技术前沿｜MOCVD 外延生长技术：原理、挑战与未来展望

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【概要描述】ETA-Semitech®MOCVD外延系统能有效解决温度均匀性、掺杂均匀性、MO源利用率等问题

引言

金属有机化学气相沉积（Metal-organic Chemical Vapor Deposition MOCVD），是在气相外延生长（Vapor-Phase Epitaxy）基础上发展起来的一种新型气相外延生长技术。1968年由美国洛克威公司的Manasevit等人提出制备化台物单晶薄膜的一项新技术；到80年代初得以实用化。经过近20年的飞速发展，成为目前第三代半导体外延生长的关键技术之一。在半导体照明、通信、功率器件等领域发挥着核心作用。

MOCVD 工作原理

MOCVD是以Ⅲ族、Ⅱ族元素的有机化合物和V、Ⅵ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，以热分解反应方式在衬底上进行气相外延，生长各种Ⅲ-V族、Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体以及它们的多元固溶体的薄层单晶材料。

MOCVD 技术基于气相化学反应原理，其工作过程如下：

1，金属有机源（如 TMGa、TMIn 等）和气态反应物（如 NH₃、PH₃等）被载气（通常为 H₂或 N₂）带入反应室；

2，在高温衬底表面（通常为蓝宝石、SiC 等）发生热分解和化学反应；

3，分解产物在衬底表面迁移并沉积，形成外延层；

4，反应副产物被载气带出反应室。

MOCVD技术优势

1，能在较低的温度下制备高纯度的薄膜材料，减少了材料的热缺陷和本征杂质含量；

2，能达到原子级精度控制薄膜的厚度；

3，采用质量流量计易于控制化合物的组分和掺杂量；

4，通过气源的快速无死区切换，可灵活改变反应物的种类或比例，达到薄膜生长界面成分突变．实现界面陡峭；

5，能大面积、均匀、高重复性地完成薄膜生长．适用于工业化生产；

MOCVD 结构组成

【源供给系统】包括Ⅲ族金属有机化合物、V族氢化物及掺杂源的供给。金属有机化合物装在特制的不锈钢的鼓泡器中，由通入的高纯H2携带输运到反应室。为了保证金属有机化合物有恒定的蒸汽压，源瓶置入电子恒温器中，温度控制精度可达0.2℃以下。氢化物一般是经高纯H2稀释到浓度5%一10%后，装入钢瓶中，使用时再用高纯H2稀释到所需浓度后，输运到反应室。掺杂源有两类，一类是金属有机化合物，另一类是氢化物，其输运方法分别与金属有机化合物源和氢化物源的输运相同。

【气体输运系统】气体的输运管都是不锈钢管道。为了防止存储效应，管内进行了电解抛光。管道的接头用氢弧焊或VCR及Swagelok方式连接，并进行正压检漏及Snoop液体或He泄漏检测，保证反应系统无泄漏是MOCVD设备组装的关键之一。流量是由不同量程、响应时间快、精度高的质量流量计和电磁阀、气动阀等来实现。在真空系统与反应室之间设有过滤器，以防油污或其它颗粒倒吸到反应室中。为了迅速变化反应室内的反应气体，而且不引起反应室内压力的变化，设置“run”和“vent”，管道。

【反应室】反应腔室是 MOCVD 生长系统的核心部分，它对外延层的厚度、均匀性、质量以及杂质浓度都起着重要的作用。反应室的设计需要满足气体呈层流状态，而不至于形成湍流，从而实现反应室内气体流场和温度场的均匀分布，有利于源材料在衬底上的大面积高质量生长。反应室主要包括生长系统、加热系统、衬底托盘等部分。

【尾气处理系统】反应气体经反应室后大部分热分解，但还有部分尚未完全分解，因此尾气不能直接排放到大气中，因此必须先进行处理。

【安全保护及报警系统】为了安全，一般的MOCVD系统还备有高纯从旁路系统，在断电或其它原因引起的不能正常工作时，通入纯N2保护生长的片子或系统内的清洁。在停止生长期间也有常通高纯N2保护系统。

【手动和自动控制系统】一般MOCVD设备都具有手动和微机自动控制操作两种功能。在控制系统面板上设有阀门开关、各个管路气体流量、温度的设定及数字显示，如有问题会自动报警，操作者能及时了解设备运转的情况。

