半導體材料88課件

Semiconductormaterials

Lecturer:AiminLiu&WeifengLiu劉愛民劉維峰

12Chemicalvs.chemical/physicaletchingPurelychemicaletching(usingonlyreactiveneutralspecies)IsotropicetchingChemical+physicaletching(usingreactiveneutralspeciesandionicspecies)Anisotropicetching3Effectoftheinhibitor

w/oinhibitor=>Isotropicw/inhibitor=>Anisotropic5PlasmaassistedetchingDrychemicaletching(Plasmaetching)RFenergyisappliedtoaseparateelectrodewiththesubstratesgrounded.Materialisremovedfromthesubstratebychemicalmeans.PurelychemicaletchingGlowdischargeisusedtoproducechemicallyreactivespecies(atoms,radicals,orions)Reactive-ionEtching(RIE)IfRFenergyisappliedtothesubstratesinalowpressurehalogen-richenvironment,materialcanberemovedbybothchemicalmeansandionbombardmentofthesubstratesurface.Greatercontroloverlinewidthsandedgeprofilesispossiblewithoxides,nitrides,polysiliconandaluminum.Acombinationofphysical/chemicaletchingAccomplishedbyreplacingtheneutralgasinar.f.sputteringsystembyoneormorechemicalspeciesGlowdischargeisusedtoproducechemicallyreactivespecies(atoms,radicals,orions)andchemicallyinertionsHighlyanisotropicetching6濺射離子刻蝕原理及斜面刻蝕分析

1.刻面效應

2.再沉積效應

3.陰影效應

7910

表征方法1.霍爾效應測試2.X射線衍射方法（XRD）3.光致發(fā)光譜（PL）4.X射線光電子能譜（XPS）5.其他測試方法：掃描電子顯微鏡（SEM）、采用PMT920光電倍增、DF4810型晶體管特性圖示儀、KEITHLEY4200I-V測試系統(tǒng)

11半導體材料及器件工藝技術（一）

1發(fā)光器件材料及工藝技術2光伏器件材料及工藝技術13l<0.87μm1發(fā)光器件材料及工藝技術1415172光伏器件材料及工藝技術18在織構化硅襯底上制備的HIT太陽電池（HeterojunctionWithIntrinsicThinLayer）19濺射（sputtering）又叫陰極濺射（cathodicsputtering）。濺射鍍膜是一個PVD過程。通過用由稀有氣體在低真空下放電獲得的正離子轟擊置于陰極的固體表面（靶），使固體原子（或分子）從表面射出，進而以一定能量淀積在基片上，形成薄膜。與蒸發(fā)薄膜相比，由于濺射中的靶材料無相變，化合物不易分解，合金不易分餾，因此使用的膜材更為廣泛。在微米/納米技術中有廣泛的用途。如用于制備金屬膜、合金膜、半導體膜、氧化物、絕緣介質膜、化合物半導體膜、碳化物及氮化物，以及超導薄膜等。濺射鍍膜

