MOCVD的原理與故障分析

李彥麗

(中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所，河北石家莊，050051)

薄膜工藝是半導(dǎo)體工藝中的一個(gè)重要工藝，按薄膜的制備方法可以分為物理氣相淀積（Physical Vapor Deposition，簡稱PVD）和化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，簡稱CVD）。CVD 是一種通過氣體化學(xué)反應(yīng)在襯底表面形成固體薄膜的工藝，金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積(MOCVD)是在CVD 的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。MOCVD 技術(shù)最大的優(yōu)點(diǎn)在于它的通用性，只要選取合適的金屬有機(jī)源就可以進(jìn)行外延生長，而且只要保證氣流和溫度的均勻分布就可以獲得大面積的均勻材料，適合進(jìn)行大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。

1 MOCVD 法的基本原理[1-3]

1.1 MOCVD 法的基本原理和步驟

金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積法 (MOCVD) 是由Manasevit 等于1968年提出用于制備化合物半導(dǎo)體薄片單晶的一項(xiàng)技術(shù)。MOCVD 法經(jīng)過幾十年的發(fā)展，現(xiàn)在已經(jīng)成為半導(dǎo)體外延生長的一種主要技術(shù)，非常適合于規(guī)?；a(chǎn)，成為應(yīng)用最廣泛的外延技術(shù)之一。該方法采用Ⅱ、Ⅲ族元素的有機(jī)化合物和Ⅵ、Ⅴ族元素的氫化物作為源材料，通過熱分解反應(yīng)，在襯底上進(jìn)行氣相外延，生長Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半導(dǎo)體和多元化合物半導(dǎo)體薄層。MOCVD 的基本原理如圖1 所示。

圖1 MOCVD 的基本原理圖

對于MOCVD 法生長半導(dǎo)體的動(dòng)力學(xué)模型大多認(rèn)為是復(fù)相化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，由于在襯底上面存在邊界層，所以認(rèn)為其生長過程是按下列步驟進(jìn)行：

（1）反應(yīng)物從反應(yīng)室的入口到襯底的輸運(yùn)；

（2）反應(yīng)物通過擴(kuò)散，穿過邊界層到達(dá)襯底表面；

（3）反應(yīng)物分子吸附在高溫襯底表面上；

（4）吸附分子之間或吸附分子與氣體分子之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成生長晶體的原子(或分子)和氣體副產(chǎn)物；

（5）生長晶體的原子(或分子)沿著襯底表面擴(kuò)散，到達(dá)表面上晶格的某些折角或臺(tái)階處結(jié)合進(jìn)入晶體點(diǎn)陣中；

（6）副產(chǎn)物從表面解析擴(kuò)散穿過邊界層進(jìn)入主氣流中被排出系統(tǒng)。

以上步驟按順序進(jìn)行。由于每一步的速率是不同的，因此總體的生長速率是由其中最慢的一步?jīng)Q定的，這最慢的一步叫做速度控制步驟。一般低溫時(shí)為表面反應(yīng)控制過程或者動(dòng)力學(xué)控制過程，高溫時(shí)為質(zhì)量控制過程。

1.2 MOCVD 法的優(yōu)點(diǎn)

MOCVD 法之所以被廣泛應(yīng)用是因?yàn)槠渚哂幸韵聝?yōu)點(diǎn)：

（1）用于生長半導(dǎo)體材料的各組分和摻雜劑都是以氣態(tài)的方式通入反應(yīng)室，因此可以通過精確控制氣態(tài)源的流量和通斷時(shí)間來控制外延層的組分、摻雜濃度、厚度等，可以用于生長薄層和超薄層材料；

（2）反應(yīng)室中氣體流速較快，因此，在需要改變多元化合物的組分和摻雜濃度時(shí)，可以迅速進(jìn)行改變，減小記憶效應(yīng)發(fā)生的可能性。這有利于獲得陡峭的界面，適于進(jìn)行異質(zhì)結(jié)構(gòu)和超晶格、量子阱材料的生長；

（3）晶體生長是以熱解化學(xué)反應(yīng)的方式進(jìn)行，是單溫區(qū)外延生長。只要控制好反應(yīng)源氣流和溫度分布的均勻性，就可以保證外延材料的均勻性。因此，適于多片和大片的外延生長，便于工業(yè)化大批量生產(chǎn)；

（4）通常情況下，外延層的生長速率與金屬有機(jī)源的流量成正比，因此，生長速率調(diào)節(jié)范圍較廣；

（5）生長過程中無需液體容器(如坩堝等)，生長外延層的源材料和載氣的純度可以達(dá)到99.9995%以上，因此，MOCVD 方法制備的材料純度比其他生長技術(shù)高一個(gè)數(shù)量級(jí)；

（6）源材料和反應(yīng)產(chǎn)物中不含有鹵化物，避免了鹵素的污染和腐蝕性帶來的危害。

1.3 MOCVD 法的缺點(diǎn)

MOCVD 的主要缺點(diǎn)有：

（1）許多金屬有機(jī)化合物有毒和易燃，給有機(jī)化合物的制備、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用帶來困難，必須采取嚴(yán)格的防護(hù)措施。反應(yīng)產(chǎn)物需要進(jìn)行處理，避免污染環(huán)境；

