微细加工-14-外延ppt课件

1、 在在 单晶衬底上淀积单晶薄膜单晶衬底上淀积单晶薄膜 的工艺称为的工艺称为 外延。集成电路外延。集成电路中的各种器件通常就是做在外延层上的。中的各种器件通常就是做在外延层上的。 大多数的外延工艺都可利用各种大多数的外延工艺都可利用各种 CVD 技术来实现，例如技术来实现，例如 LPCVD、PECVD、快速热处置、快速热处置 CVDRTCVD、金属有机、金属有机物物 CVDMOCVD、超高真空、超高真空 CVDUHVCVD，以及激，以及激光、可见光、光、可见光、X 射线辅助射线辅助 CVD 等等 。有些外延工艺那么可以利。有些外延工艺那么可以利用蒸发技术来实现用蒸发技术来实现 ，例如分子束外延，

2、例如分子束外延MBE、离子束外延、离子束外延和离化团束外延等。和离化团束外延等。 对外延膜质量的评价目的有：膜的厚度、组分、掺杂浓度对外延膜质量的评价目的有：膜的厚度、组分、掺杂浓度及其均匀性、缺陷密度等。及其均匀性、缺陷密度等。 在许多工艺步骤之前，都必需对硅片进展清洗，以去除残在许多工艺步骤之前，都必需对硅片进展清洗，以去除残留杂质、颗粒和自然氧化层。外延之前的清洗尤为重要。留杂质、颗粒和自然氧化层。外延之前的清洗尤为重要。 1 号清洗液号清洗液NH4OH : H2O2 : H2O = 1 : 1 : 5主要用于主要用于去除各种有机化合物，也可去除各种金属杂质。去除各种有机化合物，也可去除

3、各种金属杂质。 2 号清洗液号清洗液HCl : H2O2 : H2O = 1 : 1 : 6主要用于去除主要用于去除各种碱金属离子和重金属离子。各种碱金属离子和重金属离子。 每种清洗液清洗后，用冷、热、冷去离子水冲洗。清洗终每种清洗液清洗后，用冷、热、冷去离子水冲洗。清洗终了前用稀释的了前用稀释的 HF 溶液浸泡溶液浸泡 ，以去除外表的自然氧化层及清洗，以去除外表的自然氧化层及清洗过程中构成的氧化层，再漂洗，甩干。过程中构成的氧化层，再漂洗，甩干。 即使经过即使经过 HF 溶液浸泡的硅片溶液浸泡的硅片 ，在进入加工室之前仍会因，在进入加工室之前仍会因曝露在空气中而构成自然氧化层。对于蒸发和溅射

4、，可在淀积曝露在空气中而构成自然氧化层。对于蒸发和溅射，可在淀积之前进展之前进展 反溅射。对于外延，普通采用反溅射。对于外延，普通采用 腐蚀。在外延生长之前腐蚀。在外延生长之前先向反响室通入含先向反响室通入含 1% HCl 的的 H 混合气体，利用混合气体，利用 H 的复原性的复原性和和 HCl 的腐蚀性可去掉外表的自然氧化层，甚至一薄层硅。的腐蚀性可去掉外表的自然氧化层，甚至一薄层硅。 除了对硅片必需严厉清洗外，外延工艺对反响室和气体的除了对硅片必需严厉清洗外，外延工艺对反响室和气体的干净度也有特别严厉的要求。干净度也有特别严厉的要求。 气相外延气相外延Vapor-Phase Epitaxy

5、 , VPE是集成电路制造是集成电路制造工艺中最普遍运用的外延工艺，实践是一种高温工艺中最普遍运用的外延工艺，实践是一种高温 CVD 工艺。工艺。 普通气相外延的温度高达普通气相外延的温度高达 1200oC 左右。假设温度太低，左右。假设温度太低，不但影响生长速率，而且会使外延膜从单晶变成多晶。不但影响生长速率，而且会使外延膜从单晶变成多晶。 在高温下，杂质分散很严重，难以获得极薄的或掺杂浓度在高温下，杂质分散很严重，难以获得极薄的或掺杂浓度突变的外延膜。降低温度是气相外延的开展方向。如今某些外突变的外延膜。降低温度是气相外延的开展方向。如今某些外延曾经可以在延曾经可以在 1000oC 以下的

