三五族化合物半导体课件.pptx
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- 三五 化合物 半导体 课件
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1、三五族化合物半导体PPT课件 经过数十年的发展,经过数十年的发展,CVDCVD已经成为半导体已经成为半导体生产过程中生产过程中最重要的薄膜沉积方法最重要的薄膜沉积方法。PVDPVD的的应应用大都用大都局限局限在金属膜的沉积在金属膜的沉积上;而上;而CVDCVD几乎所几乎所有的半导体元件所需要的薄膜有的半导体元件所需要的薄膜,不论是导体,不论是导体,半导体,或者介电材料,都可以沉积。半导体,或者介电材料,都可以沉积。在目前的在目前的VLSIVLSI及及ULSIULSI生产过程中,除生产过程中,除了某些材料还在用溅镀法之外,如铝硅铜合金了某些材料还在用溅镀法之外,如铝硅铜合金及钛等,所有其他的薄膜
2、均用及钛等,所有其他的薄膜均用CVDCVD法来沉积。法来沉积。第2页/共33页物理气相淀积(PVD)蒸发:在真空系统中,金属原子获得足够的能量后便可以脱离金属表面的束缚成为蒸汽原子,淀积在晶片上。按照能量来源的不同,有灯丝加热蒸发和电子束蒸发两种 溅射:真空系统中充入惰性气体,在高压电场作用下,气体放电形成的离子被强电场加速,轰击靶材料,使靶原子逸出并被溅射到晶片上第3页/共33页第4页/共33页化学气相沉积(化学气相沉积(CVDCVD)也称为也称为气相外延气相外延(VaporVaporphase epitaxyphase epitaxy,VPEVPE),是通过气体化合物间的化学作用而形成外延
3、层的工艺,是通过气体化合物间的化学作用而形成外延层的工艺,CVDCVD工工艺包括艺包括 常压化学汽相淀积常压化学汽相淀积(APCVD)(APCVD)(Atmospheric pressureAtmospheric pressure CVD)低压化学汽相淀积低压化学汽相淀积(LPCVD)LPCVD)等离子增强化学汽相淀积等离子增强化学汽相淀积(PECVD)(PECVD)(Plasma EnhancedPlasma Enhanced CVD)金属有机化学气相沉积(金属有机化学气相沉积(MOCVDMOCVD)激光化学气相沉积等激光化学气相沉积等化学气相沉积(化学气相沉积(CVDCVD)第5页/共33
4、页CVD法的基本原理和过程法的基本原理和过程 化学气相沉积是利用气态物质在一固体材料表面上进行化学反应,生成固态沉积物的过程。CVD在本质上是一种材料的合成过程,其主要步骤有:(1)反应剂被携带气体进入反应器后,在基体材料表面附近形成边界后,然后在主气流中的反应剂越过边界扩散型材料表面。(2)反应剂被吸附在基体材料表面,并进行化学反应。(3)化学反应生成的固态物质,即所需要的沉积物,在基体材料表面成核,生长成薄膜。(4)反应后的气相产物离开基体材料表面,扩散回边界层,并随输运气体排出反应室。第6页/共33页CVDCVD工艺特点:工艺特点:(1 1)CVDCVD成膜温度远低于体材料的熔点。成膜温
5、度远低于体材料的熔点。因此减因此减轻了衬底片的热形变,减少了玷污,抑制了轻了衬底片的热形变,减少了玷污,抑制了 缺陷缺陷生成生成;设备简单,重复性好;设备简单,重复性好;(2 2)薄膜的成分精确可控;)薄膜的成分精确可控;(3 3)淀积速率一般高于)淀积速率一般高于PVDPVD(如蒸发、溅射等)如蒸发、溅射等)(4 4)淀积膜结构完整、致密,与衬底粘附性好)淀积膜结构完整、致密,与衬底粘附性好。(5 5)极佳的覆盖能力极佳的覆盖能力第7页/共33页第8页/共33页 砷化镓气相外延砷化镓气相外延砷化镓气相外延又可分为砷化镓气相外延又可分为氯化物法、砷烷氯化物法、砷烷镓源镓源法、金属有机化合物法、
6、金属有机化合物(MOCVD)(MOCVD)法法和改进了的和改进了的MOCVDMOCVD法法光激励外延法光激励外延法等。等。MOCVDMOCVD工艺主要通过金属有机化合物在热分解瞬间工艺主要通过金属有机化合物在热分解瞬间实现与有关元素的化合、结晶并形成薄膜。实现与有关元素的化合、结晶并形成薄膜。改进的改进的MOCVDMOCVD法法光激励外延法,利用水银灯进行光激励外延法,利用水银灯进行照射,使金属有机化合物发生光激励反应。已被照射,使金属有机化合物发生光激励反应。已被用来制作异质结及超晶格等新型元件。用来制作异质结及超晶格等新型元件。第9页/共33页砷化镓气相外延 CLVPE生长GaAs Ga/
7、AsCl3/H2体系 HVPE生长GaAs Ga/HCl/AsH3/H2体系第10页/共33页砷化镓气相外延 CLVPE生长GaAs 反应过程第11页/共33页 CLVPE生长GaAs 工艺过程 衬底处理:抛光、化学腐蚀、清洗、烘干,装入反应室通AsCl3并加热Ga源,Ga被As4饱和衬底区升温至850,气相腐蚀衬底1015min:通AsCl3产生的HCl与GaAs衬底反应衬底处降温至750 ,进行外延生长第12页/共33页 源组分稳定性对外延层质量的影响 Ga源的饱和过程:未饱和饱和低温处成核(硬壳)向高温区扩展全壳 实践表明:VPE生长时,表面保持全壳,外延 层质量好(固体GaAs作镓源使
8、源区气相组成 较稳定,但固体GaAs源纯度差)保持完整的全壳,要保持气相As分压大于等于三相平 衡的As分压以及温度的稳定。第13页/共33页第14页/共33页 CLVPE CLVPE生长生长GaAsGaAs 影响生长速度的因素 衬底温度、衬底晶向、AsCl3分压、气体流速、反应室压力及所用载气种类等多种因素有关第15页/共33页 CLVPECLVPE外延生长其他化合物外延生长其他化合物 用In+PCl3+H2体系可以生长InP外延层 用Ga+PCl3+H2体系可以生长GaP外延层 由于AlCl3易与石英反应管发生反应,故不宜用CLVPE生长AlGaAs固溶体外延材料第16页/共33页 CLV
9、PE生长优点:设备简单,可以沉积出高纯 外延材料 缺点:由于GaCl是在源区由化学反应生成 的,其分压重现性较差 HVPE第17页/共33页 HVPE生长GaAs 体系:Ga-HCl-AsH3-H2 主要反应 优点:Ga(GaCl)和As4(AsH3 )的输入量可以分别控制,并且AsH3的输入可以在Ga源的下游,因此不存在Ga源饱和的问题,所以Ga源稳定 CLVPE、HVPE生长GaAs中Si沾污 H2+HCl+SiO2 SiHCl+H2第18页/共33页MOCVD它是利用金属有机物为原料,在单晶它是利用金属有机物为原料,在单晶衬底上外延生长各种衬底上外延生长各种器件结构材料,如太阳能电池,半
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