半導(dǎo)體薄膜技術(shù)與物理第四章

1、第四章第四章 分子束外延分子束外延分子束外延（分子束外延（Molecular Beam Epitaxy, MBE） 在超高真空環(huán)境下，使具有一定熱能的一種或多種分子（原子）束流噴射到晶體襯底，在襯底表面發(fā)生反應(yīng)的過程，由于分子在“飛行”過程中幾乎與環(huán)境氣體無碰撞，以分子束的形式射向襯底，進(jìn)行外延生長，故此得名。屬性屬性：一種真空蒸鍍方法始創(chuàng)始創(chuàng)：20世紀(jì)70年代初期，卓以和，美國Bell實驗室應(yīng)用應(yīng)用：外延生長原子級精確控制的超薄多層二維結(jié)構(gòu)材料和器件（超晶格、量子阱、調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)、量子阱激光器、高電子遷移率晶體管等）；結(jié)合其他工藝，還可制備一維和零維的納米材料（量子線、量子點等）。 MBE

2、的典型特點：的典型特點：（1）從源爐噴出的分子（原子）以“分子束”流形式直線到達(dá)襯底表面。通過石英晶體膜厚儀監(jiān)測，可嚴(yán)格控制生長速率。（2）分子束外延的生長速率較慢，大約0.011nm/s。可實現(xiàn)單原子（分子）層外延，具有極好的膜厚可控性。（3）通過調(diào)節(jié)束源和襯底之間的擋板的開閉，可嚴(yán)格控制膜的成分和雜質(zhì)濃度，也可實現(xiàn)選擇性外延生長。（4）非熱平衡生長，襯底溫度可低于平衡態(tài)溫度，實現(xiàn)低溫生長，可有效減少互擴(kuò)散和自摻雜。（5）配合反射高能電子衍射（RHEED）等裝置，可實現(xiàn)原位觀察、實時監(jiān)測。生長速率比較慢，既是MBE的一個優(yōu)點，同時也是它的不足，不適于厚膜生長和大量生產(chǎn)。硅分子束外延硅分子束外

3、延4.1 基本概況基本概況硅分子束外延包括同質(zhì)外延，異質(zhì)外延。硅分子束外延是通過原子、分子或離子的物理淀積，在適當(dāng)加熱的硅襯底上進(jìn)行硅（或與硅相關(guān)材料）的外延生長。（1）外延期間，襯底處于較低溫度。（2）同時摻雜。（3）系統(tǒng)維持高真空。 (工作壓強10-8Pa7.510-3Torr/Pa=7.510-11Torr)（4）特別注意原子級干凈的表面。圖4-1 硅MBE的工作原理示意圖 4.2 硅分子束外延的發(fā)展歷史背景硅分子束外延的發(fā)展歷史背景相對于CVD缺點而發(fā)展起來。CVD缺陷：襯底高溫，1050，自摻雜嚴(yán)重（跟高溫有關(guān)）。原始的分子束外延：硅襯底加熱至適當(dāng)溫度，真空下使硅蒸發(fā)到硅襯底上，進(jìn)行

4、外延生長（1962年）。生長準(zhǔn)則：入射分子充分運動，達(dá)到襯底的熱表面，并以單晶形式排列。（1）襯底的溫度達(dá)到1/3熔點溫度，1450/3，T=500，可獲得足夠的表面遷移率。（2）雜質(zhì)濃度：取決于系統(tǒng)的真空度，即雜質(zhì)吸附在表面以及結(jié)合到外延膜中的程度。硅蒸發(fā)技術(shù)：1、電阻加熱，瞬間蒸發(fā)。2、電子轟擊蒸發(fā)。在低工作壓強中進(jìn)行，玷污成主要問題。氧、氫存在，表面只有小部分結(jié)合，晶體產(chǎn)生缺陷，襯底溫度TS升高，生長速率增高，1m/min增至1.5m/min，TS=1200，但摻雜無法控制。超高真空系統(tǒng)出現(xiàn)（Ultrahigh Vacuum， UHV），本底真空度降至10-9Pa，生長速率Re下降，TS