6、温度进展。利用快速热处置以下的温度进展。利用快速热处置 CVD 单片系统曾经实现单片系统曾经实现 800oC 下极薄的高质量硅外延膜的生长。下极薄的高质量硅外延膜的生长。 与与 CVD 工艺一样，气相外延过程可分为几个延续的步骤。工艺一样，气相外延过程可分为几个延续的步骤。反响气体从反响室入口处向硅片附近输运，经过同质反响生成反响气体从反响室入口处向硅片附近输运，经过同质反响生成系列次生分子，次生分子分散穿过滞流层到达硅片外表并被吸系列次生分子，次生分子分散穿过滞流层到达硅片外表并被吸附，在硅片外表发生异质反响生成单晶硅，气体副产物解吸附附，在硅片外表发生异质反响生成单晶硅，气体副产物解吸附并

7、被排出系统。并被排出系统。sggsgk hCJRNkhN 一、生长速率与温度的关系一、生长速率与温度的关系式中，式中，Cg 代表主气流中的反响剂浓度，代表主气流中的反响剂浓度，N 代表硅的原子密度除代表硅的原子密度除以反响气体分子中的硅原子数。以反响气体分子中的硅原子数。 外延膜的生长速率外延膜的生长速率 R 可表为可表为 当温度较低时，当温度较低时，hg ks ，生长速率由外表反响速率常数，生长速率由外表反响速率常数 ks 决议决议 ；当温度较高时，；当温度较高时，hg ks ，生长速率由气相质量转，生长速率由气相质量转移系数移系数 hg 决议。决议。 实践消费中外延温度在高温区，生长速率由

8、气相质量转移实践消费中外延温度在高温区，生长速率由气相质量转移系数系数 hg 决议，这时温度的微小变动不会对生长速率呵斥显著决议，这时温度的微小变动不会对生长速率呵斥显著的影响，因此外延对温度控制精度的要求不是太高。的影响，因此外延对温度控制精度的要求不是太高。 在高温区进展外延生长时，到达硅片外表的硅原子有足够在高温区进展外延生长时，到达硅片外表的硅原子有足够的能量和迁移才干，可在硅片外表运动而到达晶格位置，从而的能量和迁移才干，可在硅片外表运动而到达晶格位置，从而外延出单晶薄膜。温度太低或太高，都会构成多晶薄膜。温度外延出单晶薄膜。温度太低或太高，都会构成多晶薄膜。温度太高还会导致杂质的分

9、散加重。太高还会导致杂质的分散加重。 在普通的工艺条件下，外延生长速率约为在普通的工艺条件下，外延生长速率约为 1 m /min。 可以利用可以利用 SiH4 热分解法来进展硅的气相外延。但这种方热分解法来进展硅的气相外延。但这种方法虽然温度较低法虽然温度较低 ，却因，却因 SiH4 会在气相中成核而产生较多的颗会在气相中成核而产生较多的颗粒粒 ，除非运用超高真空，否那么外延层的质量很差。，除非运用超高真空，否那么外延层的质量很差。 硅的气相外延多利用硅氯化物硅的气相外延多利用硅氯化物 SiHxCl4-x ( x = 0、1、2、3 )与与 H2 的反响来淀积单晶硅的反响来淀积单晶硅 。反响气

10、体分子中氯原子数越少。反响气体分子中氯原子数越少 ，所需的化学反响激活能就越小，反响温度就越低。最早运用的所需的化学反响激活能就越小，反响温度就越低。最早运用的是是 SiCl4，激活能为，激活能为 1.6 1.7 eV，反响温度在，反响温度在 1150oC 以上。如以上。如今普遍运用的是今普遍运用的是 SiH2Cl2 ，激活能为，激活能为 0.3 0.6 eV。 二、生长速率与反响剂浓度的关系二、生长速率与反响剂浓度的关系 一切的氯硅烷都有类似的反响途径，先经过同质反响产生一切的氯硅烷都有类似的反响途径，先经过同质反响产生气态的次生反响物气态的次生反响物 SiCl2 和和 HCl，然后再发生以