（2）有些金屬有機(jī)化合物在氣相中就發(fā)生反應(yīng)，生成固態(tài)微粒沉積到襯底表面，破壞了薄膜的完整性；

（3）金屬有機(jī)化合物中包含其他元素(如C、H等)，需要對反應(yīng)過程進(jìn)行仔細(xì)控制避免引入非故意摻雜的雜質(zhì)。

2 MOCVD 的結(jié)構(gòu)

一臺(tái)MOCVD生長設(shè)備可以簡要地分為4 部分，如圖2 所示。

2.1 氣體處理系統(tǒng)

氣體處理系統(tǒng)的功能是向反應(yīng)室輸送各種反應(yīng)劑，通過質(zhì)量流量控制器（MFC）和壓力控制器（PC）精確控制流量、流速等，便于生長特定成分與結(jié)構(gòu)的外延層。氣體處理系統(tǒng)由氣體輸送管道、控制單元、有機(jī)金屬化合物源(MO 源)供應(yīng)系統(tǒng)和氫化物供應(yīng)系統(tǒng)等組成。

圖2 MOCVD 結(jié)構(gòu)圖

2.1.1 氣體輸送管道

氣體的輸運(yùn)管道包括生長和排空線，工藝氣體經(jīng)由生長線從源到達(dá)反應(yīng)室，經(jīng)由排空線從反應(yīng)室進(jìn)入真空系統(tǒng)。為了避免工藝過程中生長和排空線之間的壓力補(bǔ)償，生長排空線和反應(yīng)室必須保持在同一壓力。

2.1.2 控制單元

控制單元包括閥門、對氣體流量進(jìn)行控制的質(zhì)量流量控制器，對源壓力進(jìn)行控制的壓力控制器。

2.1.3 有機(jī)金屬化合物源(MO 源)供應(yīng)系統(tǒng)

在有機(jī)金屬化合物源(MO 源)供應(yīng)系統(tǒng)中，無論是液態(tài)還是固態(tài)的金屬有機(jī)化合物，都儲(chǔ)存在特制的不銹鋼鼓泡器中，由通入的高純H2(或N2)攜帶輸送到反應(yīng)室。鼓泡器裝配了能實(shí)現(xiàn)溫度控制的水浴恒溫槽來確保金屬有機(jī)化合物有恒定的蒸汽壓。

2.1.4 氫化物供應(yīng)系統(tǒng)

在氫化物供應(yīng)系統(tǒng)中，氫化物氣體儲(chǔ)存在氣瓶中，由定量供應(yīng)單元輸送到反應(yīng)室。

2.2 反應(yīng)室

反應(yīng)室是MOCVD 生長系統(tǒng)的核心組成部分，它對外延層的厚度、均勻性、雜質(zhì)濃度和外延層的質(zhì)量都有很大的影響。反應(yīng)室的設(shè)計(jì)應(yīng)滿足氣體呈層流狀態(tài)，不會(huì)形成湍流，從而實(shí)現(xiàn)在反應(yīng)室內(nèi)的氣流和溫度的均勻分布，有利于源材料在襯底上大面積的均勻生長。反應(yīng)室的組成主要有：基座、石英蓋板、RF 感應(yīng)加熱系統(tǒng)、雙O 圈系統(tǒng)。

2.2.1 基座

基座用來存放襯底，因而基座溫度的分布決定了襯底溫度的一致性。為了使整個(gè)工藝過程中的溫度保持一致，基座配備了一套特殊的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，由一個(gè)行星盤和一組衛(wèi)星盤組成。行星盤是旋轉(zhuǎn)主體，由電機(jī)驅(qū)動(dòng)；衛(wèi)星盤以共中心的形式排列在行星盤上，通入一定氣體流量推動(dòng)衛(wèi)星盤各自旋轉(zhuǎn)，同時(shí)也隨行星盤公轉(zhuǎn)，從而形成行星式旋轉(zhuǎn)。可通過調(diào)節(jié)氣體流量，改變自轉(zhuǎn)的速度，獲得均勻的生長速率。

2.2.2 石英蓋板

石英蓋板與反應(yīng)室內(nèi)部的蓋子是分離的，由中心的螺釘固定在一起，其間距隨著工藝不同而改變。反應(yīng)室蓋子由水冷控制。N2/H2的混合物用來凈化石英蓋板和反應(yīng)室蓋子的間隙并在兩者之間進(jìn)行熱傳遞，并可通過控制N2/H2混合物的成分調(diào)節(jié)蓋板表面的溫度，改善溫度場的均衡性，降低產(chǎn)生寄生反應(yīng)的幾率。

2.2.3 RF 感應(yīng)加熱系統(tǒng)

反應(yīng)室采用的是RF 感應(yīng)加熱方式，射頻發(fā)生器獨(dú)立于設(shè)備外，射頻信號(hào)經(jīng)過振蕩器后到達(dá)加熱線圈，加熱線圈配備有高度可調(diào)節(jié)的陶瓷外殼，位于反應(yīng)室內(nèi)石英蓋板的下方。反應(yīng)室的溫度由溫度控制器進(jìn)行監(jiān)測和控制。