5、下降。圖4-2 本底雜質(zhì)濃度和本底壓強的關(guān)系在雜質(zhì)吸附系數(shù)S、襯底溫度Ts一定的條件下，可根據(jù)圖4-2定性地估計雜質(zhì)的濃度。外延膜摻雜濃度隨摻雜源濃度、生長速率以及襯底溫度的變化有不同的模型，它可用脫附系數(shù)，吸附系數(shù)，以及蒸氣壓來表示。至今MBE的摻雜仍是一個重要課題。過去曾得到硅中摻銻的外延膜，摸索并了解得吸附系數(shù)與銻流量及襯底溫度之間的關(guān)系。4.3 硅分子束外延的重要性硅分子束外延的重要性硅MBE是在一個嚴(yán)格控制的低溫系統(tǒng)中進(jìn)行。（1）能很好地控制雜質(zhì)濃度，達(dá)到原子級。非摻雜濃度可控在31013/cm3。（2）外延可在無缺陷的最佳條件下進(jìn)行。（3）外延層厚度可控制在單原子層的厚度內(nèi)，進(jìn)行超

6、晶格外延，幾nm幾十nm，從而可實現(xiàn)人工設(shè)計，并制備性能優(yōu)異的新功能材料。（4）硅的同質(zhì)外延，類硅的異質(zhì)外延。4.4 外延生長設(shè)備外延生長設(shè)備發(fā)展方向發(fā)展方向：可靠性、高性能和多功能缺點缺點：價格高、復(fù)雜，運行費用高。適用范圍適用范圍：可用于硅MBE，化合物MBE，III-V族MBE，金屬半導(dǎo)體的MBE正在發(fā)展中?；镜墓餐攸c基本的共同特點：（1）基本的超高真空系統(tǒng)，外延室，努森加熱室；（2）分析手段，LEED、SIMS，RHEED等；（3）進(jìn)樣室?；窘Y(jié)構(gòu)見圖4-3。（1）電子束轟擊硅靶表面，從而容易產(chǎn)生硅分子束。為了避免硅分子束散發(fā)到旁邊去而引起不良影響，大面積屏蔽和準(zhǔn)直是必需的。（2）

7、電阻加熱的硅陰極產(chǎn)生不了強分子束，其它的石墨坩堝有Si-C玷污，最好的辦法是電子束蒸發(fā)產(chǎn)生硅源。因為，硅MBE某些部分溫度較高，便于蒸發(fā)，硅的低蒸發(fā)壓要求蒸發(fā)源具有較高溫度。蒸發(fā)同時，要對束流密度和掃描參數(shù)進(jìn)行控制。使得硅熔坑正好處在硅棒內(nèi)，硅棒成為高純坩堝。監(jiān)測分子束流有以下幾種：監(jiān)測分子束流有以下幾種：（1）石英晶體常用于監(jiān)測束流，束流屏蔽和冷卻適當(dāng)，可得滿意結(jié)果。但噪音影響穩(wěn)定性。幾個m后，石英晶體便失去了線性。調(diào)換頻繁，主系統(tǒng)經(jīng)常充氣，這不利于工作。（2）小型離子表，測分子束流壓，而不是測分子束流通量。由于系統(tǒng)部件上的淀積而使其偏離標(biāo)準(zhǔn)。（3）低能電子束，橫穿分子束，利用所探測物種的電

8、子激發(fā)熒光。原子被激發(fā)并很快衰退到基態(tài)產(chǎn)生UV熒光，光學(xué)聚焦后熒光密度正比于束流密度?？勺龉柙吹姆答伩刂?。不足之處：切斷電子束，大部分紅外熒光和背景輻射也會使信噪比惡化到不穩(wěn)定的程度。它只測原子類，不能測分子類物質(zhì)。（4）原子吸收譜，監(jiān)測摻雜原子的束流密度。用斷續(xù)束流，對Si、Ga分別用251.6nm，294.4nm光輻射進(jìn)行探測，光束穿過原子束所吸收強度轉(zhuǎn)換成原子束密度，并得到相應(yīng)比率。分子束外延（MBE）襯底底座是一個難點。MBE是一個冷壁過程，即襯底硅片加熱高達(dá)1200，環(huán)境要常溫。此外，硅片要確保溫度均勻。由電阻耐火金屬和石墨陰極，背面輻射加熱，而整個加熱部件卻裝在液氮冷卻的容器中，以

