三五族化合物半導(dǎo)體PPT課件

1、薄膜制備技術(shù) 1物理氣相沉積（Physical Vapor Deposition，PVD） 2化學(xué)氣相沉積（Chemical Vapor Deposition，CVD） 3氧化法（高壓氧化法） 4電鍍法 5涂敷、沉淀法 第1頁(yè)/共17頁(yè) 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，CVDCVD已經(jīng)成為半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中已經(jīng)成為半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中最重要的薄膜沉積方法最重要的薄膜沉積方法。PVDPVD的的應(yīng)用大都應(yīng)用大都局限局限在金屬膜的沉積在金屬膜的沉積上；而上；而CVDCVD幾乎所有的半導(dǎo)體元件所需要的薄膜幾乎所有的半導(dǎo)體元件所需要的薄膜，不論是導(dǎo)體，半導(dǎo)體，或者介電材料，都可以沉積。不論是導(dǎo)體，半導(dǎo)體，

2、或者介電材料，都可以沉積。 在目前的在目前的VLSIVLSI及及ULSIULSI生產(chǎn)過程中，除了某些材料還在用濺鍍法之外，如鋁生產(chǎn)過程中，除了某些材料還在用濺鍍法之外，如鋁硅銅合金及鈦等，所有其他的薄膜均用硅銅合金及鈦等，所有其他的薄膜均用CVDCVD法來沉積。法來沉積。第2頁(yè)/共17頁(yè)物理氣相淀積物理氣相淀積(PVD) 蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的能量后便可以脫離金屬表面的束縛成為蒸汽原子，淀積在晶片上。按照能量來源的不同，有燈絲加熱蒸發(fā)和電子束蒸發(fā)兩種 濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場(chǎng)作用下，氣體放電形成的離子被強(qiáng)電場(chǎng)加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上第3頁(yè)/

3、共17頁(yè)化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相沉積（CVDCVD）也稱為也稱為氣相外延氣相外延（VaporVaporphase epitaxyphase epitaxy，VPEVPE），是通過氣體化合物間的化學(xué)作用而形成外延層的工藝，是通過氣體化合物間的化學(xué)作用而形成外延層的工藝，CVDCVD工藝包括工藝包括 常壓化學(xué)汽相淀積常壓化學(xué)汽相淀積( (APCVD)(APCVD)(Atmospheric pressure CVD) ) 低壓化學(xué)汽相淀積低壓化學(xué)汽相淀積( (LPCVD)LPCVD) 等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積等離子增強(qiáng)化學(xué)汽相淀積( (PECVD)(PECVD)(Plasma Enhanced CVD)

4、 ) 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVDMOCVD） 激光化學(xué)氣相沉積等激光化學(xué)氣相沉積等化學(xué)氣相沉積（CVDCVD）第4頁(yè)/共17頁(yè)CVD法的基本原理和過程法的基本原理和過程 化學(xué)氣相沉積是利用氣態(tài)物質(zhì)在一固體材料表面上進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成固態(tài)沉積物的過程。CVD在本質(zhì)上是一種材料的合成過程，其主要步驟有：（1）反應(yīng)劑被攜帶氣體進(jìn)入反應(yīng)器后，在基體材料表面附近形成邊界后，然后在主氣流中的反應(yīng)劑越過邊界擴(kuò)散型材料表面。（2）反應(yīng)劑被吸附在基體材料表面，并進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。（3）化學(xué)反應(yīng)生成的固態(tài)物質(zhì)，即所需要的沉積物，在基體材料表面成核，生長(zhǎng)成薄膜。（4）反應(yīng)后的氣相產(chǎn)物離開基體

