第一章-晶体生长和外延

1、大规模集成电路制造工艺大规模集成电路制造工艺修课学生：修课学生： 11 11级微电子：级微电子：5151人人 11 11级电科：级电科：1 1人人授课教师授课教师: : 张冬利张冬利E-mailE-mail：dongli_dongli_办公室：电子信息楼办公室：电子信息楼207207参考教材参考教材2 2成绩计算成绩计算平时：平时：5分；分； 旷课旷课(-1)、迟到、早退、迟到、早退(-1)；作业作业(10分分)； 是否认真，是否正确，是否是否认真，是否正确，是否雷同雷同(0分分)；期中考试：期中考试：30分；分； 考查对前半学期所学知识的理解和掌握；考查对前半学期所学知识的理解和掌握；期末考

2、试：期末考试：45分；分； 考查对本学期所学知识的综合理解掌握。考查对本学期所学知识的综合理解掌握。3课堂表现课堂表现(10分分)； 回答问题回答问题( )，课上表现；，课上表现；1 分分单晶材料制备单晶材料制备 大规模集成电路制造工艺大规模集成电路制造工艺4半导体的形态类型半导体的形态类型n非晶：原子随机性排列，没有任何周期性；非晶：原子随机性排列，没有任何周期性；n多晶：原子排列在小范围内具有周期性；多晶：原子排列在小范围内具有周期性；n单晶：在整个固体内原子排列具有完美的周期性单晶：在整个固体内原子排列具有完美的周期性；5单晶单晶多晶多晶非晶非晶硅和砷化镓硅和砷化镓6金刚石结构金刚石结构

3、 (Si) (Si)闪锌矿结构闪锌矿结构 (GaAs) (GaAs) 晶体生长和外延晶体生长和外延7单晶生长：获得高质量的衬底材料；单晶生长：获得高质量的衬底材料；外延生长：在单晶衬底上生长另一层单晶半导体外延生长：在单晶衬底上生长另一层单晶半导体；起始材料起始材料多晶半导体多晶半导体单晶单晶晶片晶片SiGaAs蒸馏与还原蒸馏与还原合成合成晶体生长晶体生长晶体生长晶体生长研磨、切割研磨、切割抛光抛光研磨、切割研磨、切割抛光抛光从原料到磨光晶片的制造流程从原料到磨光晶片的制造流程SiO2Ga，As单晶硅的制备82SiO (+SiC(Si(+SiO(+CO 固体）固体）固体)气体)(气体)o300

4、322Si(+6HCl(2SiHCl (+2HC 固体)气体）气体)(气体)322SiHCl (+2H2Si(+6HCl( 气体)(气体)固体)气体）起始材料起始材料: 高纯度的硅砂高纯度的硅砂:可得到纯度为可得到纯度为98%的冶金级的硅的冶金级的硅三氯硅烷室温下为液态三氯硅烷室温下为液态,可以利用蒸馏法去除杂质可以利用蒸馏法去除杂质可得到电子级的多晶硅可得到电子级的多晶硅(所含杂质浓度约为十亿分之一所含杂质浓度约为十亿分之一)9柴可拉斯基法柴可拉斯基法(Czochralski Technique)( (直拉法直拉法) )硅的熔点：硅的熔点：14171417o oC C10拉晶过程拉晶过程1.

5、1.熔硅熔硅将坩埚内多晶料全部熔化；将坩埚内多晶料全部熔化； 11拉晶过程拉晶过程2.2.引晶引晶将籽晶下降与液面接近，使籽晶将籽晶下降与液面接近，使籽晶预热预热几分钟，俗称几分钟，俗称“烤晶烤晶”，以除，以除去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时，可将籽去表面挥发性杂质同时可减少热冲击。当温度稳定时，可将籽晶与熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶；晶与熔体接触，籽晶向上拉，控制温度使熔体在籽晶上结晶； 12收颈收颈在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细在引晶后略为降低温度，提高拉速，拉一段直径比籽晶细的部分。其目的是的部分。其目的是排除接触不良引起的多晶和尽量

