晶体；l 生长过程生长过程中，表面处于真空中，利用附设的设备可中，表面处于真空中，利用附设的设备可进行原位进行原位

43、(即时即时)观测，观测，分析、研究生长过程、组分、表面状态等分析、研究生长过程、组分、表面状态等。分子束外延生长（MBE）l MBE作为重要的超薄层生长技术，已广泛用于生长一V、一、族等化合物及其多元化合物的单晶层，制做结构复杂、性能优异的各种器件。 l 缺点缺点： MBE设备比较复杂，价格昂贵，使用时消耗大量液氮。某些元素如Zn的粘附系数较小，用这类元素掺杂尚有困难。 l 过去，由于MBE生长速率慢，每次只生长一片，因此只限于研究使用，目前，生产型的MBE已投入市场。MBE的设备l MBE设备主要由真空系统、生长系统及监控系统等组成。l MBE生长系统 以不锈钢结构为主体，由三个真空室连接而

44、成，分别为衬底取放室、衬底存储传送室和生长室。l 三个室之间用高真空阀门连结，各室都能独立地做到常压和高真空转换而不影响其他室内的真空状态。这三个室均与由标准机械泵、吸附泵、离子泵、液N2冷阱、钛升华泵等构成的真空系统相连，以保证各室的真空度均可达到110-8110-9Pa，外延生长时，也能维持在10-7Pa的水平为了获得超高真空，生长系统要进行烘烤，所以生长系统内的附属机件应能承受200250的高温，并且具有很高的气密性。l 生长室内设有多个内有BN或石英、石墨制的坩埚，外绕钨加热丝并用热电偶测温的温控炉。分别用来装Ga、In、Al和As以及掺杂元素Si(N型掺杂)、铍Be(P型掺杂)。温度

45、控制精度为05。在热平衡时气态分子(或原子)从坩埚开口处射出形成分子束射向衬底。由在炉口的快门控制分子束的发射与中止。l 在分子束发射炉对面设置带有加热器的衬底架，利用In或Ga将衬底黏附在衬底架上。为了对衬底表面清洁处理还装有离子枪。监控系统一般包括四极质谱仪，俄歇谱仪和高、低能电子衍射仪等。 l 四极质谱仪用来监测残余气体和分子束流的成分。低能电子衍射仪可分析晶体表面结构，高能电子衍射仪还可以观察生长表面光洁平整度。l 各监测仪器所得信号，分子束发射炉温度信号等输入微机进行处理，自动显示并调节温度和快门，按编制的程序控制生长，以获得结构、组分、厚度等均符合要求的外延片。l 质谱分析法:是

46、通过对被测样品离子的质荷比的测定来进行分析的一种分析方法。被分析的样品首先要离子化，然后利用不同离子在电场或磁场的运动行为的不同，把离子按质荷比（m/z）分开而得到质谱，通过样品的质谱和相关信息，可以得到样品的定性定量结果。l 低能电子衍射:利用10-500eV能量电子入射，通过弹性背散射电子波的相互干涉产生衍射花样。低能电子衍射仪可分析晶体表面结构。l 背散射电子：被固体样品的原子核反弹回来的一部分入射电子l 俄偈电子:当原子内层因电离激发而留下一个空位，较外层电子向这一能级跃迁使原子释放能量过程中，可以发射一个具有特征能量的X-ray光子，也可以将这部分能量交给另一外层电子引起进一步电离，从而发射一个具有特征能量的电子，此电子称为俄偈电子 。l 俄歇谱仪通过检测俄偈电子的能量和强度，可获得表层化学成分的定性或定量信