MOCVD主要类型

根据反应室结构和气体流动方式，MOCVD 设备可分为以下几种类型：

水平式 MOCVD：气体从反应室一端流入，水平流过衬底表面，然后从另一端流出。其结构相对简单，成本较低，易于维护。但由于气体在水平流动过程中容易受到阻力和温度等因素影响，难以保证气流在整个衬底表面均匀分布，进而影响薄膜生长的均匀性，通常适用于小尺寸衬底或科研用途。

垂直式 MOCVD：气体从反应室顶部或侧面垂直冲向衬底表面，能够更均匀地覆盖衬底，相比水平式可实现更好的均匀性。同时，垂直流动的气体有助于提高反应源气体与衬底的接触效率，从而可获得更高的生长速率。该类型设备适用于对薄膜均匀性要求较高的场合，如大规模集成电路制造等。

旋转盘式 MOCVD：衬底放置在旋转托盘上，托盘在反应室内旋转。在气体流动的同时，衬底不断旋转，使得气体在衬底表面的分布更加均匀，进一步提高了大面积均匀性，有利于生产大尺寸外延片。

喷淋式 MOCVD：通过特殊设计的喷淋头将反应气体均匀地喷洒到衬底表面，能够实现气体的高精度均匀分布，有效提高薄膜生长的均匀性和一致性。这种设备通常用于对薄膜质量要求极高的高端应用场景。

MOCVD技术挑战

尽管MOCVD能够精确控制材料的成分、厚度和掺杂浓度，为高性能光电器件的制备提供了技术支撑。随着半导体器件向更高性能、更小尺寸发展，MOCVD 技术也面临着诸多挑战。

1，流场均匀性控制 随着晶圆尺寸增大（如从6英寸向8英寸过渡），边缘与中心区域的气体停留时间差异、温度梯度引起的自然对流干扰，反应室流场均匀性难以保证，外延层厚度和成分不均匀。

2，温度均匀性控制 加热系统的热辐射分布不均、反应热对局部温度的影响，导致大尺寸衬底的温度均匀性难以实现，外延层质量难以控制。

3，MO 源输运与利用效率 金属有机源价格昂贵，许多MO源及其反应产物具有毒性，充分的利用和合理的尾气处理系统，不仅可以降低生产成本，还能降低对环境的污染。目前，MO 源的精确汽化与输运控制的流量控制、管路死体积导致的气体残留、反应室温度控制等问题成为MO源利用效率的主要技术难点。

4，缺陷控制 衬底与外延层之间的晶格失配、热膨胀系数差异等导致生长外延层存在缺陷（如位错、堆垛层错等），这些缺陷会严重影响器件性能。

5，颗粒污染控制 反应腔内的反应副产物沉积、机械振动引起的颗粒脱落，会导致外延层表面缺陷，降低器件良率。

ETA-Semitech®MOCVD外延系统

一塔半导体自主研发的ETA-Semitech®MOCVD外延系统是一款星型单腔多片的金属有机物产品气相化学沉积系统，可用于生长SiC、GaN外延。设备可兼容6/8英寸SiC晶圆，多项核心技术能有效解决温度均匀性、掺杂均匀性、MO源利用率等问题，降低缺陷密度，提升外延片良率，实现降本增效。

图：ETA-Semitech MOCVD ES600

技术发展趋势

1，大尺寸化 适应半导体产业降低成本的需求，设备向更大尺寸晶圆处理能力发展；

2，智能化控制 引入人工智能算法优化生长参数，实现自动化控制与工艺自学习；

3，多材料兼容 开发能够兼容多种材料体系（如 GaN、InP、GaAs 等）的通用型设备；

4，绿色制造 降低 MO 源消耗、减少尾气排放，实现更环保的生产工艺；

5，运用场景多元化 在电动汽车、5G/6G射频、量子器件、Mini/Micro LED 显示等领域市场前景广阔，运用场景持续拓展；

前景展望

尽管面临诸多技术挑战，但随着第三代半导体产业的快速发展，MOCVD 技术也迎来了前所未有的机遇。通过持续的研发投入和技术创新，未来 MOCVD 设备将朝着更高性能、更高可靠性、更低成本的方向发展，持续推动半导体产业向更高水平发展，在 5G 通信、新能源、人工智能等新兴领域发挥重要作用！

EFEM在半导体先进工艺中的核心作用与国产化崛起

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