影響淀積層質(zhì)量因素040423

7．影響淀積層質(zhì)量的因素

質(zhì)量取決于：淀積反應(yīng)機(jī)理的內(nèi)在聯(lián)系、反應(yīng)條件、襯底、源物質(zhì)、載氣和反應(yīng)器裝置等因素淀積層質(zhì)量主要表現(xiàn)：化學(xué)組成及純度晶格結(jié)構(gòu)完整性和物理化學(xué)性能等1半導(dǎo)體單晶薄膜質(zhì)量表征參數(shù)

2半導(dǎo)體單晶薄膜質(zhì)量表征參數(shù)3半導(dǎo)體單晶薄膜質(zhì)量表征參數(shù)47．影響淀積層質(zhì)量的因素

7.1淀積參數(shù)對淀積層質(zhì)量的影響7.1.1反應(yīng)混合物的供應(yīng)7.1.2淀積溫度7.1.3襯底材料7.1.4系統(tǒng)內(nèi)總壓和氣體總流速7.1.5反應(yīng)系統(tǒng)裝置的因素7.1.6源材料的純度57.1.1.反應(yīng)混合物的供應(yīng)

－－決定材料層質(zhì)量重要因素之一氣相淀積的必要條件：氣相過飽和度氣相物種的分壓決定了：固相的成核和生長；淀積速率和材料的結(jié)構(gòu)狀況

最佳反應(yīng)物分壓及相對比例――需實(shí)驗(yàn)選擇反應(yīng)物分壓過大，表面反應(yīng)和成核過快，損害結(jié)構(gòu)的完善性，甚至導(dǎo)致多晶淀積；分壓過小，成核密度太小，不易得到均勻的外延層

6反應(yīng)物分壓之間的相互比例反應(yīng)物分壓之間的相互比例－－決定淀積物的化學(xué)計(jì)量例如III-V族、II—VI族化合物半導(dǎo)體、Nb3Sn和Nb3Ge等超導(dǎo)材料，特別GaAs1-xPx、Ga1-xInxSb、AlxGa1-xAs等混晶材料，主要靠調(diào)整氣相反應(yīng)物分壓比獲得所需化學(xué)組成的淀積物，形成一定禁帶寬度和物理性能的材料。7TMA-TMG-DEZn-H2

Al0.3Ga0.7As/GaAs

（630℃）8氣相反應(yīng)物分壓對淀積層純度的影響例

Ga-AsCl3-H2

910流速的影響AsCl3-Ga-N2AsCl3流速載流子濃度117.1.2淀積溫度－主要的工藝條件

同一反應(yīng)體系，在不同溫度下，淀積物形態(tài)可以各異（單晶、多晶、無定形物，甚至不淀積）溫度影響淀積過程各步驟及它們的相互關(guān)系，對淀積物質(zhì)量影響的程度與淀積機(jī)制有關(guān)：提高淀積溫度對表面過程速率影響更為顯著：導(dǎo)致表面控制向質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制轉(zhuǎn)化提高成晶粒子的遷移能力和能量外延層單晶性和表面形貌得到改善12襯底溫度的影響在相同的氣相分壓下，由于淀積溫度不同，固相組成相差懸殊。通常，在熱力學(xué)因素對淀積過程起控制作用的體系中，固相組成與氣相分壓、淀積溫度具有確定的對應(yīng)關(guān)系，以致可以通過熱力學(xué)計(jì)算定量預(yù)言這些因素

13淀積溫度對淀積物化學(xué)組成的影響淀積溫度影響氣相過飽和度和氣態(tài)物種的相對活性圖6-1GaAs－PCl3－H2系統(tǒng)中，GaAs1－xPx晶體薄膜的化學(xué)組成與淀積溫度，供氣速度的關(guān)系14襯底溫度的影響－自摻雜效應(yīng)溫度升高：反應(yīng)器結(jié)構(gòu)材料的雜質(zhì)污染程度提高。襯底材料雜質(zhì)的自摻雜效應(yīng)：通過氣相或界面擴(kuò)散異質(zhì)外延生長，因材料的熱失配形成的熱應(yīng)力造成的界面缺陷擴(kuò)散隨溫度升高而加劇。襯底溫度應(yīng)該盡可能的低：