11、下可逆反响，然后再发生以下可逆反响 SiCl2 + H2 Si + 2 HCl 以以 SiCl4 为例，当反响剂浓度较低时为例，当反响剂浓度较低时 ，SiCl2 和和 HCl 的浓的浓度都较低度都较低 ，正向反响占优势，进展外延生长，生长速率随反响，正向反响占优势，进展外延生长，生长速率随反响剂浓度的提高而加快剂浓度的提高而加快 。由于。由于 HCl 浓度比浓度比 SiCl2 浓度提高得更浓度提高得更快快 ，当反响剂浓度到达某值时，生长速率到达最大，之后随反，当反响剂浓度到达某值时，生长速率到达最大，之后随反响剂浓度的提高而变慢。当反响剂浓度继续提高到某值时，逆响剂浓度的提高而变慢。当反响剂浓

12、度继续提高到某值时，逆向反响占优势，发生对硅的腐蚀，且腐蚀速率随反响剂浓度的向反响占优势，发生对硅的腐蚀，且腐蚀速率随反响剂浓度的提高而加快。提高而加快。 生长速率太快也会导致构成多晶层。生长速率太快也会导致构成多晶层。 定义气体的超饱和度为定义气体的超饱和度为SiSiClClFeedEqpppp 当当 为正时发生外延生长，当为正时发生外延生长，当 为负时发生硅的腐蚀。为负时发生硅的腐蚀。反响剂浓度反响剂浓度生生长长速速率率多晶多晶单晶单晶腐蚀腐蚀0 气体流速将影响滞流层的厚度。滞流层平均厚度与气体流气体流速将影响滞流层的厚度。滞流层平均厚度与气体流速之间的关系是速之间的关系是 三、生长速率与

13、气体流速的关系三、生长速率与气体流速的关系01v 普通的外延工艺条件下，生长速率由气相质量转移系数普通的外延工艺条件下，生长速率由气相质量转移系数 hg 决议，生长速率随气体流速的添加而添加。但当气体流速很大决议，生长速率随气体流速的添加而添加。但当气体流速很大时，滞流层厚度很薄，时，滞流层厚度很薄，hg 变得很大，使外延生长由反响剂输运变得很大，使外延生长由反响剂输运限制过渡到化学反响速率限制，这时生长速率由化学反响速率限制过渡到化学反响速率限制，这时生长速率由化学反响速率常数常数 ks 决议而与气体流速的关系不大。决议而与气体流速的关系不大。 外延生长时存在外延生长时存在 非故意掺杂非故意

14、掺杂 和和 故意掺杂故意掺杂 。 非故意掺杂非故意掺杂SSESS( )1erferfc2222NNxxNxD tD t 当杂质分散速率远小于外延生长速率时，可看作恒定外表当杂质分散速率远小于外延生长速率时，可看作恒定外表浓度分散，杂质分布为余误差分布。当在掺杂浓度为浓度分散，杂质分布为余误差分布。当在掺杂浓度为 NS 的衬的衬底上生长本征外延层时，外延层的杂质浓度分布为底上生长本征外延层时，外延层的杂质浓度分布为 1、衬底中的杂质和外延膜中的杂质在外延生长时的高温、衬底中的杂质和外延膜中的杂质在外延生长时的高温下下 相互分散相互分散 。EEE( )1erf22NxNxD t 当在本征衬底上生长

15、掺杂浓度为当在本征衬底上生长掺杂浓度为 的外延层时，外延层的外延层时，外延层的杂质浓度分布为的杂质浓度分布为ENSEESE( )1erf1erf2222NNxxNxD tD t 当衬底和外延层都掺杂时，外延层的杂质浓度分布为当衬底和外延层都掺杂时，外延层的杂质浓度分布为 上式中，上式中，“ + 号对应于衬底和外延层的掺杂类型一样时；号对应于衬底和外延层的掺杂类型一样时； “ - 号对应于衬底和外延层的掺杂类型相反时。号对应于衬底和外延层的掺杂类型相反时。 2、衬底杂质经过蒸发和衬底的腐蚀而进入滞流层，然后、衬底杂质经过蒸发和衬底的腐蚀而进入滞流层，然后再进入外延膜中，称为再进入外延膜中，称为

