气相外延

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气相外延(VPE)与CVD系统的不同之处在于VPE可淀积化合物材料,如砷化镓(GaAs)。VPE系统由标准的液体源、管式反应炉和双区扩散炉组成(参见下图)。下图给出了一个详细的例子,用于淀积外延砷化镓。在主反应室内,砷化镓(GaAs)在晶圆表面上形成要经历的两个阶段:AsC13(三氯化砷)用鼓泡式进人反应炉的起始部分,在此与放置在舟内的固态镓反应。AsC13在起始部分与H2反应,形成As:

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砷淀积在镓上形成硬壳。流经硬壳的H2在起始部位反应,形成流经晶圆区的三种气体:

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晶圆区的温度稍低,并且反应是可逆的,GaAs淀积在晶圆上。该技术具有薄膜清洁的优点,原因在于Ga和AsC13纯度非常高。而且较MBE技术有较高的生产率。不足之处在于,该技术产生的薄膜结构没有MBE薄膜的质量好。

 

分子束外延

对于薄膜淀积系统,始终追求的是对淀积率的控制、低淀积温度和可控的薄膜化学计量。着这些问题变得越来越重要,分子束外延(MBE)技术已经从实验室中脱颖而出,进人生产研制阶段。MBE是一种蒸发工艺,优于CVD工艺。该系统由压力维持在10的负10次托的淀积反应室组成(参见图12.23)。反应室内是一个或多个单元(称为射流单元,effusion cell),其中含有品圓上所需材料的高纯度的样品。单元上的快门把晶圆暴露在源材料前,电子束№《直接撞击在材料的中心,将其加热成液体。液态下,原子从材料中蒸发出来,从单元的开口中溢出,淀积在晶圆的表面上。如果材料源是气态的,此技术称为气态源(gas source)MBE或GSMBE0在许多应用当中,将晶圆在反应室内加热,以对到达的原子提供附加的能量。附加的能量加速了外延的生长并形成质量良好的薄膜。

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对于暴露的晶圆表面,淀积原子将以晶圆的定向生长外延层。MBE提供了极佳的选择,通过反应室的掺杂源内所含有的物质,形成原位掺杂。常规的硅掺杂源在MBE系统中并不适用。固态的镓用于p型掺杂,锑用于N型掺杂。实际上,使用MBE系统淀积磷的可能性也不大。

 

对硅工艺来讲,MBE系统的主要优点在于低温(400℃-800℃),这样可将自动掺杂和外溢扩散减小到最低亡或许,MBE最大的优势是具有一个工艺步骤(一次抽真空),在品圆表面上形成多个层的能力。这样的选择需要在反应室内安装几个射流单元和序列化的快门装置,按照正确的顺序和准确的时间将蒸发束引导到晶圆表面。

 

此外,用MBE薄膜的生长速率比较慢.为.600Å./mm,这既是MBE的优点也是缺点“。正面地讲,薄膜在形威过程中容易控制,薄膜能够沿一单层增量的方向生长(或混合但是,大多数的半导体层并不需要控制到这样高的水平和质量,这会导致较低的生产效率和过高的花费。

 

MBE系统的另一优越之处在于在反应室内融合了薄膜生长和质量分析仪。采用这些仪器,工艺在晶圆和晶圆之间的控制变得更容易,形成均匀的薄膜。MBE系统在特殊的微波器件方面和化合物半导体如砷化镓方面,已投入生产使用。

 

金属有机物CVD

金属有机物CVD是化合物CVD中最新的选择之一VPE是化合物淀积系统;而MOCVD是指用于VPE系统中的源(參见下图),使用两种化学物质:卤化物和金属有机物。上面描述的在VPE中砷化镓的淀积就是一种卤化物工艺。热区形成Ill族卤化物(镓),冷区淀积IllV族化合物。在砷化镓的金属有机物“工艺中,(CH3)3Ga与砷进人反应搴反应,形成化镓,反应式为:

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虽然MBE工艺较为缓慢,但MOCVD工艺能够满足批量生产的需要,且适合较大的片基MOCVD还具有制造在化学成分不同的多层膜的能力。此外,与MBE不同,MOCVD可以在如InGaAsP这样的器件中淀积磷。采用MOCVD工艺制造的常规器件有光电阴极、高频发光二极管、长波激光、可见激光和橘红色发光二极管(参见后面的介绍)。

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广义地讲,MOCVD指半导体膜的金属有机物化学气相淀积。当在气相外延系统生长外延层时,使用金属有机源,则称其为MOVPE。