5、材料表面，擴(kuò)散回邊界層，并隨輸運(yùn)氣體排出反應(yīng)室。第5頁(yè)/共17頁(yè)CVD工藝特點(diǎn)： （1）CVD成膜溫度遠(yuǎn)低于體材料的熔點(diǎn)。 因此減輕了襯底片的熱形變，減少了玷污，抑制了 缺陷生成; 設(shè)備簡(jiǎn)單，重復(fù)性好； （2）薄膜的成分精確可控； （3）淀積速率一般高于PVD（如蒸發(fā)、濺射等） （4）淀積膜結(jié)構(gòu)完整、致密，與襯底粘附性好。 （5）極佳的覆蓋能力第6頁(yè)/共17頁(yè)第7頁(yè)/共17頁(yè)MOCVD它是利用金屬有機(jī)物為原料，在單晶襯底上外延生長(zhǎng)各種器件結(jié)構(gòu)材料，如太陽(yáng)能電池，半導(dǎo)體激光器，發(fā)光管，各種微電子器件，探測(cè)器等材料它能生長(zhǎng)高質(zhì)量的具有原子層或近于原子層的突變界面，它能生長(zhǎng)高質(zhì)量的具有原子層或近于原

6、子層的突變界面，是分子束外延的竟?fàn)幷?。是分子束外延的竟?fàn)幷?。?頁(yè)/共17頁(yè) 金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積（金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積（MOCVDMOCVD）是在）是在汽相外延汽相外延生長(zhǎng)（生長(zhǎng)（VPEVPE）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型汽相外的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型汽相外延生長(zhǎng)技術(shù)。它采用延生長(zhǎng)技術(shù)。它采用族、族、族元素的有機(jī)化合族元素的有機(jī)化合物和物和族元素的氫化物族元素的氫化物等作為等作為晶體生長(zhǎng)原料，晶體生長(zhǎng)原料，以以熱分解反應(yīng)方式熱分解反應(yīng)方式在襯底上在襯底上進(jìn)行汽相外延進(jìn)行汽相外延，生長(zhǎng)各，生長(zhǎng)各種種-族、族、-族化合物半導(dǎo)體以及它們的多族化合物半導(dǎo)體以及它們的多元固溶體的薄膜層單晶材料。元固溶

7、體的薄膜層單晶材料。MOCVDMOCVD是在常壓或是在常壓或低壓（低壓（10kPa10kPa）下于通）下于通H2H2的冷壁石英反應(yīng)器中的冷壁石英反應(yīng)器中進(jìn)行，襯底溫度為進(jìn)行，襯底溫度為600-800600-800，用射頻加熱石墨，用射頻加熱石墨支架，支架，H H2 2氣通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬氣通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機(jī)物到生長(zhǎng)區(qū)。一般的有機(jī)物到生長(zhǎng)區(qū)。一般的MOCVDMOCVD設(shè)備設(shè)備都由源供給都由源供給系統(tǒng)、氣體輸運(yùn)和流量控制系統(tǒng)、反應(yīng)室及溫度系統(tǒng)、氣體輸運(yùn)和流量控制系統(tǒng)、反應(yīng)室及溫度控制系統(tǒng)、尾氣處理和安全防護(hù)及毒氣報(bào)警系統(tǒng)控制系統(tǒng)、尾氣處理和安全防護(hù)及毒氣報(bào)警系統(tǒng)構(gòu)成

8、。構(gòu)成。 第9頁(yè)/共17頁(yè)與常規(guī)的氯化物輸運(yùn)外延（VPEVPE）相比，MOCVDMOCVD具有下列一系列優(yōu)點(diǎn)： （1 1）、適用范圍廣泛，幾乎可以生長(zhǎng)所有化合物及合金半導(dǎo)體； （2 2）、非常適合于生長(zhǎng)各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料； （3 3）、可以生長(zhǎng)超薄外延層，并能獲得很陡的界面過渡； （4 4）、生長(zhǎng)易于控制； （5 5）、可以生長(zhǎng)純度很高的材料； （6 6）、外延層大面積均勻性良好； （7 7）、可以進(jìn)行大規(guī)模生產(chǎn)。MOCVDMOCVD與另一種新型外延技術(shù)-分子束外延（MBEMBE）相比，不僅具有MBEMBE所能進(jìn)行的超薄層、陡界面外延生長(zhǎng)的能力，而且還具有設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便、便于大規(guī)模生產(chǎn)等特點(diǎn)