★避免自摻雜效應(yīng)★降低界面層的熱失配

15淀積溫度影響實(shí)踐表明，淀積溫度對雜質(zhì)的摻入影響顯著；不同晶面，影響程度不同。例如在GaAs氣相外延中，淀積溫度對(100)面影響最大。載流子濃度隨溫度的變化跟淀積速率的趨向一樣，表明溫度改變雜質(zhì)的淀積動(dòng)力學(xué)。如圖6-2所示圖6-2GaAs外延層的載流子濃度與淀積溫度的關(guān)系（Ga－AsCl3－H2系統(tǒng)）[127]16降低淀積溫度新體系選擇Ga-AsCl3-N2系統(tǒng)代替Ga-AsCl3-H2系統(tǒng)，生長溫度降到600～650℃，其界面載流子分布得到顯著改善(圖6-3)。圖6-3Ga－AsCl3－N2和Ga－AsCl3－H2系統(tǒng)中，GaAs外延層的縱向載流子濃度分布17淀積溫度的影響---AsCl3-Ga-N2

載流子濃度溫度遷移率18淀積溫度的影響

TMA-TMG=DEZn-H2

Al0.3Ga0.7As/GaAs（a）(b)19降低淀積溫度襯底溫度應(yīng)該盡可能的低，并精確控制淀積區(qū)溫度合理選擇反應(yīng)體系目前，大規(guī)模集成電路工藝中，己廣泛采用以金屬有機(jī)化合物為源（如Ga(CH3)3-AsH3-H2）的所謂低溫(300～500℃)化學(xué)氣相淀積技術(shù)，以代替舊有的高溫氧化、高溫?cái)U(kuò)散等工藝。207.1.3襯底材料的影響化學(xué)氣相淀積法制備無機(jī)薄膜材料，是在一種固態(tài)基體表面(襯底)上進(jìn)行的?；w材料是影響淀積層質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

襯底材料的選擇

襯底材料的影響

襯底晶面取向21襯底材料的選擇★襯底材料的選擇：

異質(zhì)外延中對襯底材料的一般要求：

(1)淀積溫度下，熱力學(xué)穩(wěn)定，不發(fā)生熱分解；(2)淀積溫度下，化學(xué)穩(wěn)定，不易受反應(yīng)氣氛的侵蝕；(3)晶格類型和晶格常數(shù)盡可能與外延材料相近；(4)熱膨脹系數(shù)盡可能與外延材料的相近；(5)熱導(dǎo)性能好，可抗熱沖擊(6)切、磨、拋、化學(xué)清洗等處理工藝易于進(jìn)行；(7)成本低，適于大量應(yīng)用。

22襯底晶面取向★襯底晶面取向：影響淀積速率，也嚴(yán)重影響淀積層質(zhì)量。晶面上原子的種類和密度、生長臺階排布的狀況，影響成核和生長。晶面的極性，決定了從氣相中吸附雜質(zhì)的種類和相對數(shù)量。晶面取向嚴(yán)重影響外延層的純度和物理參量，如表7中所列數(shù)據(jù)。23晶面取向?qū)ν庋訉由L的影響24襯底取向?qū)aAs外延層性能影響（110）（100）層厚（um）載流子濃度25襯底晶面取向Si外延層形貌的影響SiHCl3-H2(111)(100)26襯底表面狀況與表面處理襯底材料表面處理的重要性表面附著物和各種機(jī)械損傷是假的活性成核中心，使外延層生長取向無序或造成嚴(yán)重的宏觀缺陷。表面處理：