9、減少對真空部件的熱輻射。襯底旋轉(zhuǎn)，保證加熱均勻。自由偏斜，可增強二次注入的摻雜效應(yīng)。陰極熱發(fā)射電子轟擊硅片，以提高襯底溫度。在硅基技術(shù)很成熟，現(xiàn)大直徑硅片外延，對晶體質(zhì)量，外延膜的厚度及摻雜均勻性的要求很高。在MBE過程中，摻雜劑分子束由標(biāo)準(zhǔn)的努森噴射室產(chǎn)生，以獲得適當(dāng)?shù)膿诫s的外延膜。使用低能離子源以用于外延膜的離子束摻雜，離子能量500eV1000eV。固體源或氣體源離子（磁分析系統(tǒng)，質(zhì)量）偏斜掃描入射。MBE設(shè)備的發(fā)展，一室多室發(fā)展。一室多功能：樣品準(zhǔn)備：load lock。分析：LEED，俄歇，RHEED，監(jiān)測表面結(jié)構(gòu)，潔凈程度，生長形態(tài)。生長：外延膜生長。多室多功能： 1、生長室，同質(zhì)

10、外延單室，異質(zhì)外延雙室。 2、獨立的分析室。 3、樣品準(zhǔn)備室，裝載或空載的片盒，大批量。 4、室之間有硅片傳送機構(gòu)。防止交叉污染，保證高質(zhì)量的外延膜生長。硅片直徑6英寸，152.4mm片盒、裝、卸與生長同時進(jìn)行。生長源有大容量，臺板傳送?，F(xiàn)代MBE設(shè)備：高容量蒸發(fā)器，離子摻雜附件，全組分分析。樣品制備，某些后序加工，多片加工能力。4.5 表面制備表面制備 MBE：是在相對低溫度下由原子碰撞進(jìn)入到外延層，而發(fā)生重新排列，只有表面原子級清潔時，該過程才能有效發(fā)生。 清洗后表面一旦清潔，只有系統(tǒng)保持高真空度時，清潔度才能保持。 硅表面易形成SiO2，表面易吸收大氣中碳?xì)浠衔?。臨外延前必須清洗表面。

11、（第三章CVD中已述）。4.5.1 清潔處理清潔處理1、濺射清潔處理，（Plasma Sputtering Cleaning） RF，ECR：Ar+，H+， 它必須與高溫處理相結(jié)合，以恢復(fù)損傷的晶格。2、熱處理方法 迅速高溫1250，SiO2SiO 跟真空度有關(guān)，溫度控制是關(guān)鍵。3、活性離子束，Ga+ + SiO2 Ga2O + Si。4、光學(xué)清潔處理：脈沖激光輻射。5、原位HCl腐蝕或H2預(yù)熱，在MBE不能適應(yīng)？4.5.2 清潔表面的檢驗清潔表面的檢驗檢測手段： （1）LEED 屏幕 Low Energy Electron Diffraction，表面信息。（幾百eV） （2）RHEED：

12、Reflection High Energy Electron Diffraction， 10001500eV，較深表面信息。 i. 給出表面長程有序的信息， ii. RHEED 表面形貌，表面痕量SiC晶體信息。 表面臺階密度的信息。（3）表面雜質(zhì)及其化學(xué)態(tài)表面雜質(zhì)及其化學(xué)態(tài)：XPS、俄歇，表面雜質(zhì)1012原子/cm2，原子級清潔度。表面雜質(zhì)SiO2導(dǎo)致層錯，Stacking faults；表面雜質(zhì)C導(dǎo)致位錯，dislocation density；可能是SiC粒子引起位錯。高純化學(xué)試劑+清潔系統(tǒng)（短時間）+原位脫附高清潔表面。4.6 外延生長外延生長外延前硅片必須保持干凈。原子級清潔的表面

13、一旦形成，應(yīng)立即開始外延生長。保持時間過長，會因表面吸附而沾污。00PPP4.6.1 硅外延生長模型硅外延生長模型在較高的過飽和狀態(tài)下進(jìn)行。過飽和比過飽和比定義：P：到達(dá)表面的分子束等效壓強；P0：襯底溫度下的平衡壓強。在較低的過飽和度下（1），晶體可生長。要避免高的過飽和比？二維生長模型，即層狀生長模型。見圖4-4。hds圖4-4 表面臺階。圖中標(biāo)出襯底的取向偏差及具有代表性的扭折位置。臺階密度由襯底取向偏差所控制；沿一個臺階方向的扭折密度與襯底的晶向及溫度有關(guān)。ds：臺階間隔，h：臺階高度，：偏離角=0.2，h=3 ，ds=105/cm，=1/幾百硅片一般都有偏差15。* 入射硅原子被吸附