2.2.4 雙O 圈系統(tǒng)

雙O 圈系統(tǒng)包括兩個(gè)O 圈：內(nèi)部O 圈和外部O 圈。O 圈中間部分被不斷地抽真空來確保密封的可靠性和可控性。當(dāng)反應(yīng)室打開時(shí)，手套箱內(nèi)的惰性氣體自動(dòng)充滿雙O 圈系統(tǒng)，當(dāng)反應(yīng)室再次關(guān)閉，又自動(dòng)被排出。雙O 圈系統(tǒng)配有量程為1×10-3到100 kPa 的壓力控制裝置來監(jiān)控壓力，如果壓力值超出上限，“反應(yīng)室泄露監(jiān)控”報(bào)警會(huì)被觸發(fā)。

2.3 真空系統(tǒng)

真空系統(tǒng)包括3 個(gè)真空泵，分別用于手套箱、雙O 圈系統(tǒng)和反應(yīng)室；各種手動(dòng)、氣動(dòng)、螺線管式以及電磁- 氣動(dòng)閥，執(zhí)行操作系統(tǒng)發(fā)出的指令；帶有止回閥的旁路，其功能是保護(hù)系統(tǒng)。

2.4 尾氣處理系統(tǒng)

由于MOCVD 系統(tǒng)中所采用的大多數(shù)源均易燃易爆，而且其中的氫化物源又有劇毒，因此，必須對反應(yīng)過后的尾氣進(jìn)行處理。本設(shè)備尾氣處理的原理是在逆流裝置里用解毒溶液來與尾氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行解毒，快速化學(xué)反應(yīng)是有效地將氣體凈化的本質(zhì)。

3 影響MOCVD 工藝的因素分析[4-5]

3.1 溫度

溫度對生長速度有著重要影響。以生長GaAs為例，當(dāng)溫度在550 ℃以下時(shí)，生長速度隨著溫度的升高而增高，同時(shí)襯底的晶向?qū)ιL速度和活化能都有一定影響。溫度在550～750 ℃時(shí)，生長速度只與MO 源到達(dá)襯底表面的輸送速度有關(guān)，在該階段不改變其他條件，只增加氣體流速，加快MO 源進(jìn)入反應(yīng)室的速度，即可提高外延生長的速度。從而在此溫度范圍內(nèi)進(jìn)行外延生長具有速度高、外延層生長可控、外延層質(zhì)量高、生長速率不受溫度影響等優(yōu)點(diǎn)。溫度在750 ℃以上時(shí)，隨著溫度的不斷升高，生長速度卻逐漸下降，并且此時(shí)襯底的晶向?qū)ιL速度有影響。

3.2 反應(yīng)室壓力

反應(yīng)室的壓力對沉積速度有一定影響。另外，較低的壓力值可以減少在反應(yīng)室內(nèi)形成熱動(dòng)力所形成的對流，也減少形成寄生反應(yīng)的概率，從而獲得均勻性較好的厚度和組分等。

3.3 氣體流速

氣體流速相對較低時(shí)，進(jìn)入反應(yīng)室的氣流有充足的時(shí)間與襯底表面進(jìn)行均勻生長。當(dāng)氣體流速過大時(shí)，有一部分反應(yīng)劑未來得及反應(yīng)就隨氣體流走，極大的降低生長的效率。因此，氣體的流速對生長速率有著顯著的影響，在生長的過程中應(yīng)選擇適宜的氣體流速，有益于生長出高質(zhì)量的外延層。

3.4 Ⅴ/Ⅲ比

Ⅴ/Ⅲ比對材料的生長速度，晶格匹配度和光學(xué)特性有影響。因此，當(dāng)外延生長厚度需精確控制的量子阱薄層材料以及失配度需精確控制的厚層材料時(shí)，必須充分考慮Ⅴ/Ⅲ比對材料外延的影響，選取合適的Ⅴ/Ⅲ比。

4 常見故障現(xiàn)象與解決方法

通過以上對MOCVD 原理與設(shè)備結(jié)構(gòu)的介紹以及對影響MOCVD 工藝因素的分析，結(jié)合維修經(jīng)驗(yàn)總結(jié)了MOCVD 設(shè)備的常見故障與解決方法，如表1 所示。

5 結(jié)束語

MOCVD 工藝是一門復(fù)雜的工藝，要保證工藝的質(zhì)量、穩(wěn)定性和重復(fù)性，首先要保證設(shè)備的穩(wěn)定性，因此必須要掌握并精通MOCVD 設(shè)備的原理與結(jié)構(gòu)，其次要掌握影響工藝質(zhì)量的各個(gè)因素，在出現(xiàn)故障時(shí)，能迅速分析導(dǎo)致故障的原因。最后要保證設(shè)備和工藝的穩(wěn)定性，降低設(shè)備的故障率，日常的維護(hù)保養(yǎng)是非常必要的。

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