半導(dǎo)體器件半導(dǎo)體工藝介紹薄膜淀積

1、半導(dǎo)體工藝簡介半導(dǎo)體工藝簡介物理與光電工程學(xué)院物理與光電工程學(xué)院張賀秋張賀秋參考書：參考書：芯片制造半導(dǎo)體工藝制程芯片制造半導(dǎo)體工藝制程實用教程實用教程，電子工業(yè)出版社，趙樹武，電子工業(yè)出版社，趙樹武等譯，等譯，2004-10薄膜淀積（沉積）為滿足微納加工工藝和器件要求，通常情況下關(guān)注為滿足微納加工工藝和器件要求，通常情況下關(guān)注薄膜的如下幾個特性：薄膜的如下幾個特性：1、臺階覆蓋能力臺階覆蓋能力2、低的膜應(yīng)力低的膜應(yīng)力3、高的深寬比間隙填充能力高的深寬比間隙填充能力4、大面積薄膜厚度均勻性、大面積薄膜厚度均勻性5、大面積薄膜介電、大面積薄膜介電電學(xué)電學(xué)折射率特性折射率特性6、高純度和高密度、高

2、純度和高密度7、與襯底或下層膜有好的粘附能力、與襯底或下層膜有好的粘附能力二種薄膜沉積工藝二種薄膜沉積工藝 化學(xué)氣相沉積（化學(xué)氣相沉積（chemical vapor deposition）利用化學(xué)反應(yīng)生成所需的薄膜材料，常用于各種介質(zhì)利用化學(xué)反應(yīng)生成所需的薄膜材料，常用于各種介質(zhì)材料和半導(dǎo)體材料的沉積，如材料和半導(dǎo)體材料的沉積，如sio2, poly-si, si3n4 物理氣相沉積（物理氣相沉積（physical vapor deposition）利用物理機(jī)制制備所需的薄膜材料，常用于金屬薄膜利用物理機(jī)制制備所需的薄膜材料，常用于金屬薄膜的制備，如的制備，如al, cu, w, ti化學(xué)氣相

3、沉積裝置化學(xué)氣相沉積裝置 一高溫和低溫一高溫和低溫cvd裝置裝置 二二. 低壓低壓cvd裝置裝置 三三. 激光輔助激光輔助cvd裝置裝置四四. 金屬有機(jī)化合物金屬有機(jī)化合物cvd裝置裝置五五. 等離子輔助等離子輔助cvd裝置裝置 金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（metal organic chemical vapor deposition ） 它是利用有機(jī)金屬如它是利用有機(jī)金屬如三甲基鎵三甲基鎵、三甲基鋁三甲基鋁等與等與特殊氣體如特殊氣體如砷化氫砷化氫、磷化氫磷化氫等，在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)等，在反應(yīng)器內(nèi)進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，并使反應(yīng)物沉積在襯底上，行化學(xué)反應(yīng)，并使反應(yīng)物沉積在襯底上， 而而得到薄膜材

4、料的生產(chǎn)技術(shù)。得到薄膜材料的生產(chǎn)技術(shù)。 特點：特點：使用有機(jī)金屬化合物作為反應(yīng)物。使用有機(jī)金屬化合物作為反應(yīng)物。 作為有機(jī)化合物原料必須滿足的條件：作為有機(jī)化合物原料必須滿足的條件：a）在常溫左右較穩(wěn)定，且容易處理。在常溫左右較穩(wěn)定，且容易處理。b）反應(yīng)生成的副產(chǎn)物不應(yīng)妨礙晶體生長，不應(yīng)污）反應(yīng)生成的副產(chǎn)物不應(yīng)妨礙晶體生長，不應(yīng)污染生長層。染生長層。c）為了適應(yīng)氣相生長，在室溫左右應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼簦榱诉m應(yīng)氣相生長，在室溫左右應(yīng)有適當(dāng)?shù)恼魵鈮海鈮海?torr）。）。 原料的優(yōu)點：原料的優(yōu)點： 這類化合物在較低的溫度即呈氣態(tài)存在，避免這類化合物在較低的溫度即呈氣態(tài)存在，避免了液態(tài)金屬蒸發(fā)的復(fù)雜過程