16、自掺杂效应自掺杂效应 。ESm( )expxNxNx 当在掺杂浓度为当在掺杂浓度为 NS 的衬底上生长本征外延层时，由自掺的衬底上生长本征外延层时，由自掺杂效应引起的外延层杂质浓度分布为杂效应引起的外延层杂质浓度分布为式中，式中，xm 称为迁移宽度。当在本征衬底上生长掺杂浓度为称为迁移宽度。当在本征衬底上生长掺杂浓度为 的外延层时，由自掺杂效应引起的外延层杂质浓度分布为的外延层时，由自掺杂效应引起的外延层杂质浓度分布为EEm( )1expxNxNx 当衬底和外延层都掺杂时，外延层的杂质浓度分布为当衬底和外延层都掺杂时，外延层的杂质浓度分布为ESEmm( )exp1expxxNxNNxxEN 减

17、轻非故意掺杂的措施减轻非故意掺杂的措施 1、降低外延温度；、降低外延温度； 2、采用不存在逆向反响的外延方法，如、采用不存在逆向反响的外延方法，如 SiH4 热分解法；热分解法； 3、两步外延法；、两步外延法； 4、用、用 SiO2、Si3N4、多晶硅等封锁衬底反面和基座；、多晶硅等封锁衬底反面和基座； 5、尽量选用分散系数低和蒸汽压低的杂质做衬底的掺杂、尽量选用分散系数低和蒸汽压低的杂质做衬底的掺杂杂质；杂质； 6、采用低压外延。、采用低压外延。 故意掺杂故意掺杂 在反响气体中参与少量的掺杂气体，如在反响气体中参与少量的掺杂气体，如 B2H6、AsH3、PH3 等，杂质原子在外延生长过程中被

18、结合到外延层的晶格位等，杂质原子在外延生长过程中被结合到外延层的晶格位置上而实现掺杂。置上而实现掺杂。 对于杂质来说，也存在气相质量输运限制和化学反响速率对于杂质来说，也存在气相质量输运限制和化学反响速率限制，只是情况更为复杂。例如，硼的掺入量随外延温度的上限制，只是情况更为复杂。例如，硼的掺入量随外延温度的上升而添加，而磷和砷的掺入量却随外延温度的上升而下降。升而添加，而磷和砷的掺入量却随外延温度的上升而下降。 另外，由于掺杂剂和硅之间存在竞争反响，对生长速率也另外，由于掺杂剂和硅之间存在竞争反响，对生长速率也会产生一定的影响。例如，当进展砷的高浓度掺杂时，大量的会产生一定的影响。例如，当进

19、展砷的高浓度掺杂时，大量的砷会占据外表位置而妨碍硅的正常生长，但本身又不成膜。砷会占据外表位置而妨碍硅的正常生长，但本身又不成膜。 外延生长时会产生某些缺陷，这些缺陷将直接或间接导致外延生长时会产生某些缺陷，这些缺陷将直接或间接导致集成电路的失效。集成电路的失效。 一、外表缺陷一、外表缺陷 1、尖峰、尖峰 这是一种存在于外延层外表的角锥形小尖峰，来源于衬底这是一种存在于外延层外表的角锥形小尖峰，来源于衬底与外延层的交界面。产生缘由是衬底外表质量差和反响系统的与外延层的交界面。产生缘由是衬底外表质量差和反响系统的沾污。外延温度较低和反响气体浓度较高时更容易出现。沾污。外延温度较低和反响气体浓度较

20、高时更容易出现。 2、云雾状外表、云雾状外表 由大量呈浅正三角形的小坑构成由大量呈浅正三角形的小坑构成 。产生缘由是气体不纯。产生缘由是气体不纯 ，系统漏气，衬底外表抛光不好，清洗不干净等。系统漏气，衬底外表抛光不好，清洗不干净等。 二、体内缺陷二、体内缺陷 1、堆垛层错、堆垛层错 这是一种面缺陷，是晶体中多余或短少的原子层面，普通这是一种面缺陷，是晶体中多余或短少的原子层面，普通发生在发生在(111)方向上。产生层错的缘由很多。层错本身并不改动方向上。产生层错的缘由很多。层错本身并不改动外延层的电学特性，但会引起杂质分散的不均匀，成为重金属外延层的电学特性，但会引起杂质分散的不均匀，成为重金

