三五族化合物半導(dǎo)體課件

1、三五族化合物半導(dǎo)體PPT課件三五族化合物半導(dǎo)體PPT課件 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，CVD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。PVD的應(yīng)用大都局限在金屬膜的沉積上；而CVD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。 在目前的VLSI及ULSI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CVD法來沉積。第2頁/共33頁 經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，CVD已經(jīng)成為半導(dǎo)體生產(chǎn)過程中最重物理氣相淀積(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)

2、和電子束蒸發(fā)兩種濺射：真空系統(tǒng)中充入惰性氣體，在高壓電場作用下，氣體放電形成的離子被強電場加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上第3頁/共33頁物理氣相淀積(PVD)蒸發(fā)：在真空系統(tǒng)中，金屬原子獲得足夠的第4頁/共33頁第4頁/共33頁化學(xué)氣相沉積（CVD）也稱為氣相外延（Vaporphase epitaxy，VPE），是通過氣體化合物間的化學(xué)作用而形成外延層的工藝，CVD工藝包括常壓化學(xué)汽相淀積(APCVD)(Atmospheric pressure CVD)低壓化學(xué)汽相淀積(LPCVD)等離子增強化學(xué)汽相淀積(PECVD)(Plasma Enhanced CVD)金屬有機化學(xué)氣相沉

3、積（MOCVD）激光化學(xué)氣相沉積等化學(xué)氣相沉積（CVD）第5頁/共33頁化學(xué)氣相沉積（CVD）也稱為氣相外延化學(xué)氣相沉積（CVD）第CVD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)劑越過邊界擴散型材料表面。（2）反應(yīng)劑被吸附在基體材料表面，并進行化學(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，生長成薄膜。（4）反應(yīng)后的氣相產(chǎn)物離開基體材料表面，擴散回邊界層，并隨輸運氣體排出

4、反應(yīng)室。第6頁/共33頁CVD法的基本原理和過程第6頁/共33頁CVD工藝特點： （1）CVD成膜溫度遠(yuǎn)低于體材料的熔點。 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7頁/共33頁CVD工藝特點：第7頁/共33頁第8頁/共33頁第8頁/共33頁 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、金屬有機化合物(MOCVD)法和改進了的MOCVD法光激勵外延法等。MOCVD工藝主要通過金屬有機化合物在熱分解瞬

5、間實現(xiàn)與有關(guān)元素的化合、結(jié)晶并形成薄膜。改進的MOCVD法光激勵外延法，利用水銀燈進行照射，使金屬有機化合物發(fā)生光激勵反應(yīng)。已被用來制作異質(zhì)結(jié)及超晶格等新型元件。第9頁/共33頁 砷化鎵氣相外延第9頁/共33頁砷化鎵氣相外延CLVPE生長GaAs Ga/AsCl3/H2體系HVPE生長GaAs Ga/HCl/AsH3/H2體系第10頁/共33頁砷化鎵氣相外延CLVPE生長GaAs第10頁/共33頁砷化鎵氣相外延 CLVPE生長GaAs 反應(yīng)過程第11頁/共33頁砷化鎵氣相外延 CLVPE生長 CLVPE生長GaAs 工藝過程 襯底處理：拋光、化學(xué)腐蝕、清洗、烘干，裝入反應(yīng)室通AsCl3并加熱G

6、a源，Ga被As4飽和襯底區(qū)升溫至850，氣相腐蝕襯底1015min：通AsCl3產(chǎn)生的HCl與GaAs襯底反應(yīng)襯底處降溫至750 ，進行外延生長第12頁/共33頁 CLVPE生長GaAs襯底處理：拋 源組分穩(wěn)定性對外延層質(zhì)量的影響 Ga源的飽和過程： 未飽和飽和低溫處成核（硬殼）向高溫區(qū)擴展全殼 實踐表明：VPE生長時，表面保持全殼,外延 層質(zhì)量好（固體GaAs作鎵源使源區(qū)氣相組成 較穩(wěn)定，但固體GaAs源純度差） 保持完整的全殼，要保持氣相As分壓大于等于三相平 衡的As分壓以及溫度的穩(wěn)定。第13頁/共33頁 源組分穩(wěn)定性對外延層質(zhì)量的影響第13頁/共33頁第14頁/共33頁第14頁/共3