14、在硅片表面。表面勢阱俘獲，將作垂直或平行于硅片表面的方向振動。脫附能Edsi=2.4eV/原子，950，沒有足夠能量，1013Hz左右，硅原子在硅片表面的滯留時間也大于1ms。硅原子將在不到1ms（臺階ts這里ts表示時間，它可按過飽和比的形式改寫成： 其中，Wsk是扭折的形成能（一個扭折原子運動出去的激活能）。這里有幾個概念： ds：臺階間隔，V臺階：臺階運動速度， s：平均擴(kuò)散距離，Wsk：扭折的形成能， Nos：生長平面上硅原子濃度。如果表面有碳?xì)浠衔镧栉郏愠蔀榕_階的釘扎，阻止臺階傳輸，影響外延質(zhì)量。高度較低的表面臺階，很少有臺階集聚和釘扎，有利于低缺陷密度的外延層生長。位錯不是臺階

15、源。襯底晶向非有意偏離，會形成許多臺階。RHEED信號周期性振蕩，可推測外延生長遵循層狀生長機制。（1）MBE的生長速率由硅原子到達(dá)的比率及供給維持晶體生長的吸附原子具有足夠表面遷移率所決定。條件不滿足，將產(chǎn)生缺陷，甚至無定形。（2）臺階可沿一擇優(yōu)方向傳播，其原因是，具有較高扭折密度的臺階往往傳播速度也較高。4.6.2 生長溫度生長溫度 前已述，MBE只要吸附原子具有足夠的表面遷移率，就可進(jìn)行外延生長。 有效遷移能（熱能）與襯底溫度有關(guān)。 襯底晶向與外延溫度的關(guān)系。能外延生長的最低溫度。低溫生長機制與高溫生長機制不同。 （100）面與（111）面表面結(jié)構(gòu)特征不同。易在（100）面上進(jìn)行外延生長

16、。（111）晶面，一個硅原子具有一個單鍵，并可自由旋轉(zhuǎn)，而（100）晶面則是雙鍵。同（100）晶面相比，（111）晶向的波導(dǎo)特性很難同時滿足全部鍵合的要求。這也許是低溫能在（100）晶面進(jìn)行外延生長的緣故。 同時表面再構(gòu)對外延也有影響。（111）面的再構(gòu)77結(jié)構(gòu)，要求溫度較高,（100）21再構(gòu)，在較低的溫度下重新排列。圖4-6給出清潔（111）表面呈現(xiàn)77結(jié)構(gòu)圖。圖4-7提出兩維層錯的假設(shè)。圖4-6 Si（111）77再構(gòu)表面的STM圖像（左） Si（111） 77再構(gòu)表面的DAS模型示意圖（右）4.7 摻雜摻雜在外延生長的同時進(jìn)行摻雜，實時摻雜。同時，外延溫度低于固態(tài)擴(kuò)散的溫度(600)，

17、摻雜分布是固定的，原則上可形成原子級陡峭的雜質(zhì)分布。傳統(tǒng)的參雜技術(shù)，其摻雜分布的陡峭度受到一定限制。摻雜摻雜：（1）傳統(tǒng)的加熱分子束流摻雜（2）離子注入圖4-7 二次離子質(zhì)譜測得工藝過渡狀態(tài)的摻雜劑深度分布有明顯的隧道效應(yīng)離子注入+擴(kuò)散工藝4.7.1 自發(fā)摻雜自發(fā)摻雜自發(fā)摻雜自發(fā)摻雜：在外延溫度下?lián)诫s劑通過固體擴(kuò)散而實現(xiàn)摻雜，是一種在熱蒸發(fā)時的自然摻雜。熱方法產(chǎn)生分子束，摻雜劑要有所選擇。矛盾矛盾： （1）低平衡壓，高溫，不利于高真空。 （2）低溫，高蒸發(fā)壓材料，束流難控。硅：n型，摻銻； p型，摻鎵，鋁，硼，圖4-8。圖4-8 用C-V技術(shù)測出平坦的摻雜分布（摻鋁）在早期的嘗試中，陡峭摻雜的