21、属的淀积中心等。的淀积中心等。 2、位错、位错 位错是一种线缺陷，由外延层中的应力引起。由快速加热位错是一种线缺陷，由外延层中的应力引起。由快速加热和冷却或热场分布不均匀产生的热应力所引起的位错称为滑移和冷却或热场分布不均匀产生的热应力所引起的位错称为滑移位错；由衬底与外延层的掺杂种类和浓度不同产生的晶格失配位错；由衬底与外延层的掺杂种类和浓度不同产生的晶格失配应力所引起的位错称为失配位错。应力所引起的位错称为失配位错。 三、图形的漂移和畸变三、图形的漂移和畸变 缘由：外延过程中外延生长速率在不同晶面上的差别。缘由：外延过程中外延生长速率在不同晶面上的差别。 (111) 面上最容易发生图形的漂

22、移和畸变。假设偏离面上最容易发生图形的漂移和畸变。假设偏离 2 4 o ，那么漂移和畸变将明显减小。，那么漂移和畸变将明显减小。(100) 面上的图形漂移和畸变面上的图形漂移和畸变很小。普通气体中的含很小。普通气体中的含 Cl 量越低，外延层越薄，生长速率越量越低，外延层越薄，生长速率越低，那么图形的漂移和畸变就越小。低，那么图形的漂移和畸变就越小。 四、外延层厚度的丈量四、外延层厚度的丈量 1、层错法、层错法 由于层错面上原子陈列不规那么，所以腐蚀速度快。经腐由于层错面上原子陈列不规那么，所以腐蚀速度快。经腐蚀后外延层上会出现三角形的腐蚀坑。外延层厚度蚀后外延层上会出现三角形的腐蚀坑。外延层

23、厚度 T 与三角形与三角形边长边长 l 之间有如下关系，之间有如下关系，20.8163Tll 2、红外干涉法、红外干涉法 3、电学方法、电学方法 与丈量与丈量 PN 结结深的方法类似，如磨角染色法、电容法、结结深的方法类似，如磨角染色法、电容法、扩展电阻法等。扩展电阻法等。 外延的生长速率在不同的衬底上是不同的，例如在外延的生长速率在不同的衬底上是不同的，例如在 Si 上的上的最大，在最大，在 Si3N4 上的次之，在上的次之，在 SiO2 上的最小甚至不生长。利上的最小甚至不生长。利用这种特性可实现选择性生长。用这种特性可实现选择性生长。 实验发现，选择外延的生长速率比非选择外延的生长速率实

24、验发现，选择外延的生长速率比非选择外延的生长速率大大 2 3 倍。窗口面积越小那么生长速率越快。倍。窗口面积越小那么生长速率越快。 添加反响气体中添加反响气体中 HCl 的浓度可以提高选择性。由于的浓度可以提高选择性。由于 HCl 可可以将在以将在 SiO2 层上成核的层上成核的 Si 腐蚀掉。腐蚀掉。 选择性生长的用途之一是在选择性生长的用途之一是在 SiO2 层上开的接触孔内填硅，层上开的接触孔内填硅，以降低接触孔的深宽比，使接触孔平坦化。以降低接触孔的深宽比，使接触孔平坦化。 当外延层与衬底是同一种资料时，称为当外延层与衬底是同一种资料时，称为 同质外延，反之，同质外延，反之，那么称为那

25、么称为 异质外延。异质外延。 当外延层与衬底的晶格构造和晶格常数一样时，称为当外延层与衬底的晶格构造和晶格常数一样时，称为 共度共度生长。反之，那么称为生长。反之，那么称为 不共度生长。在不共度生长中，当外延不共度生长。在不共度生长中，当外延层较薄时，晶格失配只产生层较薄时，晶格失配只产生 应力，称为应力，称为 应变异质外延，得到的应变异质外延，得到的是是 赝晶。但当外延层较厚时，晶格失配的应力将以产生赝晶。但当外延层较厚时，晶格失配的应力将以产生 缺陷缺陷 的方式释放，不利于制造集成电路的方式释放，不利于制造集成电路 。应变层的临界厚度取决于。应变层的临界厚度取决于晶格失配的程度和外延层的机