6、消除排除接触不良引起的多晶和尽量消除籽晶内原有位错的延伸籽晶内原有位错的延伸。颈一般要长于。颈一般要长于20mm20mm。拉晶过程拉晶过程13放肩放肩缩颈工艺完成后，略降低温度缩颈工艺完成后，略降低温度(15-40)(15-40)，让晶体逐渐长大，让晶体逐渐长大到所需的直径为止。这称为到所需的直径为止。这称为“放肩放肩”。拉晶过程拉晶过程14等径生长等径生长当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，当晶体直径到达所需尺寸后，提高拉速，使晶体直径不再增大，称为称为收肩收肩。收肩后保持晶体直径不变，就是收肩后保持晶体直径不变，就是等径生长等径生长。要严格控制温度和。要严格控制温度和拉

7、速。拉速。拉晶过程拉晶过程15收晶收晶晶体生长所需长度后，拉速不变、升高熔体温度或熔体温度晶体生长所需长度后，拉速不变、升高熔体温度或熔体温度不变、加快拉速，使晶体脱离熔体液面。不变、加快拉速，使晶体脱离熔体液面。拉晶过程拉晶过程16300 mm( (12inch) )400 mm( (16inch) )单晶硅锭单晶硅锭17单晶硅锭单晶硅锭450mm硅片硅片18平衡分凝系数平衡分凝系数19由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的由于晶体是从融体中拉出来的，混合在晶体中（固态）的掺杂浓度通常和在界面处融体（液体）中的是不同的。掺杂浓度通常和在界面处融体（液体）中的是不同的。两种状态下的

8、掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数：两种状态下的掺杂浓度的比例定义为平衡分凝系数：0slCkCC Cs s和和C Cl l分别是在固态和液体分别是在固态和液体界面附近界面附近的平衡掺杂浓度。的平衡掺杂浓度。杂质分布杂质分布20 熔体的初始重量为熔体的初始重量为M M0 0，初始掺杂浓度为，初始掺杂浓度为C C0 0； 当已生长晶体的重量为当已生长晶体的重量为M M时，留在熔体中的掺杂数量为时，留在熔体中的掺杂数量为S S；sdSC dMC Cs s为晶体中的掺杂浓度。为晶体中的掺杂浓度。此时液体中剩下的重量为此时液体中剩下的重量为M M0 0M M，液体中的掺杂浓度，液体中的掺杂浓度C Cl l

9、0lSCMM当晶体增加当晶体增加dMdM的重量，熔体相对应减少的掺杂的重量，熔体相对应减少的掺杂( (dS)dS)为为: :杂质分布杂质分布21sdSC dM0lSCMM0lSCMM000=slCdSdMdMkSC MMMM 杂质分布杂质分布22000slCdSdMdMkSC MMMM 00000SMC MdSdMkSMM01000(1)ksMCk CM23010001ksMkMCC0) (1kM01) (1kM杂质分布杂质分布000 (1)Ckk0MM24lseCCk s0=lCkC （0）有效分凝系数有效分凝系数25考虑一小段宽度为考虑一小段宽度为几乎粘滞的熔体层，层内只有因拉出需几乎粘滞

10、的熔体层，层内只有因拉出需要补充融体而产生的流动，层外参杂浓度为常数要补充融体而产生的流动，层外参杂浓度为常数C Cl l；层内参杂浓度可用第层内参杂浓度可用第3 3章的连续性方程式来表示：章的连续性方程式来表示： 在稳态时在稳态时: C: C代替代替n np p，v v代替代替n nE E220dCd CvDdxdx/(0)vDlslsCCeCC260/00(1)lvsDeCkCkkk e/(0)vDsllsCCCeCs0=lCCk（0）1001ekseMCMCk高提拉速度，高提拉速度，低旋转速度，低旋转速度，可以获得均匀杂质分布！可以获得均匀杂质分布！27悬浮区熔法悬浮区熔法(Float-