18、變化受到影響。 700可獲得陡峭的摻鎵分布，摻鋁、銻則不然。溫度從700750，摻雜分布起變化，Ts，摻雜，Ts，摻雜。常用的摻雜劑有以下幾個特征：常用的摻雜劑有以下幾個特征：（1） 吸附系數(shù)S很小，在常用的溫度范圍內(nèi)，通常吸附系數(shù)小于0.01。（2）S對襯底溫度很靈敏，一般襯底溫度Ts，S。（3）摻雜劑具有接近一致的高電活性。（4）在較高襯底溫度和較低摻雜劑流量下，一次結(jié)合。（5）具有突變摻雜分布，且摻雜濃度達(dá)到穩(wěn)定。常用溫度下?lián)诫s劑分布有較長滯后，生長膜中呈長距離分布。（6）高濃度摻雜，出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。（7）摻雜濃度高，外延層質(zhì)量下降。分子束外延摻雜模型：分子束外延摻雜模型：摻雜動力學(xué)的限制

19、因素起重要作用。摻雜劑不能直接結(jié)合到生長的晶格中，而是首先吸附在表面如圖4-9。圖4-9 外延摻雜生長的硅表面圖示PDSPDSDDDSNKNKFdtdN1摻雜原子最初被表面俘獲，如圖4-10所示。初始俘獲是由基體表面產(chǎn)生的勢阱引起的。摻雜劑原子處在熱適應(yīng)狀態(tài)，原因是入射原子和表面原子間能差較小。到達(dá)表面的原子與表面達(dá)到平衡，并在表面松馳，而不是發(fā)生鏡面反射。（1）被吸附在表面的摻雜原子濃度NDS（2）脫附掉的摻雜原子比率KDNDS（3）摻入晶格中的摻雜原子比率K1NDS（4）入射摻雜分子束FD吸附在表面的摻雜原子對濃度變化率： 圖4-10 摻雜原子的表面勢能圖。圖中給出物理吸附和較穩(wěn)定的化學(xué)吸

20、附的局部極小態(tài)。處在基體表面勢阱中的吸附原子仍在連續(xù)振動，它對應(yīng)于圖4-10的化學(xué)吸附態(tài)，而物理吸附態(tài)是化學(xué)吸附的前身。吸附激活能EADS比較小，可忽略。具有熱能的吸附原子（通常為10eV或更小），在表面發(fā)射光學(xué)聲子而釋放能量，該原子也可能獲得能量跳出勢阱或脫附。這是一個統(tǒng)計過程，可用脫附系數(shù)KD和脫附指數(shù)P描述?？偯摳剿俾室蕾囉谝r底溫度和吸附原子的濃度。KTEKKDDDexp0 PPDSDPDStNKdtdNkTEKKDPPDDPexp0（1）脫附速率）脫附速率 NDS：吸附原子數(shù)，KD：脫附系數(shù)，P：脫附指數(shù) KD0：初始系數(shù)，與原子振動頻率有關(guān)。ED：脫附能，與原子振動的勢阱深度有關(guān)?？?/p>

21、能多級脫附同時發(fā)生： 其中 然而，占支配地位的是具有單值P的某過程。 PDSDDStNKdttdNKTEKK1101expqDSqqqincNKTEKdtdN110exp（2）結(jié)合系數(shù)）結(jié)合系數(shù)被吸附的原子不能快速結(jié)合到生長的晶格中，說明存在有限的結(jié)合速率。 K1描述被吸附的原子結(jié)合激活過程： K1：結(jié)合系數(shù)，K10：初始系數(shù)，E1：激活能總結(jié)合速率：不同q：一個原子，二個原子，三個原子的結(jié)合過程都能進(jìn)行，它們對應(yīng)不同的q值。實際上，我們只需考慮q=1的情況，其原因是外來原子結(jié)合到晶格中將在晶格中產(chǎn)生應(yīng)力，而較大的聚合物的結(jié)合需要較高的激活能。這意味著聚合物的結(jié)合很慢。因此，如果單個原子可以結(jié)

22、合，則q1的結(jié)合過程可以忽略。同理，結(jié)合到晶格間隙位置是不大可能的。實驗觀察到，所有摻雜劑都被完全激活。（注意：注意：是完全激活，而不意味著完全電離）。由于我們考慮的是電活性雜質(zhì)，我們只能測淺電離能級的摻雜劑。這可以認(rèn)為，只有當(dāng)單原子結(jié)合時才是主要的。為此，在以后的分析中，我們只保留上述方程中q=1的情況。DSPDSDPDDSNKNKFdtdn1)(DSDSDDDSNKNKFdtdN11KKFNDDDS現(xiàn)在，我們同時考慮所有過程，并寫出表面摻雜劑濃度的增長表達(dá)式，它的最一般的表達(dá)式為：一旦P值選定，上述方程可以求解。P=1的情況最易求解，實際上它也是很重要的一項。上述方程簡化為：我們分析穩(wěn)態(tài)情

