[发明专利]一种获得半导体异质结与超晶格材料的方法及设备

说明书

本发明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，Chapter9，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。

本发明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。

本发明的技术解决方案是：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Ge_XSi_1-X：Si/Si;在砷化镓上生长砷化镓铝和砷化镓构成的超晶格GaAlAs：GaAs/GaAs等等。

本发明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。本发明方法超低压指10^-2～10^-10Torr真空条件。