11、Zone)(Float-Zone)制备单晶硅制备单晶硅多晶硅棒多晶硅棒 制备的单晶硅杂质浓度比直拉法更低；制备的单晶硅杂质浓度比直拉法更低； 不需要坩埚，污染少；不需要坩埚，污染少； 主要用于需要高电阻率材料的器件；主要用于需要高电阻率材料的器件；280 ()ededdSk SCAdxLCSLAkxxdd杂质浓度为杂质浓度为C C0 0，L L是熔融带沿着是熔融带沿着x x方向的长度，方向的长度，A A是晶棒的截面是晶棒的截面积，积， d d是硅的密度，是硅的密度，S S式熔融带中所存在的掺杂剂总量；式熔融带中所存在的掺杂剂总量；000/xSSdedSdxCAk S LS0C0 d AL是当带

12、的前进端形成时的掺杂剂数量。是当带的前进端形成时的掺杂剂数量。当此带移动距离当此带移动距离dxdx，前进端，前进端增加增加的掺杂数量为的掺杂数量为C C0 0 d dAdxAdx，从再结晶出所从再结晶出所移除移除的掺杂剂数量为的掺杂剂数量为k ke e(Sdx/L)(Sdx/L)；29/01 (1)ek x LdeeC ALSkk/01 (1)ek x LesCCk000/xSSdedSdxCAk S L/01 (1)edk x LeeLkSAkC30不同的不同的 k ke e下，下，相对杂质相对杂质浓度和凝固区长度的函数关系浓度和凝固区长度的函数关系。/01 (1)exkLesCCk31一次

13、区熔提纯与直拉法后的杂质浓度分布的比较（k=0.01=0.01）单就一次提纯的效果而言，直拉法的去杂质效果好。 32不同的悬浮区熔通过次数相对杂质浓度的影响。可用来提纯！FZ掺杂掺杂33如果需要的是掺杂而非提纯时，掺杂剂引入第一个熔区中S0ClAdL，且初始浓度C0小到几乎可以忽略：0expek xSSLsedSCkAL/ (/0)ek x LseleleCk C ek Ck x L000/exp()/ededek xCAk SLLCAk S L0ldSC AL直拉法生长单晶的特点直拉法生长单晶的特点34优点：所生长单晶的直径较大, 成本相对较低； 通过热场调整及晶转, 埚转等工艺参数的优化,

14、 可较好控制电阻率径向均匀性缺点：石英坩埚内壁被熔硅侵蚀及石墨保温加热元件的影响, 易引入氧碳杂质, 不易生长高电阻率单晶.改进直拉法改进直拉法磁控直拉技术磁控直拉技术35原理原理： 在直拉法单晶生长的基础上对坩埚内的熔体施加磁施加磁 场场, 由 于半导体熔体是良导体, 在磁场作用下受到与其运 动方向相反作用力，于是熔体的热对流受到抑制熔体的热对流受到抑制。 除磁体外, 主体设备如单晶炉等并无大的差别。优点优点：减少温度波动; 减轻熔硅与坩埚作用; 降低了缺陷密度, 氧的含量; 使扩散层厚度增大; 提高了电阻分布的均匀性。 悬浮区熔法悬浮区熔法36特点：特点：可重复生长、提纯单晶，单晶纯度较C

15、Z法高； 无需坩埚、石墨托，污染少； FZ单晶：高纯、高阻、低氧、低碳；缺点缺点: : 单晶直径不及CZ法 大面积均匀掺杂大面积均匀掺杂37对某些开关器件而言，如高压可控硅，必须用到大面积芯片，对均匀度度要求较高。采用中子辐射中子辐射工艺：中子在硅中的穿透深度约为100cm；31311413014. 252 6 hSi PSi 中子硅嬗变成为磷而得到硅嬗变成为磷而得到n n型掺杂的硅型掺杂的硅掺杂效果比较掺杂效果比较38砷化镓生长砷化镓生长39砷化镓的起始材料是砷及镓元素来合成的砷化镓的起始材料是砷及镓元素来合成的多晶砷化镓多晶砷化镓; ;这种组成的行为可以用这种组成的行为可以用 “ “相图相

