MBE设备与外延工艺详解：第三章气相与分子束外延

本章节详细介绍了集成电路制造技术中的一个重要环节——外延生长，主要针对的是微电子工艺中的外延(epitaxy)技术。外延是在单晶衬底上通过物理或化学方法生长出与衬底晶向一致的单晶膜的过程，形成的晶体称为外延层，如硅外延片。与常规单晶生长相比，外延生长通常在低于材料熔点的温度下进行，允许不同的掺杂类型和电阻率，例如n/n+、n/p以及GaAs/Si等材料的组合。 外延工艺可以根据多种标准进行分类： 1. 材料分类：分为同质外延和异质外延。同质外延，即外延层与衬底材料相同，如硅的均匀外延；异质外延则是外延层与衬底材料不同，例如GaAs在硅上的生长，通过异质外延工艺可以获得特定的材料组合。 2. 工艺方法：包括气相外延(VPE)、液相外延(LVP)、固相外延(SPE)和分子束外延(MBE)等，其中气相外延因其对薄膜厚度、杂质浓度和晶格完整性的良好控制而在硅工艺中占据主导地位。 3. 温度划分：根据生长温度，可分为高温、低温和变温外延。 4. 电阻率和结构：根据外延层与衬底的电阻率关系，有正外延和反外延；根据外延层的结构，可以分为普通外延、选择外延和多层外延等。 5. 其他划分：还可以根据外延层的结构特点和厚度来区分。 异质外延的关键在于保证相容性，这包括： - 化学稳定性：两者之间不会发生化学反应，避免溶解现象。 - 热力学匹配：热膨胀系数相近，防止冷却过程中产生过大的热应力、位错或外延层破裂。 - 晶格匹配：晶体结构和晶格常数接近，减少界面缺陷和应力。 外延生长中，当衬底和外延层的材料不完全匹配时，可能会遇到两个主要问题：一是应力释放导致的界面缺陷，二是当外延层很薄时可能出现晶格失配现象，形成赝晶。失配率是衡量这种不匹配程度的重要参数，a外延层晶格参数与a'衬底晶格参数的差异反映了这种失配的程度。 MBE设备照片所展示的外延工艺，是现代集成电路制造技术中的核心组成部分，对于材料的选择、生长条件的控制以及后续器件性能的优化都起着至关重要的作用。通过理解和掌握这些外延技术，可以推动芯片设计和制造的进步。