26、械性质晶格失配的程度和外延层的机械性质 。对于百分之几的晶格失。对于百分之几的晶格失配配 ，典型的临界厚度为几十纳米。，典型的临界厚度为几十纳米。 异质外延需求采用异质外延需求采用 MOCVD、RTCVD、UHVCVD、MBE 等先进外延技术来实现。等先进外延技术来实现。 例例 1、兰宝石上外延硅、兰宝石上外延硅SOS 主要问题是外延层上的缺陷较多。处理方法是将外延层长主要问题是外延层上的缺陷较多。处理方法是将外延层长得很厚，由于缺陷虽然会向上传播，但不会贯穿整个外延层。得很厚，由于缺陷虽然会向上传播，但不会贯穿整个外延层。SOS 技术现正遭到技术现正遭到 SIMOX 技术和键合技术和键合 S

27、OI 技术的挑战。技术的挑战。 例例 2、硅上外延、硅上外延 GaAs GaAs 与与 Si 有一样的晶格构造，但晶格常数那么大有一样的晶格构造，但晶格常数那么大 4 % 。也可生长厚外延层以减少缺陷，或交替淀积多层异质薄膜称也可生长厚外延层以减少缺陷，或交替淀积多层异质薄膜称为应变层超晶格来分散应力。为应变层超晶格来分散应力。 例例 3、硅上外延、硅上外延 GeSi 在硅上可外延出在硅上可外延出 GeSi 赝晶层，并已制造出各种赝晶层，并已制造出各种 GeSi 异质异质结电子器件和光电子器件。结电子器件和光电子器件。 MOCVD 可以生长高质量的可以生长高质量的 -族化合物半导体薄膜族化合物

28、半导体薄膜 ，运用运用 族元素的有机化合物和族元素的有机化合物和族元素的氢化物。以族元素的氢化物。以 GaAs 为为例，以液态三甲基镓例，以液态三甲基镓Ga(CH3)3或三乙基镓或三乙基镓Ga(C2H5)3作为镓源，以气态的砷烷作为镓源，以气态的砷烷AsH3作为砷源，以作为砷源，以 H2 作为稀释作为稀释携带气体，以二甲基锌作为携带气体，以二甲基锌作为 P 型掺杂剂，以型掺杂剂，以 SiH4 作为作为 N 型掺型掺杂剂。假设要生长杂剂。假设要生长 AlGaAs，那么可在镓的有机物中添加铝的，那么可在镓的有机物中添加铝的有机物，如三甲基铝。有机物，如三甲基铝。 液态源可放在起泡器中，让携带气体鼓

29、泡带走。各种液态液态源可放在起泡器中，让携带气体鼓泡带走。各种液态源的蒸汽压差别很大，为获得适当的蒸汽压，有的需求加热，源的蒸汽压差别很大，为获得适当的蒸汽压，有的需求加热，有的那么需求冷却。有的那么需求冷却。 GaAs 的的 MOCVD 通常在中温区进展，生长速率取决于反通常在中温区进展，生长速率取决于反响气体的输运，对气流的要求非常高，必需是严厉的层流，而响气体的输运，对气流的要求非常高，必需是严厉的层流，而不能有任何湍流或环流。早期的不能有任何湍流或环流。早期的 MOCVD 系统是常压的，如今系统是常压的，如今大多是低压的。大多是低压的。 MOCVD 最重要的问题之一是碳沾污，这将导致非

30、故意的最重要的问题之一是碳沾污，这将导致非故意的 P 型掺杂。早期的型掺杂。早期的 MOCVD 膜中的空穴浓度高达膜中的空穴浓度高达 1019cm-3。虽。虽然可掺入反型杂质来加以补偿，但会使迁移率降低然可掺入反型杂质来加以补偿，但会使迁移率降低 。加大气流。加大气流中中族元素对族元素对 族元素的比例，或用三乙基镓而非三甲基镓，族元素的比例，或用三乙基镓而非三甲基镓，可以极大地减少这种非故意掺杂可以极大地减少这种非故意掺杂 。也可以利用这种非故意掺杂。也可以利用这种非故意掺杂来实现来实现 P 型掺杂。型掺杂。 用用 MOCVD 工艺生长的高质量工艺生长的高质量 -族化合物半导体薄膜，族化合物半