23、形，即dNDS/dt=0的情形。于是有：11KKFKdtdNDDinc 一旦達(dá)到穩(wěn)態(tài)，每秒吸附的原子數(shù)就等于每秒脫附的原子數(shù)及結(jié)合的原子數(shù)之和。上個方程也說明，在襯底表面存在一定濃度的摻雜劑原子，其中一部分結(jié)合到生長的晶格中。于是，摻雜速率為：處于穩(wěn)態(tài)時，單位時間內(nèi)結(jié)合原子數(shù)對入射原子數(shù)的比率，稱作吸附系數(shù)S，從而有：DDincKKKFdtdNS110NFdtdNNSiincDB0NFFSNSiDDB（3）吸附系數(shù)：）吸附系數(shù)： 最終的穩(wěn)態(tài)體摻雜濃度NDB表示為：其中，N0是單位體積（1cm3）內(nèi)硅原子數(shù)目。將上式簡化后得到：DKKS1KTEEKKSDD1010exp吸附系數(shù)是一個重要的參數(shù)，

24、也有人稱其為結(jié)合幾率。吸附系數(shù)較小時，即SK1，脫附速率高于結(jié)合幾率。于是：即S為結(jié)合系數(shù)與脫附系數(shù)之比。結(jié)合過程，脫附過程是個激活過程：000tFtFDD)(exp(1 )()(111tKKKKFtNNKKFdtdNDDDDSDSDDDS可以看出，S與溫度T的倒數(shù)成簡單的指數(shù)關(guān)系，脫附過程和結(jié)合過程的能量系數(shù)不同，其系數(shù)為兩個過程的系數(shù)之比：于是，我們得到：DKK 11（4）摻雜劑的結(jié)合時間常數(shù)：）摻雜劑的結(jié)合時間常數(shù)： 以后我們用時間常數(shù)表示特征摻雜劑的結(jié)合時間。其意義如下，當(dāng)硅及摻劑流量發(fā)生突變時，該系統(tǒng)隨時間以指數(shù)形式逼近它的穩(wěn)態(tài)，逼近的初速度為1/。為便于實用，我們假定時間大約在時間

25、常數(shù)的45倍后，系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 較大的脫附和結(jié)合系數(shù)意味著特征摻雜劑結(jié)合時間較短，而較小的脫附和結(jié)合時間則意味著達(dá)到穩(wěn)態(tài)時間較長。進(jìn)一步指出，當(dāng)吸附系數(shù)較小時，等于摻雜劑原子在表面停留的平均時間（D）。 tKKFtKKKKFtNDDDDDSexp1exp11011 tNFFStNSiDDBexp100NFvSi結(jié)合速率隨表面濃度而變化，從而，體摻雜濃度與時間的函數(shù)關(guān)系為：體摻雜濃度NDB(t)：外延層厚度：X=vt， v：生長速率因此有： DSiDDBKKvxNFFSxN10 , exp1圖4-11 鎵和銻在硅上的停留時間圖4-12 鎵的吸附系數(shù)S（測量值）與溫度的關(guān)系。 同時還給出高通量下的

26、吸附系數(shù)。DDincKKKFdtdNS11圖中實線是從下式得到的： K1：結(jié)合系數(shù) KD：脫附系數(shù)圖4-13 銻的吸附系數(shù)與溫度的關(guān)系。 當(dāng)銻高均勻覆蓋在表面上，其吸附明顯增大。 圖4-14 摻銻硅多數(shù)載流子遷移率與載流子濃度之間的關(guān)系摻雜劑的表面表面相對摻雜過程起著重要作用。摻雜劑的表面遷移率遷移率和摻雜劑同硅表面的鍵合鍵合及其他摻雜原子之間的鍵合均對膜的生長起重要作用。高摻雜濃度時，遷移率大大降低摻雜劑結(jié)合詳細(xì)機制：摻雜劑結(jié)合詳細(xì)機制：（1）摻雜劑從摻雜劑團(tuán)處遷移，并擴(kuò)散到運動的硅臺階的扭折位置，使結(jié)合過程能夠進(jìn)行。（2）運動的臺階可碰到并穿越一個摻雜劑團(tuán)，此過程中，摻雜劑可結(jié)合到運動的臺