7、3頁 CLVPE生長GaAs 影響生長速度的因素 襯底溫度、襯底晶向、AsCl3分壓、氣體流速、反應(yīng)室壓力及所用載氣種類等多種因素有關(guān)第15頁/共33頁 CLVPE生長GaAs第15頁/共 CLVPE外延生長其他化合物 用In+PCl3+H2體系可以生長InP外延層 用Ga+PCl3+H2體系可以生長GaP外延層 由于AlCl3易與石英反應(yīng)管發(fā)生反應(yīng)，故不宜用CLVPE生長AlGaAs固溶體外延材料第16頁/共33頁 CLVPE外延生長其他化合物第16頁/共33頁 CLVPE生長優(yōu)點：設(shè)備簡單，可以沉積出高純 外延材料 缺點：由于GaCl是在源區(qū)由化學(xué)反應(yīng)生成 的，其分壓重現(xiàn)性較差 HVPE第

8、17頁/共33頁 CLVPE生長優(yōu)點：設(shè)備簡單，可以沉積出高純第1 HVPE生長GaAs 體系：Ga-HCl-AsH3-H2 主要反應(yīng) 優(yōu)點：Ga（GaCl）和As4（AsH3 ）的輸入量可以分別控制，并且AsH3的輸入可以在Ga源的下游，因此不存在Ga源飽和的問題，所以Ga源穩(wěn)定 CLVPE、HVPE生長GaAs中Si沾污 H2+HCl+SiO2 SiHCl+H2第18頁/共33頁 第18頁/共33頁MOCVD它是利用金屬有機物為原料，在單晶襯底上外延生長各種器件結(jié)構(gòu)材料，如太陽能電池，半導(dǎo)體激光器，發(fā)光管，各種微電子器件，探測器等材料它能生長高質(zhì)量的具有原子層或近于原子層的突變界面，是分子

9、束外延的竟?fàn)幷?。?9頁/共33頁MOCVD它是利用金屬有機物為原料，在單晶襯底上外延生長各種金屬有機化學(xué)汽相淀積（MOCVD）是在汽相外延生長（VPE）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型汽相外延生長技術(shù)。它采用族、族元素的有機化合物和族元素的氫化物等作為晶體生長原料，以熱分解反應(yīng)方式在襯底上進行汽相外延，生長各種-族、-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。MOCVD是在常壓或低壓（10kPa）下于通H2的冷壁石英反應(yīng)器中進行，襯底溫度為600-800，用射頻加熱石墨支架，H2氣通過溫度可控的液體源鼓泡攜帶金屬有機物到生長區(qū)。一般的MOCVD設(shè)備都由源供給系統(tǒng)、氣體輸運和流量控制系統(tǒng)、

10、反應(yīng)室及溫度控制系統(tǒng)、尾氣處理和安全防護及毒氣報警系統(tǒng)構(gòu)成。 第20頁/共33頁金屬有機化學(xué)汽相淀積（MOCVD）是在汽相外延生長（VPE）與常規(guī)的氯化物輸運外延（VPE）相比，MOCVD具有下列一系列優(yōu)點： （1）、適用范圍廣泛，幾乎可以生長所有化合物及合金半導(dǎo)體； （2）、非常適合于生長各種異質(zhì)結(jié)構(gòu)材料； （3）、可以生長超薄外延層，并能獲得很陡的界面過渡； （4）、生長易于控制； （5）、可以生長純度很高的材料； （6）、外延層大面積均勻性良好； （7）、可以進行大規(guī)模生產(chǎn)。MOCVD與另一種新型外延技術(shù)-分子束外延（MBE）相比，不僅具有MBE所能進行的超薄層、陡界面外延生長的能力，而

