微电子工程学8解析PPT文档格式.pptx

1、尽管有这些问题，但由于MOCVD技术的突出优点及所展示出的 可能的应用前景，它已经成为令人关注的重要研究课题。,第8章微电子工程前沿课题,5,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1 MOCVD技术的一般特点MOCVD通常可以写成如下反应：族元素烷基（或烃基）化合物族元素氢化物族化合物气体碳化物生成的族化合物可以淀积在半导体衬底材料上，也可以 淀积在绝缘氧化物衬底上。MOCVD的主要优点是：装置相对简单、操作容易，淀积温度低，因而可以降低杂质沾污及减少晶体缺陷；反应过程中无卤素原子，因而避免了由卤素原子引起的腐蚀等严重问题；可以在不同衬底 材料上进行同质及异质外延；淀积面

2、积大、质量好，可控杂质浓度可低至1016cm-3，因而可降低成本、提高生产率。,第8章微电子工程前沿课题,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1 MOCVD技术的一般特点表81列出了目前常用的半导体薄膜制备方法，并列出了各自 的优缺点及应用限制。从表中可以看出，MOCVD和ClCVD是化学 方法，而LPE和MBE则属于物理方法。,方法,优 点问题及限制,MOCVD,源材料易燃、易爆、剧毒；安全条件要求高,Cl-CVD,工艺性 质化学成本低、产量高、操作容易、适用于同质外延和异质外 延化学表面质量高适用于FET器件,卤化物沾污，不能用于含 铝材料，生产率低,LPE,物理,

3、晶体完整性高，适用于DH 及FET器件，生产能力较强,不能用于绝缘衬底，表面 质量差，成批生产不连续,MBE,物理,高精度、高表面质量,生产率非常低，目前仅限 于实验室使用,6,第8章微电子工程前沿课题,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1 MOCVD技术的一般特点图81给出了GaAs材料的MOCVD系统示意图。可见MOCVD系统 有以下几个主要组成部分：,7,第8章微电子工程前沿课题,8,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1 MOCVD技术的一般特点加热装置通常由射频感应加热，加热用的石墨基座外面 包覆SiC，基座下面有支撑杆，以便使基座转

4、动。反应器反应器由气炼石英管制作，可以是卧式的，也可 以是立式的。图82示出几种反应器的设计。进气系统由质量流量计控制各种气体流量，因为各种源 均用高纯氢气作载气，因此必须配备氢气净化装置（如钯扩散管）。除了原料气体以外，还有掺杂源，以便在生长过程中掺杂。冷阱及安全装置由于金属有机物剧毒、易爆，且有较高 的蒸汽压，因此应该存放于特制的密闭冷阱中，并有泄漏监视及温 度控制传感装置，以保证操作时的安全。,第8章微电子工程前沿课题,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1 MOCVD技术的一般特点,图82 各种形状反应器的设计：a-垂直式，b-水平式，c-桶式，d-扁平式,9,

5、第8章微电子工程前沿课题,图83 低压MOCVD生长系统示意图,10,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.1 MOCVD技术的一般特点MOCVD可以常压操作或 减压操作。图83是一个低 压装置的示意图。它与常压 装置的主要区别是可以省去 载气。由于在低压气氛中生 长，膜的质量较好，粘结性 也较好，特别对于表面是非 平面结构的衬底，也能生长 较均匀的薄膜。低压系统的这些优点是 由于气体分子在减压的条件 下碰撞次数减少，平均自由 程增加，因而有很大的扩散,性。,第8章微电子工程前沿课题,11,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.2 MOCVD生长过程

6、及参数控制在MOCVD技术中，影响质量的参数主要有生长温度、气流速度 及气流方式，衬底表面处源材料纯度及掺杂控制等。1.温度由三甲基镓和砷烷为源，在尖晶石衬底上生长（111）GaAs膜的实 验表明，最佳生长温度与衬底取向有很大关系。在500800范围 内，由实验得到的一般规律是：低于600时，膜是多晶；在高于80 0时，反应器内的气流变为湍流，得到的膜有很高的缺陷密度；在 所限定的温度范围内，对于（111）衬底，最合适的生长温度为6807 20；对（110）衬底，最合适的生长温度为630700。用蓝宝石作为衬底，也观察到类似的规律，在800生长的GaAs 膜不如675时的质量好。,第8章微电子

7、工程前沿课题,12,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.2 MOCVD生长过程及参数控制对于尖晶石和蓝宝石两种衬底生长速率和温度关系的研究表明，这两种生长系统中生长速率在相当宽的温度范围内基本上是常数。这时膜的质量和生长速率主要与气流量、气流方式有关。在特定 的设备中，即当气流方式不变的情况下，某个特定的材料体系的最 佳气流量可由实验来确定。一般来说，当气流量大于最佳值时，衬 底中心部分的淀积速率较大，而当气流量小于最佳值时，淀积容易 在衬底周边发生。2.流量和流速由三甲基镓和砷烷为源，在尖晶石衬底上生长（111）GaAs膜的实 验表明，当膜在过量的AsH3（进入反应器

