一种获得半导体异质结与超晶格材料的方法及设备技术

本发明专利技术涉及在半导体基质材料上获得原子级晶格材料的方法及专用生长设备。在一透明室内注入气相材料，并维持１０＋［－２］托以下的真空条件，采用灯加热使气相材料反应在基底表面反应淀积，反应淀积温度在气相材料、热解温度或其它临界反应温度之上，重复上述过程可以获得多层同质或异质超晶格材料，最佳生长温度控制在气相材料热解温度或临界反应温度以上附近的温区。专用生长设备包括常规ＣＶＤ设备、抽真空设备及灯加热设备、质量流量控制器．尤以计算机控制为佳。（*该技术在2010年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及在半导体基质材料上获得原子级晶格材料、半导体异质结与超晶格材料的生长方法及其设备的设计与制造。已有生产半导体异质结构材料及超晶格材料(包括各种超薄层、多层材料，如硅的亚微米外延层)的生长工艺均采用分子束外延(MBE)方法及专用设备。Molecular Beam Epitaxy(L.L.Chang，Chapter 9，edited by S.P.Keller，North Holland，1980)，(张立纲，分子束外延，第九章，Keller主编，北荷出版社，1980。)详细公开了这种设备及工艺，它是一种从超高真空系统中蒸发出分子束或原子束进行外延淀积的方法，对蒸汽压过低的材料(如最常用的硅、锗)还需要带有电子束轰击设备。MBE是当代实现原子级外延生长的先进技术，但由于其设备昂贵，维护成本高、运行花费大、生长面积不大，工作效率不高，致使其工业实用化较困难。另一方面，已有的化学气相淀积(CVD)技术只能用于半导体生产工艺中生长厚膜，不能用于生长超晶格类原子量级材料，而且，现有技术不能满足超大规模集成电路制造中获得超薄氧化层的要求。本专利技术的目的是为了设计一种低成本、大面积、高效率，更富有实用性的生长原子级材料-半导体异质结构及超晶格材料的的方法及设备，特别用于在半导体材料衬底上生长各种应变层异质结构材料及超晶格材料，发展CVD的技术及相应的设备。本专利技术的技术解决方案是在一带有透明窗或全透明高真空度反应室内注入气相材料源，在超低压条件下，采用快速光辐射加热(灯加热)至气相材料热解温度或其它临界反应温度之上，使气相材料在基底表面实现热解淀积薄膜。视采用不同气源，设定不同的生长温度，一般以低温生长条件为佳-即在气源的分解温度略过一些的区间，即所谓低温条件。为保证低温外延质量，本方法淀积前在衬底表面除采用类似MBE的热清洗技术，还可采用Ar+原位溅射清洗工艺，以剥除衬底表面残存化合物，获得洁净衬底表面，在生长过程中视注入各种不同的气相材料或混合物，可以相应的在衬底上外延生长不同的薄层材料(亚微米)，如交替注入不同气相材料，籍助如上工艺可以得到多层异质结构及超晶格材料，这样的工艺过程既适于生长晶格匹配超晶格，也可生长晶格失配的应变层超晶格材料如在硅基底上生长硅锗合金及硅构成的超晶格GexSi1-xSi/Si;在砷化镓上生长砷化镓铝和砷化镓构成的超晶格GaA1AsGaAs/GaAs等等。本专利技术方法在升温过程中采用较大的加热功率，使基质材料的升温温速率达150℃/S以上。一般在200℃/S左右(加石墨衬托时温升＜100℃/S，但也＞70℃/S，＜350℃)。灯的平衡加热功率及加热温度由气相材料热分解温度所决定，如硅烷的热解温度600℃左右，灯加热的最佳频谱范围为既能通过透明生长室而又易于被基底材料吸收，在用石英玻璃作透明窗乃至作整个生长室时，可选用近红外至可见光频谱范围。本专利技术方法超低压指10-2～10-10Torr真空条件。运用上述专利技术方法可以制成专用设备，它包括常规CVD设备即生长室、质量流量控制器、还设有机械真空泵及油扩散泵或涡轮分子泵;另设有灯加热系统在石英玻璃制成的生长室周围环置数支乃至数十支卤钨灯，灯管的数量及相应的加热功率与反应室大小及生长的不同材料有关。一般为5～25支。质量流量控制器是手动或自动控制流量及流速的装置，它一端接气相化合物源(置于压缩钢瓶内)。另一端接生长室，连接管道可以是各种固体材料制成，最好用耐蚀的不锈钢。生长室内置压力及温度传感器、压力传感器是计量真空度用电离规管，温度传感器为测量0℃～1200℃的温度计，例如镍铬-镍铝热电偶。利用温度传感器及温度自控装置控制灯加热功率可以得到某一恒温温度，一般需要延续5S～10S，利用PD方式(比例微分方法)可以得到更加稳定的温度控制。在整个生长过程采用恒温或加热至气源热解温度以上再降温也是可行的。达到上述流量及温度控制均可以为常规技术实现，如热处理自动控制及流量自动控制技术资料中均有公开。至于多层同质、异质超晶格材料的生长，需要用单板机或其它微型计算机(中央控制器)同时控制气相材料的选通和质量流量控制、控制灯加热温度。编写一系列子程序，只需将有关子程序进行组合就可以进行不同材料的多层生长，利用计算机可以方便地改变生长时间及生长温度。