9、，因而比MBEMBE具有更大的實(shí)用價(jià)值。 第10頁(yè)/共17頁(yè) 砷化鎵氣相外延砷化鎵氣相外延又可分為氯化物法、砷烷鎵源法、金屬有機(jī)化合物(MOCVD)法和改進(jìn)了的MOCVD法光激勵(lì)外延法等。MOCVD工藝主要通過金屬有機(jī)化合物在熱分解瞬間實(shí)現(xiàn)與有關(guān)元素的化合、結(jié)晶并形成薄膜。改進(jìn)的MOCVD法光激勵(lì)外延法，利用水銀燈進(jìn)行照射，使金屬有機(jī)化合物發(fā)生光激勵(lì)反應(yīng)。已被用來制作異質(zhì)結(jié)及超晶格等新型元件。第11頁(yè)/共17頁(yè)液相外延法是由過冷合金液相(或過飽和合金液相)，在晶片表面析出，使之形成外延層。液相外延生長(zhǎng)法應(yīng)用較早，現(xiàn)已逐漸被其他新方法（如MOCVD法及MBE法）所取代。 液相外延法（LPELPE

10、Liquid Phase EpitaxyLiquid Phase Epitaxy）第12頁(yè)/共17頁(yè)優(yōu)點(diǎn)生長(zhǎng)設(shè)備比較簡(jiǎn)單；生長(zhǎng)速率快；外延材料純度比較高；摻雜劑選擇范圍較廣泛；外延層的位錯(cuò)密度通常比它賴以生長(zhǎng)的襯底要低；成分和厚度都可以比較精確的控制，重復(fù)性好；操作安全。缺點(diǎn)當(dāng)外延層與襯底的晶格失配大于1%1%時(shí)生長(zhǎng)困難；由于生長(zhǎng)速率較快，難得到納米厚度的外延材料；外延層的表面形貌一般不如氣相外延的好。第13頁(yè)/共17頁(yè) 在超真空（10-610-9Pa）容器內(nèi)蒸發(fā)金屬，獲得金屬分子束，并使之碰撞在基片上進(jìn)行外延生長(zhǎng)。優(yōu)點(diǎn)：生長(zhǎng)真空度高、溫度低和生長(zhǎng)速度小。不足之處：成本昂貴且不適用于同時(shí)多個(gè)襯

11、底生長(zhǎng)。用途：用途：（1）制備超晶格結(jié)構(gòu)；）制備超晶格結(jié)構(gòu)； （2）生長(zhǎng)具有多層結(jié)構(gòu)的薄膜外延層）生長(zhǎng)具有多層結(jié)構(gòu)的薄膜外延層-各種異質(zhì)結(jié)。各種異質(zhì)結(jié)。特點(diǎn)特點(diǎn): (a)它是個(gè)超高真空的物理淀積過程，不考慮化學(xué)反應(yīng)和質(zhì)它是個(gè)超高真空的物理淀積過程，不考慮化學(xué)反應(yīng)和質(zhì) 量傳輸，膜的組份和雜質(zhì)濃量傳輸，膜的組份和雜質(zhì)濃度因源而調(diào)整；度因源而調(diào)整；(b)它的溫度最低，有效控制自摻雜和襯底熱分解它的溫度最低，有效控制自摻雜和襯底熱分解 (c) 測(cè)試設(shè)備先進(jìn)，生長(zhǎng)速度嚴(yán)格控制，低達(dá)每分鐘幾十納米。測(cè)試設(shè)備先進(jìn)，生長(zhǎng)速度嚴(yán)格控制，低達(dá)每分鐘幾十納米。分子束外延法(MBE(MBEMolecular Beam Epitaxy)Molecular Beam Epitaxy)第14頁(yè)/共17頁(yè)化學(xué)束外延CBE 用氣態(tài)源代替固態(tài)源進(jìn)行MBE生長(zhǎng)，即所謂的氣態(tài)源MBE，