8、的AsH3流量是（CH3）3Ga的10倍）条件下生长时，淀积速率随三甲基镓的浓度线性增加。,第8章微电子工程前沿课题,13,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.2 MOCVD生长过程及参数控制源气体的最佳配比对生长高质量的膜非常重要。实验发现，尖 晶石上淀积的GaAs外延层的电学性质与气流中的砷烷和三甲基镓的 比例有很大关系。对于一定的生长温度，n型膜的载流子浓度在三甲 基镓流速不变时与砷烷流速有关：较高的砷烷流速条件下得到的膜，其载流子浓度在某个特定值时趋于饱和，而在砷烷气流减小时，净的施主浓度也趋于减小。在继续减小砷烷流速的情况下，膜将最 终变成p型。起p型导电作用

9、的受主态可能与膜中的缺陷（砷空位）有关。在生长过程中改变源气的气流比例可以在外延膜中制造p-n结。,第8章微电子工程前沿课题,14,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.2 MOCVD生长过程及参数控制3.源的纯度在MOCVD技术中，源的纯度非常重要。可以说，膜的电学性质 在相当大程度上由源的纯度决定。市场上可以买到高纯的砷烷。其 纯度可由预先用氯化镓与砷烷为源同质外延得到的GaAs膜的电学测 量来估计。三甲基镓的质量尚无法预先估计。发射光谱分析证明，三甲基镓中含有Cu、Fe、Zn、Al、Si、Mg等诸多杂质，其重量比可高达107104。这些杂质可以引起GaAs膜的非故意

10、掺杂。红外光谱分 析证明，在三甲基镓中还存在不等量的碳氢化合物。到目前为止，三甲基镓的纯度一般是由外延生长膜的电学测量来评估的。不纯的 镓源生长的GaAs膜表观上有很高的电阻率（大于103Wcm），而且与膜的厚度无关，有时还能得到多晶膜。,第8章微电子工程前沿课题,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.3 对于源的讨论鉴于源材料对于MOCVD技术的重要性，下面就源的组成问题 进行一些讨论。MOCVD技术所用的源材料是路易斯酸（电子接受体）和路易 斯碱（电子给予体）及所生成的加合物作为反应产物的母体，即：路易斯酸（电子接受体）路易斯碱（电子给予体）加合物 例如：MR3+XR

11、3=MR3XR3加合物中各化学键的强度由R、R、M及X的性质决定。在加合 物形成后，可以有以下几种方式生成产物MX（下列各式中，括号 内是可替代成分）：（1）由多组分原位生成：MR3+XR3=MXR3R3,例如：GaMe3+P（As）H3=GaP（As）+3MeH甲基）,（Me=CH3，15,第8章微电子工程前沿课题,16,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.3 对于源的讨论（2）由单一源生成：MR3（R2X）XR3=MX+R3R3（RX+2RR）例如：GaEt2ClAsEt3=GaAs+EtCl+2EtEt（Et=C2H5，乙基）（3）由取代反应生成：MR3XR3+X

12、R3=MX+XR3+R3R3例如：InMe3PEt3+P（As）H3=InP（As）+PEt3+3MeH,第8章微电子工程前沿课题,17,金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况对于源的讨论几乎所有的族、族、族化合物的MOCVD都 可归于上述几种类型的一种。在由多组分原位反应生成所需的化合 物时，存在着生成高聚物的副反应：nMR3+nXR3=（MRXR）n+2nRR例如：nInMe3（Et3）+nPH3=（InMe（Et）PH）n+2nMe（Et）H生成的高聚物（MRXR）n妨碍了半导体化合物MX的生成。目前 已找到一些解决这个问题的办法：加入某种阻化剂，使高聚物不易生成，如在上述反应中

13、加入Me3InPMe3、MeInPEt3、Me3InNEt3等一类物质可以阻 止高聚物（InMe（Et）PH）n生成。在原料气混合之前使PH3裂解。用低压汽相淀积（LPMOCVD）使高聚物分解。在衬底附近设置辅助加热器使高聚物分解。,第8章微电子工程前沿课题,18,8.1 金属有机物化学汽相淀积（MOCVD）技术概况8.1.3 对于源的讨论总之，MOCVD技术在80年代中期已经在合成高纯的烷、烃基 金属化合物及其加合物，解决淀积过程中的高聚物问题以及减少设 备开关瞬态时间，从而使组分和掺杂都得到了精确控制等几个方面 都取得了巨大进步，使MOCVD技术进入了一个趋于成熟并在电子 材料制备中越来越

14、显示出重大作用的新阶段。最后，关于MOCVD技术中的安全问题，主要有两个方面：一 是所有金属有机化合物及V族元素氢化物极毒，因此要求系统密闭 及对废物严格处理；二是氢化物及金属有机化合物沸点低、易挥发、易燃、易爆。目前已在MOCVD系统上设计了很多传感器，并用 电脑加以控制，有效地保证了操作中的安全。但值得提出的是这些 装置并非越多越好，实际上是越多越容易出毛病。,第8章微电子工程前沿课题,8.2 分子束外延（MBE）技术简介分子束外延就是在超高真空系统中，用分子或原子束进行外延 淀积的过程。在超高真空条件下，分子束束流密度低，束流分子之 间以及束流分子与背景气体分子之间都没有明显的碰撞发生。分子束外延的特点如表82所示：外延生长的蒸发源与衬底分开加热，可以分别加以控制和 调整；生长速率极慢，约1埃/秒10埃/秒，可以利用快门精密 地控制膜厚与成分；生长温度低，可以避免生长过程中衬底或外延层中杂质的 再扩散，也可避免高温热缺陷的产生，并可