金屬有機氣相沉積(MOCVD)系統與分子束磊晶(MBE)系統，是 目前最廣泛使用的磊晶技術。金屬有機氣相沉積系統最主要的優點是 能達到高生產量與一次成長多晶圓的特性；而分子束磊晶系統則可以 精準的控制厚度及磊晶區域以及摻雜層的雜質能均勻分佈。在這一章 裡，將會介紹金屬有機化學氣相沉積系統與分子束磊晶系統，以及此 元件製程的步驟。
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2- -- -1 1 1 1 磊晶成長系統介紹 磊晶成長系統介紹 磊晶成長系統介紹 磊晶成長系統介紹
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2- -- -1 11 1- -- -1 11 1 金屬有機氣相沉積 金屬有機氣相沉積 金屬有機氣相沉積(MOCVD) 金屬有機氣相沉積 (MOCVD) (MOCVD)系統介紹 (MOCVD) 系統介紹 系統介紹 系統介紹
隨著半導體元件發展，各式各樣的元件如:光發射器 LED、光感測 器PIN、APD 以及各種高速電晶體，例如：FET、HEMT、HBT 等，
對材料的品質要求與材料種類愈來愈多。於是GaAs，InP，InGaAs，
InGaP，InGaAsP，II-V 之 ZnS 等材料逐漸被開發使用。另外元件結 構愈趨複雜、雜質及純度控制要求提高、厚度控制愈來愈薄和尺寸愈 來愈小，如：Quantum well，Quantum wire，Quantum dot …。MOCVD 製程能符合上述要求，因此被廣泛應用。以下我們將對 MOCVD 作 詳細的介紹：
MOCVD 系統 系統 系統： 系統 ： ： ：
(1) 原料部分：氫化物氣體均裝入高壓鋼瓶，經壓力調整器降壓後，
由流量控制器設定流量，流入反應腔。有機金屬幾乎是以液態 存於鋼瓶中，由溫度及載送氣體(H2)精密控制適量送入反應腔。
(2) 氣體處理部份：含開關、控制閥、流量計、排放管等。將所有 原料在量上作精密控制，送入反應腔或排放管，對晶膜之組成 濃度，厚度達到所需求之規格。
(3) 反應腔部份：反應腔有垂直式、煙囪式、水平式及桶狀式等。
內有石墨材質之載物架放置基板，生產面積及均勻性是其規格 要求。
(4) 電力及控制部分：反應腔為冷管式，用 RF 感應加熱，溫度由 熱電偶控制可電腦化。
圖2-1 MOCVD 成長腔
MOCVD 生長過程 生長過程 生長過程 生長過程
生長過程是將反應原料由氣相擴散或對流穿過邊界層(Boundary layer)達到基板表面。若基板表面反應速率夠快，生長速率由反應物 到達基板表面之量決定，增加反應物濃度就增加生長速率。生長速率 由反應物濃度決定時，對生長溫度不敏感，當反應物濃度在基板表面 增加到超過基板反應速率，則生長速度由基板表面反應速率決定，生 長溫度決定生長速率。
MOCVD 系統優點及應用 系統優點及應用 系統優點及應用 系統優點及應用
MOCVD 是目前商用上最受歡迎的磊晶方法，因為:
(1) 有機金屬原料有多重選擇，且純度、來源、價格、穩定度 及處理方便性都較 Halid CVD 為佳。
(2) 不需高真空，系統價格低，維修容易。
(3) 不需要溶劑(與LPE 比較)。
(4) 磊晶膜表面平滑，多重結構生長控制容易，摻雜易控制。
(5) 可量產。
MOCVD(Metal Organic Chemical Vapor Deposition)又稱 OMCV 或 MOVPE 或 OMVPE。MO(Metal-Organic)或 OM(Organo-metallics) 在化學上MO 係指金屬連接一個氧、硫、氮或磷原子，再轉接一個或 多個碳原子;而 OM 則是將金屬原子直接接上一個或多個碳原子。
MOCVD 使用有機金屬原料之蒸氣內所含的無機成分來生長薄膜 的一種氣相沉積技術。有機金屬原料中之有機部份(含碳部分)決定其 蒸氣壓之大小，分解難易和分解產物等，在 MOCVD 流行之前，最 常用的生長GaAs 技術為鹵化物氣相沉積法(Halide CVD) 其使用鎵元 素為鎵原料，使用三氯化砷(AsCl3)或砷化元素為砷化原料。為了使非 氣態的鎵能由原料區進入生長區，將鹽酸蒸氣(HCl(g))與鎵反應產生氣 態的氯化鎵(GaCl)以便傳送主生長區，再與砷反應，即得 GaAs film，
Halid CVD 仍有下列缺點:
(1) 至少須二個高溫區，溫度控制不易。
(2) 反應釋放熱反應，故需用熱管式系統.反應腔石英管之腐蝕 污染不易防止。