16、图( (phase diagramphase diagram)”)”来描述来描述; ;例题例题40考虑一初始考虑一初始AsAs组分为组分为C Cm m（重量百分比刻度）的熔融态，从（重量百分比刻度）的熔融态，从T Ta a（在液态（在液态线上）冷却到线上）冷却到T Tb b，求有多少比例的融体将被凝固？求有多少比例的融体将被凝固？41Ta 、Tb时时: 砷总量不变：砷总量不变：-smllsmMCCsMCClslsMsMMls)lsmllssMM CM CM C( (,lsCC砷砷浓浓度度：液液体体中中固固体体中中:,blsTMM时时 液液体体重重量量固固体体重重量量:+alsTMM时时 总总重

17、重量量蒸汽压蒸汽压42GaAsGaAs熔点蒸汽压远熔点蒸汽压远高于高于SiSi; ;富砷时富砷时AsAs蒸汽压高蒸汽压高; ;富镓时富镓时GaGa蒸汽压高蒸汽压高; ;熔点之前，熔点之前，GaAsGaAs表表面开始分解，面开始分解， AsAs先蒸发先蒸发，液态时，液态时 富镓；富镓；多晶多晶GaAs制备制备43 Ga610oC-620oC 合成合成GaAsGaAs在密封的真空石英管系统内进行在密封的真空石英管系统内进行; ; 形成超压形成超压AsAs蒸气压：蒸气压： 与镓反应，生成与镓反应，生成GaAsGaAs； 防止生成的防止生成的GaAsGaAs再分解；再分解； GaAsGaAs熔体冷却时

18、，熔体冷却时， 即可生成高纯度多晶即可生成高纯度多晶GaAsGaAs；GaAs晶体生长晶体生长44 GaAs 熔体熔体直拉法直拉法: B B2 2O O3 3： 透明透明; ; 粘度大粘度大; ; 熔点熔点:450:450o oC;C; 不与不与GaAsGaAs反应；反应； 与与SiOSiO2 2反应反应; ;GaAs中杂质中杂质45GaAsGaAs晶体生长晶体生长46布理吉曼技术布理吉曼技术(Bridgman technique): 单晶硅锭单晶硅锭47单晶硅锭整形单晶硅锭整形48两端去除径向研磨定位面研磨切片切片/ /磨片磨片491.1.切片切片 将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符合

19、一定要求的单将已整形、定向的单晶用切割的方法加工成符合一定要求的单晶薄片。切片基本决定了晶片的晶向、厚度、平行度、翘度，晶薄片。切片基本决定了晶片的晶向、厚度、平行度、翘度，切片损耗占切片损耗占1/31/3左右左右。2.2.磨片磨片目的：目的： 去除刀痕与凹凸不平；去除刀痕与凹凸不平； 改善平整度；改善平整度； 使硅片厚度一致；使硅片厚度一致；磨料：磨料： 要求：其硬度大于硅片硬度。要求：其硬度大于硅片硬度。 种类：种类：AlAl2 2O O3 3、SiCSiC、SiOSiO2 2、MgOMgO等等抛光抛光50目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平整、光洁及无目的：进一步消除表面缺陷，获得高度平

20、整、光洁及无 损层的损层的“理想理想”表面。表面。方法：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光方法：机械抛光、化学抛光、化学机械抛光晶面定向与晶面标识晶面定向与晶面标识51由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不由于晶体具有各向异性，不同的晶向，物理化学性质都不一样，必须按一定的一样，必须按一定的晶向晶向（或解理面）进行切割（或解理面）进行切割; ;8 inch 8 inch 以下硅片需要沿晶锭轴向磨出平边来指示晶向和导以下硅片需要沿晶锭轴向磨出平边来指示晶向和导电类型。电类型。1 1主参考面主参考面( (主标志面主标志面) ) 作为器件与晶体取向关系的参考；作为器件与晶体取向关系的参考；