5、。了液態(tài)金屬蒸發(fā)的復(fù)雜過程。mocvd綜合評價：綜合評價：mocvd設(shè)備相對其他設(shè)備價格要貴，不光是設(shè)備相對其他設(shè)備價格要貴，不光是設(shè)備本身貴而且維護(hù)費(fèi)用也貴。設(shè)備本身貴而且維護(hù)費(fèi)用也貴。mocvd設(shè)備還是有很多優(yōu)勢的，一是設(shè)備還是有很多優(yōu)勢的，一是控制極控制極為精密，能生產(chǎn)出高質(zhì)量的材料；為精密，能生產(chǎn)出高質(zhì)量的材料；二是二是便于便于規(guī)?；a(chǎn)，只要材料研發(fā)成功極易轉(zhuǎn)產(chǎn)業(yè)規(guī)?；a(chǎn)，只要材料研發(fā)成功極易轉(zhuǎn)產(chǎn)業(yè)化?；?。所以使用所以使用mocvd設(shè)備是很多高校和科研設(shè)備是很多高校和科研單位的首選。單位的首選。 存在問題 設(shè)備復(fù)雜、投資大、外延生長速度慢、經(jīng)濟(jì)效益差。 對晶體平滑度、穩(wěn)定性和純度等

6、參數(shù)要過嚴(yán)格，缺陷和雜質(zhì)會導(dǎo)致外延膜表面缺陷密度大。 盡管已廣泛用于多種新型半導(dǎo)體器件制備，但其原子級生長機(jī)制仍很不清楚。mocvd設(shè)備物理沉積物理沉積pvd （physical vapor deposition） 采用蒸發(fā)或濺射等手段使固體材料變成蒸汽，并在基底表面凝聚并沉積下來。 沒有化學(xué)反應(yīng)出現(xiàn)，純粹是物理過程物理沉積方法物理沉積方法 thermal evaporation (熱蒸發(fā)熱蒸發(fā)) e-beam evaporation (電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)) sputtering (濺射濺射) filter vacuum arc (真空弧等離子體真空弧等離子體) thermal oxidat

7、ion (熱氧化) screen printing (絲網(wǎng)印刷) spin coating (旋涂法) electroplate (電鍍) molecular beam epitaxy (分子束外延)高真空高真空環(huán)境環(huán)境10-3 pa熱蒸發(fā)技術(shù)熱蒸發(fā)技術(shù) (thermal evaporation technique)蒸發(fā)工藝是最早出現(xiàn)的金屬沉積工藝鎢w(tm=3380) 鉭ta(tm=2980) 鉬mo(tm=2630) 熱蒸發(fā)-幾種典型結(jié)構(gòu) 擋板蒸發(fā)源晶振電子束蒸發(fā)電子束蒸發(fā)(e-beam evaporation technique)when v= 10 kvelectron velocit

8、y = 6104 km/stemperature 5000-6000 e-beam evaporation machine濺射技術(shù)濺射技術(shù) (sputtering)濺射技術(shù)基本原理：在真空腔中兩個平板電極中充有稀薄惰性氣體，在施加電壓后會使氣體電離，離子在電場的加速下轟擊靶材(陰極)，在使靶材上撞擊(濺射)出原子，被撞擊出的原子遷移到襯底表面形成薄膜。驅(qū)動方式： 直流型 dc diode 射頻型 rf diode 磁場控制型 magnetron離子濺射技術(shù)物理過程1234分子束外延 是一種可在原子尺度上精確控制外延厚度、摻雜和界面平整度的薄膜制備技術(shù)。物理沉積單晶薄膜方法；在超高真空腔內(nèi)，源材料通過高溫蒸發(fā)、輝光放電離子化、氣體裂解，電子束加熱蒸發(fā)等方法，產(chǎn)生分子束流。入射分子束與襯底交換能量后，經(jīng)表面吸附、遷移、成核、生長成膜。 主要用于半導(dǎo)體薄膜制備（超薄膜、多層量子結(jié)、超晶格）； 新一代微波器件和光電子器件的主