(3) 反應式均是可逆反應，故生長參數之控制相當困難，任一 參數之改變，均可導致蝕刻而非成長。
(4) 不允許大量載運氣體，因會將HCl 吹至沉積區 (HCl 為酸性 會蝕刻)導致蝕刻,若蝕刻速率>沉積速率。則成長轉成蝕 刻，Halid CVD 是接近平衡點之放熱反應，成長參數需嚴格 控制，而MOCVD 則可離開平衡點甚遠之吸熱反應，可去 除上述缺點。
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2- -- -1 11 1- -- -2 22 2 分子束磊晶 分子束磊晶 分子束磊晶(MBE)系統介紹 分子束磊晶 系統介紹 系統介紹 系統介紹
分子束磊晶是一種高精度的單晶薄膜生長技術，對於半導體製程 技術是相當重要的一項發展，在 1970 年代初期，由貝爾實驗室的 John Arthor 及華裔的卓以和博士共同發展出來的，不但可成長高品質且高 純度的磊晶層，對於量子井(Quantum Well)、單原子層摻雜(δ-doping) 及超晶格(Superlattice)等薄層結構，提供所需的準確厚度與摻雜濃度 控制，對於異質接面的成長控制也是之前磊晶法無法比擬的，因此成 為微波元件磊晶的主流技術之ㄧ。
MBE 系統 系統 系統 系統
(1) 原料部分：典型的有 Al、As、Be (P 型摻雜)及 Ga、In、Si (N 型摻雜)面對基板做為元素源，元素源的爐口有快門控制開 關，蒸鍍的速率由爐管的溫度所控制。因為成長時會有高 溫，所以必須藉由水或異丙醇循環以冷卻爐管。
(2) 磊晶成長速度：典型成長 InGaAs、AlGaAs、GaAs 磊晶層速 度為 0.5~1 µm/h 之間，過多的 As 通量並不影響磊晶速度。
一般而言，As 對 Ga 的比例必須維持在 20 左右，以避免形 成 Ga 過多的表面。
(3) 分子束通量監視器與基板加熱器：毎一次成長前，每個元素 源的通道會由基板背面的分子束通量監視器測量。在材料成
長前，基板會先經由基板加熱器加熱到接近 600℃。另外為了 使磊晶薄膜的化學組成及厚度均勻，基板的承載座必須以垂 直基板表面的方面不斷的旋轉，通常基板的承載座會以大約 7.5rpm 的速度旋轉。
(4) 反應式高能量電子繞射儀：反應式高能量電子繞射儀利用能 量為 5~50keV 的電子束入射試片表面以偵測試片表面的原 子結構，藉以得知試片的磊晶情形與清潔度。
(5) 質譜儀：質譜儀用來偵測異質氣體量如 H2O、O2、CO 及 N2， 是在可忍受的範圍內。
圖2-2 分子束磊晶系統示意圖
MBE 生長過程 生長過程 生長過程 生長過程
先將待成長的晶片放置在一個超高真空(~10-10mmHg)的反應室 中，所需成長的材料則放在反應室一端的爐管中。當爐溫升至一定溫 度時，爐中的材料會以原子束或分子束的型式蒸發出來，此時基板也 被加熱至一適當的溫度。當分子束射至基板時，就會與基板表面的原 子結合而形成磊晶。磊晶成長的速率完全由單位時間內射到基板表面 的分子數目決定，這可以很容易的由裝置成長材料爐管的爐溫所控 制，一般成長的速率約為一秒鐘成長0.1 層至 3 層原子。由於速度慢，
所以可以很精確的控制磊晶層的厚度。每個爐管的前端有一快門控制 開關，決定磊晶層的起始點和終止點，控制這些開關的順序就可以得 到多層的磊晶結構。
分子束磊晶技術的發明將半導體元件帶入一個嶄新的領域。過去 元件的大小用微米（10-6 m）計算，以分子束磊晶系統作出來的元件 大小則可用埃（10-10 m）來計算，我們甚至可以準確到用原子的層數 來計算磊晶的厚度。當這些磊晶層薄到約100 Å 時，傳統分析電子運 動的方式已不再適用，而必須考慮到量子效應。
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2- -- -2 2 2 2 元件製程步驟 元件製程步驟 元件製程步驟 元件製程步驟
為了建立製程圖案樣本，所以使用標準的微影與移除技術。而為 了保持晶圓的純度，則必須在每個製程步驟之前用丙酮加入超音波震
動器清洗，再利用去離子水清洗晶圓片，並且使用高純度的氮氣吹乾 以維持晶圓片的清潔。而如圖2-3 所示的元件製程有以下四個步驟:
(1) 樣本定位 (Sample Orienting)。
(2) 高台絕緣 (Mesa Isolation)。
(3) 源極和汲極金屬化 (Source And Drain Metallization)。
(4) 閘極蕭基接觸 (Gate Schottky Contact Formation)。