11、且還具有設(shè)備簡單、操作方便、便于大規(guī)模生產(chǎn)等特點，因而比MBE具有更大的實用價值。第21頁/共33頁與常規(guī)的氯化物輸運外延（VPE）相比，MOCVD具有下列一系基本原理RnM+XHnMX+nRH或 RnM+XRnMX+n(R-Rn)R、R為烷基，M為II、III族元素；X為V、 VI族元素第22頁/共33頁基本原理第22頁/共33頁MOVPE設(shè)備 氣體處理系統(tǒng)（源供給系統(tǒng)、氣體輸運和流 量控制系統(tǒng)） 反應(yīng)室（反應(yīng)室加熱及溫度控制系統(tǒng)） 尾氣處理 安全防護及毒氣報警系統(tǒng) 控制系統(tǒng)第23頁/共33頁MOVPE設(shè)備第23頁/共33頁 根據(jù)生長外延層的組分、厚度、結(jié)構(gòu)精確控 制其氣體濃度、送入時間、順

12、序、總氣體流 速以及襯底溫度等第24頁/共33頁 根據(jù)生長外延層的組分、厚度、結(jié)構(gòu)精確控第24頁/共3第25頁/共33頁第25頁/共33頁MOVPE生長GaAs工藝過程1.裝襯底，調(diào)整好源溫度、設(shè)定好流量2.抽真空，充H2，對于LPMOVPE，調(diào)整好反應(yīng) 室壓力3.升溫至300，通AsH3，形成As氣氛，防止 GaAs襯底受熱分解4.升溫至外延生長溫度（600）通TMG外延 生長5.生長結(jié)束停TMG降溫至300 ，再停AsH3第26頁/共33頁MOVPE生長GaAs工藝過程第26頁/共33頁影響GaAs外延層性質(zhì)的因素1常壓MOVPE ASH3/TMG對導(dǎo)電類型和載流子濃度的影響 ASH3/T

13、MG30 N型且比值大于30時表 面好，小于1015時，表面粗糙 外延層厚度對遷移率的影響 h增加，U77k增大，h=2530um達到極大后略下降 總雜質(zhì)濃度和生長溫度的關(guān)系 750600，T，n但低于600 ，表面粗糙 源純度對遷移率的影響第27頁/共33頁影響GaAs外延層性質(zhì)的因素第27頁/共33頁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（LPELiquid Phase Epitaxy）第28頁/共33頁液相外延法是由過冷合金液相(或過飽和合金液相)，在晶片

14、表面析優(yōu)點生長設(shè)備比較簡單；生長速率快；外延材料純度比較高；摻雜劑選擇范圍較廣泛；外延層的位錯密度通常比它賴以生長的襯底要低；成分和厚度都可以比較精確的控制，重復(fù)性好；操作安全。缺點當(dāng)外延層與襯底的晶格失配大于1%時生長困難；由于生長速率較快，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29頁/共33頁優(yōu)點第29頁/共33頁 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行外延生長。優(yōu)點：生長真空度高、溫度低和生長速度小。不足之處：成本昂貴且不適用于同時多個襯底生長。用途：（1）制備超晶格結(jié)構(gòu)； （2）生長具有多層結(jié)構(gòu)的薄膜外延層-各種異質(zhì)結(jié)。特點: (a)它是個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 (c) 測試設(shè)備先進，生長速度嚴(yán)格控制，低達每分鐘幾十納米。分子束外延法(MBEMolecular Beam Epitaxy)第30頁/共33頁 在超真空（10-610-9Pa）容器內(nèi)蒸發(fā)金屬，獲化學(xué)束外延CBE用氣態(tài)源代替固態(tài)源進行MBE生長，即所謂的氣態(tài)源MBE，稱為化學(xué)束外延生長 （Chemical