《族化合物半導(dǎo)體》PPT課件.ppt

1、半導(dǎo)體材料,外延生長,外延是在單晶上生長一層同質(zhì)或異質(zhì)的薄膜層。,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,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

2、沉積。,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，在高壓電場作用下，氣體放電形成的離子被強(qiáng)電場加速，轟擊靶材料，使靶原子逸出并被濺射到晶片上,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(qiáng)化學(xué)汽相淀積(PE

3、CVD)(Plasma Enhanced CVD) 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD） 激光化學(xué)氣相沉積等,化學(xué)氣相沉積（CVD）,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(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，生長成薄膜。 （4）反應(yīng)后的氣相產(chǎn)物離開基體材料表面，擴(kuò)散回邊界層，并隨輸運

4、氣體排出反應(yīng)室。,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,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)生光激勵反

5、應(yīng)。已被用來制作異質(zhì)結(jié)及超晶格等新型元件。,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,砷化鎵氣相外延,CLVPE生長GaAs 反應(yīng)過程,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Ga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(jìn)行外延生長,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(kuò)展全殼 實踐表明：VPE生長時，

6、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。,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),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,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

7、源區(qū)由化學(xué)反應(yīng)生成 的，其分壓重現(xiàn)性較差 HVPE,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,MOCVD,它是利用金屬有機(jī)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， 是分子束外延的竟?fàn)幷摺?金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積（M

8、OCVD）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(jī)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(jìn)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(jìn)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(jī)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)、反應(yīng)室及溫度控制系統(tǒng)、尾氣處理和安全防護(hù)及毒氣報警系統(tǒng)構(gòu)成。,與常規(guī)的氯化物輸運外延（VPE）相比，MOCVD具有下列

9、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(jìn)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(jìn)行的超薄層、陡界面外延生長的能力，而且還具 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。,基本原理 RnM+XHnMX+nRH 或 RnM+XRnMX+n(R-Rn) R、R為烷基，M為II、I

10、II族元素；X為V、 VI族元素,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(hù)及毒氣報警系統(tǒng) 控制系統(tǒng),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、順序、總氣體流 速以及襯底溫度等,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,影響GaAs外

11、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/TMG30 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(dá)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,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）,優(yōu)點 生長設(shè)備比較簡單； 生長速率快；

12、 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。,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。 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(jìn)，生長速度嚴(yán)格控制，低達(dá)每分鐘幾十納米。,分子束外延法(MBEMolecular Beam Epitaxy),化學(xué)束外延CBE,用氣