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2- -- -2 22 2- -- -1 11 1 樣本定位 樣本定位 樣本定位 樣本定位
閘極的方向必須平行於橢圓形主軸去防止移除製程時所產生的開 路現象。這也是為什麼我們要選擇閘極為(100)方向，並且在高台蝕刻 選用(011)方向的原因。
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2- -- -2 22 2- -- -2 22 2 高台絕緣 高台絕緣 高台絕緣 高台絕緣
高台絕緣的目的在於減少漏電流產生。若是能減少漏電流量，元 件可以得到較好的夾止特性。在晶圓片上覆蓋均勻 AZ1400 光阻，把 高台圖案微影至樣本上，再利用化學濕蝕刻。在 GaAs，AlGaAs 和 InGaAs 各層中蝕刻溶液 H3PO4 : H2O2 : H2O = 1 : 1 : 30。
接著必須確保元件高台蝕刻至緩衝層或基底層，為了有準確的蝕 刻速率，利用 γ 波探測蝕刻時間與深度間的關係。而高台蝕刻的主要 步驟如下:
(1) 烘烤。
(2) 上光阻,旋轉使覆蓋光阻均勻。
(3) 軟烤(曝光前烘烤)。
(4) 曝光。
(5) 顯影。
(6) 硬烤。
(7) 蝕刻。
(8) 移除光阻。
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2- -- -2 22 2- -- -3 3 3 源極 3 源極 源極 源極( (( (Source))))和 和 和汲 和 汲 汲 汲極 極 極 極( (( (Drain))))金屬化 金屬化 金屬化 金屬化
利 用 丙 酮 加 入 超 音 波 震 盪 器 中 清 洗 晶 圓 ， 並 用 氨 水 溶 液 ( NH4OH:H2O = 1 : 1 )去移除氧化層表面。晶圓被 AZ1400 光阻覆蓋均 勻後在 90 度下 30 分鐘，之後則是利用標準的微影製程定義出汲極和 源極的圖形。蒸鍍的金屬與覆蓋板必須用丙酮和鹽酸在超音速震盪器 中清洗 20 分鐘後，用去離子水洗滌並用高純度氮氣吹乾.在源極和汲 極的連接金屬是利用合金Au/Ge/Ni 在事先蒸鍍的 Au 上，為了就是減 少連接的電阻值。移除步驟是為了讓圖案和樣本間在快速熱退火中有 好的熔解，使其有好的歐姆接觸特性。而主要源極和汲極金屬化步驟 如下:
(1) 烘烤。
(2) 上光阻,旋轉使覆蓋光阻均勻。
(3) 軟烤(曝光前烘烤)。
(4) 曝光。
(5) 顯影。
(6) 移除。
(7) 蒸鍍。
(8) 合金連接。
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2- -- -2 22 2- -- -4 44 4 閘極蕭基接觸 閘極蕭基接觸 閘極蕭基接觸 閘極蕭基接觸
在閘極金屬蒸鍍前，必須利用蝕科技術先移除覆蓋層。若是沒有 完全移除乾淨，則會有並聯效應產生。運用源極和汲極為閘極光罩，
所以並不需要運用到光學微影製程。再利用Au 蒸鍍在 AlGaAs 上，
形成蕭基接觸。在移除步驟後，場效電晶體元件算是完成。而閘極蕭 基接觸主要步驟與源極和汲極金屬化步驟大致相同，只是少了合金連 接的步驟。
步驟一步驟一步驟一步驟一
第三章 第三章 第三章
第三章 高速電晶體工作原理 高速電晶體工作原理 高速電晶體工作原理 高速電晶體工作原理
3-1 高電子移動率電晶體工作原理 高電子移動率電晶體工作原理 高電子移動率電晶體工作原理 高電子移動率電晶體工作原理
高電子移動率電晶體(HEMT)和雙極性異質接面電晶體(HBT)是 III-V 族化合物半導體近代較成熟的元件，元件的操作主要仰賴異質 接面。元件中異質接面因有不同的組成成分及能隙產生，例如：
GaAs/AlGaAs 或 InGaAs/InP。目前這些新發展的元件在微波和高速數 位積體電路中比單一接面元件提供更好的電位特性。在 HEMT 中設 計磊晶層結構是為了讓自由電子在通道中自己由施體離子中分開，進 而改善基座的性能，遠比典型的 MESFETs 來的好。
圖 3-1 基本 HEMT 幾何結構圖
由圖 3-2 可看出電子速度在高純度砷化鎵比在高濃度摻雜的砷化 鎵快。溫度若降到77K，不論在高純度砷化鎵或在高濃度的砷化鎵，
電子速度都比300K 快。
kT mv
E
kin2 3 2
1
2=
=
圖3-2 砷化鎵中電子速度與電場及溫度的關係圖
高純度砷化鎵中的電子在半導體中的電子遷移率主要受兩種散射
高純度砷化鎵中的電子在半導體中的電子遷移率主要受兩種散射