切、磨、拋光、化學(xué)和超聲清洗原位氣相化學(xué)腐蝕：消除機(jī)械熱應(yīng)力；暴露晶體新鮮表面。

27InSitu氣相腐蝕（001)Si/(1120)藍(lán)寶石,960oC,HCl-H24X!0-10cm-22X!0-10cm-228InSitu氣相腐蝕297.1.4．系統(tǒng)內(nèi)總壓和氣體總流速系統(tǒng)內(nèi)總壓直接影響封管系統(tǒng)輸運(yùn)速率，由此波及生長層的質(zhì)量。常壓開管系統(tǒng)很少考慮總壓力的影響；低壓CVD顯著改善淀積層的均勻性和附著性；TiN、Si、SiO2。。。氣體總流速：在開管氣流系統(tǒng)中，氣體總流速影響反應(yīng)物向生長表面的輸運(yùn)速率，以致改變過程的控制步驟。一般提高總流速，過程由質(zhì)量轉(zhuǎn)移控制向表面控制轉(zhuǎn)化，生長速率顯著提高。30氣體總流速對材料純度的影響例如，In-PCl3-H2系統(tǒng)外延生長InP時(shí)，在低流速下，生長層質(zhì)量高；從圖6-4可以看到：氣體流速增大一倍，載流子濃度增大2～3倍。提高流速加快氣相雜質(zhì)向生長層的輸運(yùn)圖6-4未摻雜InP外延層載流子濃度與氣體流速的關(guān)系（In－PCl3－H2系統(tǒng)）31圖6-4未摻雜InP外延層載流子濃度與氣體流速的關(guān)系（In－PCl3－H2系統(tǒng)）327.1.5反應(yīng)系統(tǒng)裝置的因素

反應(yīng)系統(tǒng)的密封性：系統(tǒng)必須嚴(yán)格密封,避免空氣中氧和水汽等向淀積系統(tǒng)滲漏，特別生長非氧化物材料。反應(yīng)管的結(jié)構(gòu)形式：決定氣體的混合程度和均勻性，影響淀積速率和淀積層的均勻性。流體力學(xué)的理論模型闡明氣流狀態(tài)規(guī)律，指導(dǎo)反應(yīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)反應(yīng)管及氣體管道的材料：反應(yīng)容器的污染不容忽視。

337.1.

6.源材料的純度

器件質(zhì)量－－材料質(zhì)量－－源材料(包括載氣)的純度之間的關(guān)系高純元素，高純金屬有機(jī)化合物等的研制生產(chǎn)、提純技術(shù)和高純測試手段發(fā)展的重要性347．2表面形貌和生長動(dòng)力學(xué)

表面形貌：生長表面的外觀特征及表面缺陷表面缺陷：宏觀缺陷：表面上的雜物、裂縫、多晶堆積等及成因一定取向晶面的特征形貌及生長面上的生長錐、凹坑等缺陷具有規(guī)律性，與生長過程及條件密切有關(guān)

35外延層表面形貌低指數(shù)取向的外延層表面：可能平整如鏡面較高指數(shù)的晶面：易出現(xiàn)臺階狀、波浪狀、魚鱗狀和網(wǎng)格狀等特征形貌

外延層表面形貌的周期性鍵鏈（PBC）模型：晶體是由最強(qiáng)的化學(xué)鍵聯(lián)結(jié)起來的“鍵鏈”周期性重復(fù)形成的36周期性鍵鏈（PBC）模型

F面（平整光亮的表面）：平面(hkl)至少有兩條周期“鍵鏈”，該平面內(nèi)的化學(xué)鍵最強(qiáng)。生長過程中傾向于首先發(fā)育成厚度為dhkl的片層，然后采取逐層生長方式，易獲得平整光亮的表面；S面（階梯狀表面）：僅與一條PBC平行的平面，其厚度為dhkl的薄層可以用F面的薄片堆積形成階梯狀表面；K面：若平面內(nèi)一條PBC也沒有，表面布滿坎坷，只含有吸附能等于晶格能一半的半晶位置，而無平臺和棱階

37假想的立方晶體模型FSK38表面形貌與生長條件的關(guān)系如在GaAs的Ga-HCl-AsH3-H2系統(tǒng)氣相外延中，角錐(小丘)和凹坑表面缺陷的成因。角錐與灰塵、鎵滴或者Ga203淀積無直接的關(guān)系；與HCl流量有關(guān)。HCl量小于某值時(shí)出現(xiàn)凹坑，大于某值時(shí)出現(xiàn)角錐。即凹坑的出現(xiàn)可能與淀積區(qū)的GaCl含量不足有關(guān)，而丘臺(角錐)的形成是由于GaCl含量過多的原因。增大AsH3和載氣H2的流量，提高淀積溫度也會(huì)出現(xiàn)凹坑，只是不如HCl