27、階中。（3）大量摻雜劑的存在，將改變了硅的生長機制。硅的附加成核，導(dǎo)致其偏離可能發(fā)生的層狀生長模式，該結(jié)果使得摻雜原子結(jié)合位置的數(shù)目增加，從而增加了摻雜原子的結(jié)合。更微觀的觀察：更微觀的觀察：（1）在表面相中成團(tuán)的吸附原子，首先必須脫離此團(tuán)。與該過程相關(guān)聯(lián)的激活能必須小于脫附激活能，但要大于表面擴(kuò)散能。（2）原子一旦脫離孤立的組織，將向硅表面遷移，直到被一個較合適的扭折位置所容納，其遷移過程受硅表面摻雜原子的擴(kuò)散率所控制。（3）摻雜原子將結(jié)合到臺階的扭折位置。 受原子團(tuán)周長限制，稱周邊結(jié)合。 摻雜原子的供給由摻雜劑原子團(tuán)和硅界面的面積大小 所支配，稱這種情況為面積結(jié)合。圖4-15 歸一化的吸附

28、系數(shù)同歸一化的摻雜劑分子束通量之間的函數(shù)關(guān)系。它表明摻雜分子束通量升高時，吸附系數(shù)值降低。吸附系數(shù)歸一化：在外延生長溫度下，在硅表面上獲得單原子層鎵所對應(yīng)的通量值。圖4-16 鎵和硅俄歇信號強度與鎵有效覆蓋范圍的函數(shù)關(guān)系。 在此覆蓋范圍鎵將發(fā)生成團(tuán)現(xiàn)象。摻雜劑摻雜劑摻雜工藝摻雜工藝生長溫度生長溫度()摻雜濃度摻雜濃度(cm-3)參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn)Ga自發(fā)72521018Iyer等, 1981Ga自發(fā)65061018Kasper, 1985Ga電離(500V)90051019Sakamoto和Komoro, 1983B自發(fā)80051018Kabiak等, 1985B電離(BF2)70011020S

29、watz, 1985Sb自發(fā)72511019Iyer等, 1981;Metzger, 1983Sb二次注入80011019Kubiak等, 1985Sb二次注入65011019Jorke等, 1985Sb電子加速72531020Dlage, 1985As電離75011020Swartz, 1985表表4-1 實驗獲得的最大摻雜濃度實驗獲得的最大摻雜濃度熱法產(chǎn)生摻雜劑緩慢結(jié)合的另一結(jié)果是：吸附層摻雜劑濃度若不超過合理范圍，則不會獲得較高的摻雜濃度。通常把熱法摻雜稱自發(fā)摻雜。ZDBSiDBDBTOSiddZdNuZNZNNKFF)()()()(14.7.2 摻雜分布的形成摻雜分布的形成要獲得任意的

30、摻雜分布，摻雜劑的分子束通量： “閃蒸”技術(shù)，“堆積”技術(shù)。圖4-17 只控制摻雜分子束通量所得到的摻雜分布（摻鎵）。 有滯后效應(yīng)。圖4-18 用“閃蒸”技術(shù)獲得摻雜濃度（鎵）的高-低過渡區(qū)。 實線是只控制摻雜劑通量所得到的分布。圖4-19 預(yù)堆積技術(shù)和“閃蒸”技術(shù)獲得的摻濃度的 高-低-高過渡區(qū)，密實線是二次離子質(zhì)譜法測得的 結(jié)果。實線分布是由差分電阻率方法獲得。圖4-20 設(shè)計的MBE具有陡峭摻雜過渡區(qū)的摻雜分布。 證實在TS=700可形成這種分布。 圖4-21 TUNNETT結(jié)構(gòu)的摻雜分布硼雜質(zhì)分布圖4-22（a） 給出與之對應(yīng)的硼電池電流, 未出現(xiàn)明顯的滯后效應(yīng) （b） 顯示用蒸發(fā)硼獲得的陡峭摻雜過渡區(qū) 4.7.3 低能離子注入摻雜低能離子注入摻雜低能束射入生長表面，以迫使其結(jié)合。離子注入與外延同時進(jìn)行，為減小損傷，采用低能束：（1）注入離子的能量很低（1keV），（2）離子注入時，TS高于外延生長溫度，損傷減小， 擴(kuò)散增強。（3）離子注入時維持外延生長。問題問題： （1）是否以微缺陷形式存在？ （2）摻雜劑原子是否完全