21、 作为机械设备自动加工定位的参考；作为机械设备自动加工定位的参考； 作为硅片装架的接触位置；作为硅片装架的接触位置；2. 2. 次参考面次参考面( (次标志面次标志面) ) 识别晶向和导电类型识别晶向和导电类型 晶面定向与晶面标识晶面定向与晶面标识528inch 8inch 以下硅片以下硅片: :芯片切割芯片切割53晶面定向与晶面标识晶面定向与晶面标识548 inch 以上硅片以上硅片制备好的晶圆制备好的晶圆55晶圆规格晶圆规格56晶体生长产生的缺陷晶体生长产生的缺陷57缺陷的含义缺陷的含义：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点：晶体缺陷就是指实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差的区域。阵结构发生

22、偏差的区域。理想晶体理想晶体：格点严格按照空间点阵排列。：格点严格按照空间点阵排列。实际晶体实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。：存在着各种各样的结构的不完整性。几何形态几何形态：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷点缺陷点缺陷58点缺陷点缺陷59点缺陷点缺陷60p缺陷尺寸在原子量级；缺陷尺寸在原子量级；p在三维方向上缺陷尺寸都很小；在三维方向上缺陷尺寸都很小；线缺陷线缺陷(位错位错)61刃型位错刃型位错: 在晶格里额外插入一个原子平面在晶格里额外插入一个原子平面刃型位错特点刃型位错特点621) 1) 刃型位错有一个额外的半原子面。刃型位错有一个额外的半原子面。

23、2)2) 晶体中存在刃位错后晶体中存在刃位错后, ,位错周围的点阵发生弹性畸变：位错周围的点阵发生弹性畸变： 点阵畸变相对于多余半原子面是左右对称的， 其程度随距位错线距离增大而减小。 就正刃型位错而言,上方受压,下方受拉。3) 3) 位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷 线缺陷线缺陷( (位错位错) )63螺位错螺位错: :将晶格剪开一部分并侧移一个晶格距离将晶格剪开一部分并侧移一个晶格距离螺位错特点螺位错特点641）无额外的半原子面；2）位错周围点阵也发生弹性畸变， 但不引起体积的膨胀和收缩；3）位错畸变区也是几个原子间距

24、宽度，同样是线位错。面缺陷面缺陷65孪晶孪晶界：界：某一晶面两边的晶体取向不同,以晶界为轴构成镜面对称孪晶界孪晶界面缺陷面缺陷66晶粒间界晶粒间界：彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区彼此没有固定晶向关系的晶体之间的过渡区67本征堆垛层错本征堆垛层错 非本征堆垛层错非本征堆垛层错堆垛层错堆垛层错：在这种缺陷中, 原子层的堆叠次序被打断;面缺陷面缺陷68体缺陷体缺陷 由在主晶格中固有的杂质溶解度所引起由在主晶格中固有的杂质溶解度所引起; ; 主晶格和析出杂质间的体积失配主晶格和析出杂质间的体积失配, ,从而导致位错从而导致位错; ;69缺陷的影响缺陷的影响 点缺陷：点缺陷：影响杂质的扩散运动；

25、影响杂质的扩散运动； 线缺陷：线缺陷：金属杂质容易在线缺陷处析出，劣化器件性能；金属杂质容易在线缺陷处析出，劣化器件性能； 面缺陷：面缺陷：不能用于制造集成电路；不能用于制造集成电路； 体缺陷：体缺陷：不能用于制造集成电路；不能用于制造集成电路；硅材料的性质硅材料的性质70吸杂吸杂71晶圆上制造器件的区域去除有害的杂质或缺陷的过程晶圆上制造器件的区域去除有害的杂质或缺陷的过程: 硅片体内氧的析出沉淀，硅片体内氧的析出沉淀， 在高温时产生位错，释放应力，在高温时产生位错，释放应力，位错起吸杂作用；位错起吸杂作用；外延外延(Epitaxy)72 以衬底晶片衬底晶片作为晶体籽晶; 外延层和衬底的材料