31、导体薄膜，具有原子层或接近原子层的突变界面。具有原子层或接近原子层的突变界面。 影响硅气相外延质量的一个重要要素是高温下杂质的互分影响硅气相外延质量的一个重要要素是高温下杂质的互分散和自掺杂效应。采用快速热处置散和自掺杂效应。采用快速热处置 CVDRTCVD和超高真和超高真空空 CVDUHVCVD可以处理这个问题。可以处理这个问题。 一、一、 RTCVD时间时间温温度度预清洗预清洗生长生长冷却冷却 RTCVD 的主要问题是不易控制温度的均匀性。的主要问题是不易控制温度的均匀性。 UHVCVD 的生长速率极慢。对不掺杂或的生长速率极慢。对不掺杂或 P 型外延层，生型外延层，生长速率每分钟不到长速

32、率每分钟不到 1 纳米，而对纳米，而对 N 型外延层那么几乎不能生长。型外延层那么几乎不能生长。此外，由于超高真空下的加热主要靠辐射，为坚持温度均匀性此外，由于超高真空下的加热主要靠辐射，为坚持温度均匀性必需缓慢升温，这不利于对硅片的预清洗。必需缓慢升温，这不利于对硅片的预清洗。 二、二、 UHVCVD SiH4 热分解法气相外延的温度较低，但因热分解法气相外延的温度较低，但因 SiH4 会在气相会在气相中成核而产生较多的颗粒。中成核而产生较多的颗粒。SiH4 在气相中的反响需求与气体分在气相中的反响需求与气体分子发生碰撞才干进展，所以在真空度高达子发生碰撞才干进展，所以在真空度高达 10-9

33、 Torr 的超高真空的超高真空中可以防止中可以防止 SiH4 的气相反响，从而在低温下实现外延生长。的气相反响，从而在低温下实现外延生长。 分子束外延系统的主要组成部分分子束外延系统的主要组成部分 1、蒸发源、蒸发源 有有 3 种类型的蒸发源：种类型的蒸发源： (1) Knudsen 单元放射盒单元放射盒 (2) 电子束源电子束源 (3) 气态源气态源 分子束外延是在真空蒸发镀合金和化合物资料的根底上开分子束外延是在真空蒸发镀合金和化合物资料的根底上开展起来的。其根本原理与双蒸发源三温度法一样，只是要求更展起来的。其根本原理与双蒸发源三温度法一样，只是要求更准确更严厉。分子束外延系统是一种可

34、以实时监控的多源多温准确更严厉。分子束外延系统是一种可以实时监控的多源多温度定向分子流蒸发系统，是含有众多先进技术的复杂系统。度定向分子流蒸发系统，是含有众多先进技术的复杂系统。 2、真空系统、真空系统 通常由机械泵、吸附泵、离子泵和钛升华泵等组成，要求通常由机械泵、吸附泵、离子泵和钛升华泵等组成，要求能到达能到达 10-10 Torr 的超高真空。真空室采用三室构造，的超高真空。真空室采用三室构造， 样品交换室预真空室：样品交换室预真空室：10-5 10-6 Torr 样品分析室：样品分析室：10-10 Torr 外延生长室：外延生长室：10-10 Torr 3、监测系统、监测系统 包含热电

35、偶监测温度、质谱仪监测超高真空中剩余包含热电偶监测温度、质谱仪监测超高真空中剩余气体及分子束中各成分的分压强、俄歇电子能谱仪监测衬气体及分子束中各成分的分压强、俄歇电子能谱仪监测衬底外表的化学成分及各成分的深度分布、电子衍射仪监测底外表的化学成分及各成分的深度分布、电子衍射仪监测外表构造与外表平整度、膜厚仪监测外延膜的厚度等。外表构造与外表平整度、膜厚仪监测外延膜的厚度等。 4、控制系统与显示系统、控制系统与显示系统 5、其它系统、其它系统 如电源系统、加热系统、机械系统等。如电源系统、加热系统、机械系统等。 以以 GaAs 为例，为例，Ga 和和 As 在在 700 K 时的蒸汽压分别为时的蒸汽压分别为 10-13 Torr 和和 1 Torr。而它们的蒸汽压同为。而它们的蒸汽压同为 10-3 Torr 时的温度分时的温度分别为别为 1280 K 和和 510 K。 要生长出良好的要生长出良好的 GaAs 单晶薄膜，必需分别严厉控制好单晶薄膜，必需分别严厉控制好