半导体单晶和薄膜制造技术

• 砷化镓外延技术还有分子束外延和金属有机化 合物汽相沉积外延。分子束外延是在超高真空 条件下，使一个或多个热分子束与晶体表面相 作用而生长出外延层的方法。对入射分子或原 子束流施加严格的控制，可以生长出超晶格结 构，例如由交替的GaAs和AlxGa As薄层（厚 度仅10埃）所组成的结构。金属有机化合物汽 相沉积外延是用三甲基镓或三乙基镓与砷烷相 作用而生长外延层。用这种方法也能适当地控 制外延层的浓度、厚度和结构。与分子束外延 相比，金属有机化合物汽相沉积外延设备和工 艺均较简单，但分子束外延层的质量较高。
由于成本和性能的原因，直拉法（CZ）单晶硅材料应用最广。在IC工 业中所用的材料主要是CZ抛光片和外延片。存储器电路通常使用CZ抛光 片，因成本较低。逻辑电路一般使用价格较高的外延片，因其在IC制造 中有更好的适用性并具有消除Latch－up的能力。 单晶硅也称硅单晶，是电子信息材料中最基础性材料，属半导体材料类。 单晶硅已渗透到国民经济和国防科技中各个领域，当今全球超过2000亿 美元的电子通信半导体市场中95%以上的半导体器件及99%以上的集成 电路用硅。
第四章 半导体单晶和薄膜制造技术
4.1 半导体单晶的制造
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单晶硅圆片按其直径分为6英寸、8英寸、12英寸（300毫米）及18英寸 （450毫米）等。直径越大的圆片，所能刻制的集成电路越多，芯片的成 本也就越低。但大尺寸晶片对材料和技术的要求也越高。单晶硅按晶体 生长方法的不同，分为直拉法（CZ）、区熔法（FZ）和外延法。直拉法、 区熔法生长单晶硅棒材，外延法生长单晶硅薄膜。直拉法生长的单晶硅 主要用于半导体集成电路、二极管、外延片衬底、太阳能电池。目前晶 体直径可控制在Φ3~8英寸。区熔法单晶主要用于高压大功率可控整流器 件领域，广泛用于大功率输变电、电力机车、整流、变频、机电一体化、 节能灯、电视机等系列产品。目前晶体直径可控制在Φ3~6英寸。外延片 主要用于集成电路领域。
常用外延材料及其工艺
砷化镓材料的制备
• 与硅相仿，砷化镓材料也可分为体单晶和外延 材料两类。体单晶可以用作外延的衬底材料， 也可以采用离子注入掺杂工艺直接制造集成电 路（采用高质量、大截面、半绝缘砷化镓单 晶）。重点是液封直拉法（即液封乔赫拉斯基 法，简称LEC法）,但水平舟生长法（即水平布 里其曼法）因制出的单晶质量和均匀性较好， 仍然受到一定的重视。液封直拉法的一个新发 展是在高压单晶炉内用热解氮化硼 (PBN)坩埚 和干燥的氧化硼液封剂直接合成和拉制不掺杂、 半绝缘砷化镓单晶。另外，常压下用石英坩埚 和含水氧化硼为液封剂的方法也已试验成功。 不论水平舟生长法或是液封直拉法，晶体的直 径均可达到100～150毫米而与硅单晶相仿。
• 砷化镓的外延生长按工艺可分为气相和液相外 延，所得外延层在纯度和晶体完整性方面均优 于体单晶材料。通用的汽相外延工艺为 Ga/AsCl3/H2法,这种方法的变通工艺有 Ga/HCl/AsH3/H2和Ga/AsCl3/N2法。为了改 进Ga/AsCl3/H2体系气相外延层的质量，还研 究出低温和低温低压下的外延生长工艺。液相 外延工艺是用 Ga/GaAs熔池覆盖衬底表面,然 后通过降温以生长外延层,也可采用温度梯度生 长法或施加直流电的电外延法。在器件(特别是 微波器件)的制造方面,汽相外延的应用比液相 外延广泛。液相外延可用来制造异质结(如 GaAs/AlxGa1-xAs)，因此它是制造砷化镓双 异质结激光器和太阳电池等的重要手段。
• 采用从溶液中再结晶原理的外延生长方法称液相 外延;采用从气相中生长单晶原理的称气相外延。 液相外延就是将所需的外延层材料(作为溶质，例 如GaAs)，溶于某一溶剂（例如液态镓）成饱和 溶液，然后将衬底浸入此溶液，逐渐降低其温度， 溶质从过饱和溶液中不断析出，在衬底表面结晶 出单晶薄层。汽相外延生长可以用包含所需材料 为组分的某些化合物气体或蒸汽通过分解或还原 等化学反应淀积于衬底上，也可以用所需材料为 源材料，然后通过真空蒸发、溅射等物理过程使 源材料变为气态，再在衬底上凝聚。分子束外延 是一种经过改进的真空蒸发工艺。利用这种方法 可以精确控制射向衬底的蒸气速率，能获得厚度 只有几个原子厚的超薄单晶，并可得到不同材料 不同厚度的互相交叠的多层外延材料。非晶态半 导体虽然没有单晶制备的问题，但制备工艺与上 述方法相似，一般常用的方法是从汽相中生长薄 膜非晶材料。
区熔法（FZ法）
• 优缺点：
• 可以制备大分解压 化合物半导体单晶
wk.baidu.com• 避免熔体挥发
• 质量大为提高
4.2 半导体外延制造技术
• 半导体的外延根据向衬底输送原子的方式可分 为三种：液相外延、气相外延和真空外延。 MOCVD是一种典型的气相外延，而MBE又是 一种典型的真空外延。由于MOCVD既可以生 长组份突变的异质结，又可以生长组份渐变的 异质结，因此到目前为止，在半导体外延领域， MOCVD技术仍然是外延技术的主流。另外降 低反应室压力可以增加反应剂的流速，易于生 长突变异质结。再有在低压下，反应剂的浓度 可以控制得很低，因此外延生长的速率也可以 控制得很低。正因MOCVD在低压下外延具有 更多的优点，所以目前的MOCVD实际上都是 低压MOCVD，即LP MOCVD。