26、相同时, 称为同质外延(homoepitaxy) 硅衬底上外延生长单晶硅； 如果外延层和衬底的化学性质和晶体结构都不相同时, 称为异质外延（heteroepitaxy) GaAs上生长AlxGa1-xAs 外延生长比从熔体中升上温度低温度低很多(30%-50%) 最常用的外延技术： 化学气相淀积(Chemical Vapor Deposition, CVD) 分子束外延(Molecular Beam Epitaxy, MBE)化学气相沉积外延化学气相沉积外延73通过气体化合物间的化学作用而形成外延层的工艺; 常压(Atmospheric Pressure CVD) 低压(Low Pressur

27、e CVD); 反应物输送到衬底的区域; 转移到衬底表面并且被吸收;发生化学反应并外延生长; 气相生成物被释放到主气体流中;反应生成物被输送出反应炉外.硅的气相外延硅的气相外延74 四种硅源被用作气相外延生长: 四氯化硅(SiCl4)、三氯硅烷(SiHCl3)、二氯硅烷(SiH2Cl2)、和硅烷(SiH4)； 四氯化硅研究得最透彻，且广泛地应用在工业界，其主要的反应温度是1200；从四氯从四氯硅烷硅烷生长硅的反应如下：生长硅的反应如下：SiClSiCl4 4( (气体气体)+2H)+2H2 2( (气体气体) Si() Si(固体固体)+4HCl()+4HCl(气体气体) ) 硅的气相外延硅的

28、气相外延75从四氯从四氯硅烷硅烷生长硅的反应如下：生长硅的反应如下：SiCl4(气体气体)+2H2(气体气体) Si(固体固体)+4HCl(气体气体) SiCl4(气体气体)+Si(固体固体)2SiCl2(气体气体) 额外竞争反应：额外竞争反应：SiH4(气体气体) ) Si (固体固体) +2H2 (气气体体) 利用硅烷生长：利用硅烷生长：1000oC 其他硅源之所以被使用，是因为它们有较低的反应其他硅源之所以被使用，是因为它们有较低的反应温度温度, ,四氯化硅中，四氯化硅中，每用氢取代一个氯原子，反应每用氢取代一个氯原子，反应温度约降低温度约降低50 50 SiCl4 与硅外延生长与硅外延

29、生长76SiCl4在气体中的摩尔比例腐蚀反应可以用于外延生长之前的表面清洁。硅的气相外延掺杂硅的气相外延掺杂77 单晶硅在生长的过程中可以实现掺杂； 将含有杂质的气体与硅源气体一起引入； 在高温下杂质的氢化物将分解；2As +3H22AsH3N型掺杂：型掺杂：1000oC2PH32P +3H21000oCB2H62B +3H21000oCP型掺杂：型掺杂：硅外延掺杂过程硅外延掺杂过程78GaAs的外延的外延79 4AsH3 As4 + 6H2 （1） As4 + 4GaCl3 +6H2 4GaAs + 12HCl （3） 6HCl + 2Ga 2GaCl3 + 3H2 （2） 砷化镓的衬底晶片

30、一般维持在砷化镓的衬底晶片一般维持在650到到850的范围的范围; ; 砷的过蒸气压砷的过蒸气压( (overpressure) )防止衬底和生长层的热分解防止衬底和生长层的热分解; ; 砷化镓砷化镓CVDCVD外延生长：外延生长：GaAs的外延的外延80金属有机气相外延金属有机气相外延(Metal Organic CVD):(Metal Organic CVD):以热分解为基础的气相外延方法;适用于不能形成稳定的氢化物或卤化物, 但能形成稳定的金属有机化合物的元素;广泛应用与III-V和II-VI族化合物的异质外延上;利用三甲基镓三甲基镓Ga(CH3)3)得到Ga,利用砷烷砷烷(AsH3)得