21射頻濺射鍍膜法在靶陰極上的電位是相對0電位的基片的是一疊加在－4000V負高壓上作射頻變化的電壓。特點：淀積速率高，質量較好，幾乎適于所有材料。磁控濺射鍍膜法在電場的垂直方向加一磁場，電子在正交電磁場的空間里作擺線運動，大大提高離子流的密度，從而提高濺射效率。是一種理想的方法，已獲廣泛應用。+-22濺射閥值濺射閥值是指使靶原子發(fā)生濺射的入射離子所必須具有的最小能量。能量較小的荷電正離子并不能立即陰極材料中轟出原子。而只能使它們在其平衡位置加速振動。只有當獲得的能量超過其結合能，才可能從表面被濺射出來。濺射閾值取決于靶材料對于同一周期的元素，濺射閥值隨原子序數(shù)增加而減小。對絕大多數(shù)金屬來說，該值為10~30eV23離子成膜法離子鍍膜法是美國Sandia公司的D.M.Mattox于1963年首先提出來的，它是在真空條件下，靠直流電場引起放電，陽極兼作蒸發(fā)源，基片放在陰極上，在氣體離子和蒸發(fā)物質的轟擊下，將蒸發(fā)物質或其反應物鍍在基電底上。由于使用離子轟擊基片，可以獲得附著性更好，膜的硬度更高，厚更厚的薄膜。1-5kV原子離子25蒸發(fā)離子鍍離子鍍是在真空條件下，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物部分離化，產生離子轟擊效應，最終將蒸發(fā)物或反應物沉積在基片上。離子鍍集氣體輝光放電、等離子體技術、真空蒸發(fā)技術于一身，大大改善了薄膜的性能。優(yōu)點是：1、兼有真空蒸發(fā)鍍膜和濺射的優(yōu)點；2、所鍍薄膜與基片結合好；3、到達基片的沉積粒子繞射性好；4、可用于鍍膜的材料廣泛；5、沉積率高；6、鍍膜前對鍍件清洗工序簡單且對環(huán)境無污染。26成膜原理在離子鍍的過程中，存在兩種反的過程其一，淀積作用：淀積速率（m/min）：薄膜密度 g/cm3M：淀積物質的摩爾質量NA：質量阿佛伽德羅常數(shù)其二，剝離作用j：入射離子形成的電流密度（mA/cm2）鍍膜條件：n>nj27CVD薄膜生長29CVD化學反應Pyrolysis

irreversibleHydridereaction,SiH4(g)Si(s)＋2H2(g)Metal-organicreaction

MOCVD(CH3)3Ga(g)＋AsH3(g)GaAs(s)＋3CH4(g)Advantages: lowgrowthtemperature coldwallreactorDisadvantage: chemicalpurityandcost30CVD化學反應Disproportionation

irreversibleAsCl3(g)＋3Ga(s)3GaCl(g)＋1/4As4(g)3GaCl(g)＋1/2As4(g)2GaAs(s)＋GaCl3(g)Disadvantages: multizonefurnace lowgasflow lowreactionefficiency(<66%) systemcontamination(hotwall)31Plasma-EnhancedCVD32半導體材料及器件工藝技術（五）1刻蝕技術化學刻蝕、離子刻蝕、反應離子刻蝕2半導體材料及器件的測試33RF-poweredplasmaetchsystemRF-poweredplasmaetchsystem34PhysicalEtching?Notveryselectivesinceallmaterialssputterataboutthesamerate.?Physicalsputteringcancausedamagetosurface,withextentandamountofdamageadirectfunctionofionenergy(notiondensity).IonEnhancedEtching?Thechemicalandphysicalcomponentsofplasmaetchingdonotalwaysactindependently-bothintermsofnetetchrateandinresultingetchprofile.?FigureshowsetchrateofsiliconasXeF2gas(notplasma)andAr+ionsareintroducedtothesiliconsurface.Onlywhenbotharepresentdoesappreciableetchingoccur.?Etchprofilescanbeveryanisotopic,andselectivitycanbegood.NoplasmasputteringSILICONVLSITECHNOLOGYFundamentals,PracticeandModelingByPlummer,Deal&Griffin?2000byPrenticeHallUpperSaddleRiverNJ35Etchantsandetchproducts36PlasmaassistedetchingPlasmaassistedetchingsequenceTakeamoleculargasCF4EstablishaglowdischargeCF4+eCF3+

F+e RadicalsreactwithsolidfilmstoformvolatileproductSi+4F

SiF4Pumpawayvolatileproduct(SiF4)37（六）代表性的幾種半導體材料特性

及表征技術Elementalsemiconductor--Si,GeCompoundsemiconductorIV-IV---SiSiCIII-V----GaAs,GaSb,InP,InAs,II-VI---ZnO,ZnS,ZnSeAlloysBinary---Si1-xGexTenary---AlGaAs,AlInAs,Quatern