如可编制PD算法恒温子程序;生长室控温子程序;生长A层升温及降温控制中断服务程序;生长AxB1-x层升温及降温控制中断服务程序等等。生长设备还设有500～2500V的直流溅射清洗基质材料的电源及电极，用于对惰性气体(如Ar)电离。生长硅锗超晶格(以硅或锗片为基质材料)，通入硅烷、锗烷或任意混合比例的硅烷锗烷或在硅、锗烷中掺杂磷烷或硼烷等三、五族气相材料的工艺条件超低压10-2Torr以下，恒温生长温度(热解淀积温度)550～700℃为好，混合硅烷、锗烷的生长温度低些。在用乙硅烷、锗烷作气源时生长温度范围可在340～700℃，340～440℃为佳。在GaAs基底上生长GaAsP或GaAlAs的工艺条件范围(通入砷烷、三甲基镓、三甲基铝时气相物)热解温度在550～700℃。硅的外延超薄层生长，通入硅烷时，生长温度在600～750℃。应用上述方法，可以生长应变或无应变超晶格(晶格常数匹配良好，如GaAlAsGaAs/GaAs)。调制晶格材料(多晶硅/非晶硅)异质结、异质复合功能材料(Si/GexSi1-x/Si量子阱)。这类材料具有的性质不仅在科学上意义极大，更有多方面实用的潜力如制成高性能的微电子器件，微波器件、低温高速微电子器件，非线性光学、光电及压电效应器件。本专利技术方法还作为一种低温硅外延生长亚微米超薄层的方法对现有半导体工艺方法发展了新的重要手段。利用本专利技术方法还可能生长铁电体-半导体、超导体-半导体(包括高温超导体)、金属-半导体等各种调制结构和其它结构的特殊功能材料。另外，生长几十～几百 超薄硅氧化层是超大规模集成电路工艺上必需解决的，利用本专利技术方法可以实现超薄氧化层的快速生长，并且氧化层的质量较高。本专利技术的专用设备除可用于各种CVD生长外，还可用于退火，扩散等其它用途。用本专利技术的方法及设备生长的一些材料的性质的测量在图5～附图说明图10中给出，证明其是异质结或超晶格材料。本专利技术方法及设备综合了多种半导体工艺技术超低压汽相热解反应的反应温度较低，用快速灯加热及超低压下气源的变化速率快，以利于生长异质多层结构材料並缩短循环时间，在超低压的工作室内可以使超晶格材料在超低温条件下生长，消除了通常CVD的自掺杂效应生长速率较慢，可达1.4 /秒，接近MBE的生长速率，超低压气流均匀，可获得大面积均匀样品，且超低压气流速度快，可迅速变换气流，以获陡峭的界面。本专利技术方法及设备比MBE方法及设备有许多优点如设备简单、工艺成本低、设备维护使用方便，生长面积可以更大，而且质地均匀，生产速率可调节的范围大，因而工作效率高，利于实现工业生产。特别是由计算机控制的设备，生长多层超薄晶格材料更保证了质量及效率。以下结合附图并通过实施例对本专利技术作进一步说明图1为本专利技术生长设备结构示意图。图2为GexS11-x/Sl结构示意图及加热、恒温、降温生长程序示意图。图3(a)、(b)为另外两种生长程序图，L本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在半导体基质材料上获得原子级晶格材料的方法，在一生长室内，注入气相材料，其特征是采用灯加热使气相材料在基底表面反应淀积，反应淀积温度在气相材料热解温度或其它临界反应温度以上，生长室为带有透明窗或全透明的生长室，并在高真空条件下生长。

【技术特征摘要】
1.一种在半导体基质材料上获得原子级晶格材料的方法，在一生长室内，注入气相材料，其特征是采用灯加热使气相材料在基底表面反应淀积，反应淀积温度在气相材料热解温度或其它临界反应温度以上，生长室为带有透明窗或全透明的生长室，并在高真空条件下生长。2.由权利要求1所述的方法，其特征是重复上述方法用以获得多层同质或异质超晶格材料。3.由权利要求1或2所述的方法，其特征是先用惰性气体对生长室内半导体基质材料表面进行直流或交流等离子体溅射清洗。4.由权利要求1或2所述的方法，其特征是灯加热功率选在使基质材料升温速率达70～300℃/秒，并在10-2Torr以下的真空条件下生长。5.由权利要求1、2或3所述的方法，其特征是将生长温度控制在气相材料热解温度或临界反应温度以上附近的温区，如生长GexSi1-x/Si异质结或超晶格材料，以硅烷、锗烷为气源时淀积温度为550～700℃，乙硅烷、锗烷为气源时淀积温度为340～450℃，生长GaAlAsGaAs/GaAs异质结或超晶格材料，以三甲基镓、砷烷、磷烷为气源时淀积温度为550～700℃，硅处延生长亚微米超薄层时，硅烷淀积温度为600～750℃，硅片上生长超薄热氧化层，生长温度取900～1200℃。6.由权利要求3、4或5的方法，在生长N层超晶格材料时，在同时抽真空条件下，可以由中央控制相应...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑有，张荣，胡立群，江若琏，莫水元，李学宁，陈艺文，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]