31、到As: AsH3+Ga(CH3)3GaAs+3CH4 外延及掺杂外延及掺杂81 砷化铝砷化铝(AlAs), (AlAs), 可以使用三甲基铝可以使用三甲基铝Al(CHAl(CH3 3) )3 3; 二乙基二乙基锌锌Zn(CZn(C2 2H H5 5) )2 2 或二乙基或二乙基镉镉Cd(CCd(C2 2H H5 5) )2 2 作为作为p p型掺杂剂型掺杂剂; ; 硅硅烷烷(SiH4)(SiH4)作为作为n n型的掺杂剂型的掺杂剂; ; 硫和硒硫和硒的氢化物或的氢化物或四四甲基甲基锡锡 Sn(CHSn(CH3 3) )4 4 亦可作为亦可作为n n型的掺杂剂型的掺杂剂; ; 利用氯化利用氯化

32、铬铬将铬掺入砷化镓中形成半绝缘层将铬掺入砷化镓中形成半绝缘层; ;易燃、剧毒！易燃、剧毒！MOCVD 示意图示意图82分子束外延分子束外延83 在超高真空下在超高真空下(约约10-8 Pa),一个或多个热原子或热分子束在晶体表面反应的外延工艺;MBEMBE能够非常精确地控制化学组成和掺杂浓度分布；能够非常精确地控制化学组成和掺杂浓度分布； 能够制作厚度只有原子层量级的单晶多层结构能够制作厚度只有原子层量级的单晶多层结构超高真空下外延超高真空下外延84PMTNNtsS201064. 24-4-8Pa 2.8 100.28 ms2.8 s7.7 hPaPa. P 1 P 10 P 10 ttt时，

33、；时，；时，300K300K条件下条件下, ,要得到氧分子要得到氧分子NsNs为为7.547.54 10101414个个/cm/cm-2-2( (假设假设100%100%附着附着):):撞击率撞击率：有多少个分子有多少个分子/原子在单位时间内撞击在单位面积的衬底上原子在单位时间内撞击在单位面积的衬底上202.64 10PMT个个/cm2 s但是但是为为了了避免污染，避免污染，MBE工艺保持在超高真空中进行工艺保持在超高真空中进行(约约10-8 Pa)是至为重要的。是至为重要的。超高真空下外延超高真空下外延850.66 cmP对于室温下的气体分子对于室温下的气体分子( (相当于分子直径为相当于分

34、子直径为3.7)3.7)而言而言: :=660 km=660 km！平均自由程平均自由程: :分子在各次碰撞期间分子在各次碰撞期间, , 其平均经过的距离其平均经过的距离：22 PdkTP P为压强为压强, ,其单位为其单位为PaPa压强为压强为1010-8-8PaPa时时, ,临场清洁临场清洁86洁净表面洁净表面: : 污染物对器件特性的影响在可以忽略范围以下;处理方法：处理方法： 高温烘焙高温烘焙: :可分解自然氧化层和其它吸附物质； 缺点：缺点：很难实现大尺寸的硅片的均匀加热; 离子束溅射离子束溅射: :利用惰性气体的低能离子束去溅射清洁表面 +低温退火修复晶格表面; 优点优点: : 对

35、表面污染不敏感，可以去除各种污染物； 缺点缺点: : 溅射对晶格造成的损伤不易恢复； 光学清洁处理光学清洁处理: : 通过脉冲激光反复照射,将辐射能转化为热能； 活性离子束法活性离子束法: : 在1000K左右退火温度,通小束的Si流, 将SiO2还原为SiO外延层的结构外延层的结构87同质外延同质外延： 单晶半导体层是生长在单晶的半导体衬底上单晶半导体层是生长在单晶的半导体衬底上， 半导体层和衬底为半导体层和衬底为相同的材料相同的材料，有相同的晶格常数，有相同的晶格常数； 同质外延工艺提供了一种同质外延工艺提供了一种控制掺杂浓度分布控制掺杂浓度分布的重要方法的重要方法, , 相对低浓度的相对低浓度的n n型硅层可以外延生长在型硅层可以外延生长在n n+ + 硅衬底上硅衬底上; ;异质外延异质外延： 外延层和衬底是两种外延层和衬底是两种不同的半导体不同的半导体，且外延层的生长，且外延层的生长必须维持理想的界面结构，这表示穿过界面的化学键必须维持理