第二章 基礎理論與文獻回顧
2.2 矽鍺薄膜合成方法
本節將介紹單晶矽鍺薄膜沈積部份，經由實驗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(Ultra High Vacuum Chemical Vapor Deposition, UHV/CVD)；超高真空化學分子磊晶法 (Ultra High Vacuum Chemical Molecular Epitaxy, UHVCME)；和分子束磊晶 法(Molecular Beam Epitaxy, MBE)。
2.2.1化學氣相沈積成長系統
化學氣相沈積(CVD)是最常用成長半導體、金屬、絕緣體薄膜之元件。
此成長系統是將反應物分子通過加熱區發生化學反應，並在基材(substrate) 表面沈積上薄膜之方法。由於化學氣相沈積系統成長的薄膜光滑緻密且均 勻並不受基材形狀大小的限制，故可大量生產，是目前在半導體工業上常 用之沉積薄膜的方法。其運用在矽鍺薄膜的生長方式有很多種，例如：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)、低能量等離子體增強化學氣相(Low Energy Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, LEPECVD)、快速升溫化學氣相沈積(Rapid Thermal Chemical Vapor Deposition, RTCVD)、超高真空化學氣相沈積(Ultra
High Vacuum Chemical Vapor Deposition, UHV/CVD)、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，系統原理則是大致相同。
超高真空化學氣相沈積(UHV/CVD)製程為低於10
-6
Pa (約為10-8
torr)之 低壓環境，薄膜成長的溫度大約在400 ℃-500 ℃，加熱方式為熱壁式 (hot-wall)，由一種或一種以上的氣體在固體表面上反應而產生固態產物，以矽烷(SiH
4
)[5]為反應氣體在晶片上沈積多晶矽薄膜。晶片所生之薄膜，源 於氣體分子或其他粒子，例如原子團(radical)和離子等佈滿在晶片上。這些 粒子因為發生化學反應產生固態粒子，然後沈積在晶片的表面上，或經表 面擴散作用而失去部份的動能後，被晶片表面所吸附而進行沈積。薄膜沈 積 的 原 理 依 發 生 的 順 序 ， 如圖2-1所 示 可 分 為 五 個 步 驟 ：(a)原子吸附 (adsorption)在基板上；(b)吸附原子間的遷徙(migration)，原子間彼此碰撞而 形成核(nucleation)狀；(c)原子成核後逐漸從小晶粒成長到大晶粒；(d)晶粒 間彼此聚集(coalescence)填補晶粒間的縫道；(e)沈積薄膜的成長。使用氣體 矽烷(SiH4
)與或鍺烷(GeH4
)，在高溫下通入腔體，進行化學反應，其製程化 學反應式如Gates等人在1990年所提出的矽(Si)反應式[5]SiH
4
(g)→ 2 Si2
H (s) + 1SiH3
(s) (2.1) 2SiH3
(s) →2Si +2H (s) + 2SiH2
(s) (2.2) 2SiH2
(s) →2SiH (s) + H2
(g) (2.3)2SiH (s) →2Si (s) + H
2
(g) (2.4) 而B. Cunningham 等人在 1991 年所提出的鍺(Ge)反應式[6]:2GeH
4
→2H (s) + 2GeH3
(s) (2.5) 2GeH3
(s) →2H (s) + 2GeH2
(s) (2.6) 2GeH2
(s) → 2GeH (s) + H2
(g) (2.7) 將上述矽與鍺兩反應式結合可得:2SiH
2
→2Si + 2H2
(g) (2.8) GeH4
→Ge + 2H2
(g) (2.9) 其中S 為基材(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，留下矽與鍺反應物於晶片上。另外，低壓化學氣相沈 積(LPCVD)方法之操作壓力範圍從 1 Torr 至 10 Torr 以上。通常成長 Si、SiGe 以及 SiGeC 薄膜時所通入的氣體為 SiH
4
、SiH2
、Cl2
、SiH3
CH3
、GeH4
、 CH4
以及 SiCH6
。2.2.2分子束磊晶系統
1969年，由A. Y. Cho 和 J. R. Arthur [7]率先發表分子束磊晶系統 (Molecular Beam Epitaxy, MBE)之物理氣相磊晶的技術，此乃利用在超高真 空的環境下，材料源所射出的分子與腔體內殘留氣體分子間的平均自由路 徑大於材料源至基板之間的距離，可視為使材料源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 於材料源的純度也高，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 裝 置(Reflected High Energy Electron Diffraction, RHEED)之繞射圖案以觀察磊晶層表面之平坦度 與結晶狀態，因此可精準的控制各層磊晶層的厚度。