矽鍺結構生長與合成方法

2.3.1 矽鍺/矽(SiGe/Si)結構

在 SiGe/Si 系統裏，能隙能量的可變性[18-20]和增強載子移動率的潛 力[21-24]是研究現象關鍵的地方，而電性(electron property)上兩個主要的 決定因素是矽鍺合金的能隙能量隨著鍺在矽鍺合金中含量的增加而減少 [18]和在異質接面(heterostructures)處能帶發生的偏移(misfit)[20]。首先由 異質接面來探討，如圖 2-2 所示，矽晶格常數(a^Si)為 0.543nm，鍺晶格常數 (a^Ge) 為 0.5646nm ， 因 此 矽 與 矽 鍺 間 有 4.2 ％ 的 晶 格 不 匹 配 （lattice mismatch），所以當矽鍺成長於矽基板上時，會形成壓縮的應變（compressive strain）。此應變(strain)現象是為了調和兩材質間的晶格不協調，但若矽鍺 層的厚度超越了其臨界厚度（critical thickness），將產生應力鬆弛和缺陷效 應(defect effect)，顯示了矽鍺厚度對應其應力鬆弛(strain/relaxation)反應的 關係。另一方面，若在矽基板上成長很厚的矽鍺層，使其鬆弛成虛擬的矽 鍺基板(relaxed virtual substrate, VS)，而在其上就可以成長應變矽(strained Si) 層或應變矽鍺(strained SiGe)層，來提供更好的載子傳輸(carrier mobility)特 性。

2.3.2 應變矽鍺/應變鬆弛矽鍺(strained SiGe/relaxed

11

SiGe)結構

2.3.3 應變矽/應變鬆弛矽鍺(strained Si/relaxed SiGe)

結構

當應變矽(strained Si)層成長於(relaxed Si_1-yGe_y)層上時，二軸拉力應變 (biaxial tensile strain)效應會使得原本在傳導帶的六層衰變能帶(6-fold degenerate band)分別分離成四層(4-fold)與二層衰變能帶(2-fold degenerate band)，而其中二層衰變能帶向下分離，使得能隙(Eg)和等效電子質量皆變 小[25]，進而增加了電子遷移率。在不同鍺含量比例的relaxed Si_1-yGe_y 基 板情況，其上strained Si 的能隙會隨著鍺濃度的增加而減少，而傳導帶變化 所造成的傳導帶偏移∆Ec 也將提供有利於電子傳輸且電子侷限的電子井環 境[26]。對於 strained SiGe 在 Si bulk 上時，能帶偏移幾乎都落在價電帶 (valence band)而造成好的電洞侷限。當 strained Si 在 relaxed SiGe 基板上

12

時，其介面能帶偏移則幾乎都落在傳導帶(conduction band)造成好的電子侷 限。將relaxed SiGe 基板上成長 strained SiGe 與 strained Si 層，將能同時提 供加強載子侷限的電洞與電子井。

2.3.4 矽鍺沈積系統

本節將簡單介紹矽鍺薄膜沈積部份，經由調變系統的沈積環境，包含 反應環境溫度、反應時間、反應氣體流量比。以及介紹比較目前幾種常見 的矽鍺成長機制，包括超高真空化學氣相沈積(Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition, UHVCVD)、分子束磊晶(Molecular Beam Epitaxy, MBE)、

液相磊晶(Liquid phase epitaxy, LPE)、固相磊晶(Solid phase epitaxy, SPE)和 超高真空(Ultra High Vacuum Chemical Molecular Epitaxy, UHVCME)以下將 詳細介紹其中較常見的三種矽鍺製程方法分別為超高真空化學氣相沈積法 (UHVCVD)、超高真空化學分子磊晶法(UHCME)和分子束磊晶法(MBE)。

2.3.4.1 化學氣相沈積成長系統

化學氣相沈積(Chemical Vapor Deposition, CVD)是半導體製程中最常 見的製程方式，運用在矽鍺的生長上也是有相當多種方式，如常壓化學氣 相沈積(Atmospheric Pressure Chemical Vapor Deposition, APCVD)、低壓化學 氣相沈積(Low Pressure Chemical Vapor Deposition, LPCVD)、快速升溫化學 氣相沈積(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition, RTCVD)、低能量等離

13

子體增強化學氣相(Low Energy Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, LEPECVD)、超高真空化學氣相沈積(Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition, UHVCVD) 、 超 高 真 空 低 壓 化 學 氣 相 沈 積 (Ultra High Vacuum-Low Pressure Chemical Vapor Deposition, UHV-LPCVD)，而這些化 學氣相沈積系統最主要的差異在於製程的溫度及壓力，系統原理則是大同

2.3.4.2 超高真空化學氣相沈積系統

而B. Cunningham等人在1991年所提出的鍺(Ge)反應式:

2GeH₄ + 4 Æ 2H (s) + 2GeH₃ (s) 2GeH₃ (s) + 2 Æ 2H (s) + 2GeH₂ (s)

15

2GeH₂ (s) Æ 2GeH (s) + H₂ (g) [27]

其中S為基板(substrate)表面反應點。其反應分解出的氣體H2，大部份會 被真空系統抽離，留下矽與鍺反應生成複晶矽鍺於晶片上。 (computer-controlled gas switching box)所組成的磊晶系統。此系統有五種主 要的製程氣體如Si2H6, GeH4 , B2H6 , PH3 , Cl2 和吹除氣體氮氣(N2)，而反應 物 的 氣 體 流 率 都 被 密 封 金 屬 集 中 流 量 控 制 器(metal-sealed mass flow controller, MFC)精密的控制著。主腔體的壓力控制在約1x10^-7Pa下，加熱速 率約每分鐘150度的沈積生長速率。機台如圖2-5所式。

16

2.3.4.4 分子束磊晶系統

分子束磊晶系統(molecular beam epitaxy, MBE)是由J.R Arthur和A.Y Cho在1969年首先發展出來，是一種歸類於物理氣相磊晶(PVD)的技術，利 用在超高真空(pressure < 10^-10 torr)環境下，加熱對於蒸鍍源瓶(effusion cell) 控溫精密掌握材料源蒸鍍其分子，氣體分子在成長腔體內的平均自由路徑 (mean free path)大於蒸鍍源至基板之間的距離，可視為使蒸鍍物質以分子束 依直線行走而直接到達基板進行磊晶成長。由於分子束磊晶系統要求達到 超高真空，對於材料源的純度也要求達到至少6N(99.9999%)，故具有防止 其他雜質污染的最大優點。分子束磊晶系統在磊晶過程中可利用反射式高 能量電子繞射(reflected high energy electorn diffraction, RHEED)圖形之明暗 振盪頻率來觀察磊晶層成長的速度，因此可精準的控制各層磊晶層的厚 度。其結構示意圖如圖2-6。

17