半导体工艺简介半导体工艺简介物理与光电工程学院物理与光电工程学院张贺秋张贺秋参考书：芯片制造半导体工艺制程参考书：芯片制造半导体工艺制程实用教程，电子工业出版社，赵树武实用教程，电子工业出版社，赵树武等译，等译，2004-10薄膜淀积（沉积）为满足微纳加工工艺和器件要求，通常情况下关注为满足微纳加工工艺和器件要求，通常情况下关注薄膜的如下几个特性：薄膜的如下几个特性：1、台阶覆盖能力台阶覆盖能力2、低的膜应力低的膜应力3、高的深宽比间隙填充能力高的深宽比间隙填充能力4、大面积薄膜厚度均匀性、大面积薄膜厚度均匀性5、大面积薄膜介电、大面积薄膜介电电学电学折射率特性折射率特性6、高纯度和高密度、高纯度和高密度7、与衬底或下层膜有好的粘附能力、与衬底或下层膜有好的粘附能力二种薄膜沉积工艺二种薄膜沉积工艺化学气相沉积（化学气相沉积（Chemical Vapor Deposition）利用化学反应生成所需的薄膜材料，常用于各种介质利用化学反应生成所需的薄膜材料，常用于各种介质材料和半导体材料的沉积，如材料和半导体材料的沉积，如SiO2, poly-Si, Si3N4物理气相沉积（物理气相沉积（Physical Vapor Deposition）利用物理机制制备所需的薄膜材料，常用于金属薄膜利用物理机制制备所需的薄膜材料，常用于金属薄膜的制备，如的制备，如Al, Cu, W, Ti化学气相沉积装置化学气相沉积装置 一高温和低温一高温和低温CVD装置装置 二二. 低压低压CVD装置装置 三三. 激光辅助激光辅助CVD装置装置四四. 金属有机化合物金属有机化合物CVD装置装置五五. 等离子辅助等离子辅助CVD装置装置 金属有机化学气相沉积金属有机化学气相沉积（Metal organic chemical vapor deposition ） 它是利用有机金属如它是利用有机金属如三甲基镓三甲基镓、三甲基铝三甲基铝等与等与特殊气体如特殊气体如砷化氢砷化氢、磷化氢磷化氢等，在反应器内进等，在反应器内进行化学反应，并使反应物沉积在衬底上，行化学反应，并使反应物沉积在衬底上， 而而得到薄膜材料的生产技术。得到薄膜材料的生产技术。 特点：特点：使用有机金属化合物作为反应物。使用有机金属化合物作为反应物。作为有机化合物原料必须满足的条件：作为有机化合物原料必须满足的条件：a）在常温左右较稳定，且容易处理。在常温左右较稳定，且容易处理。b）反反应应生生成成的的副副产产物物不不应应妨妨碍碍晶晶体体生生长长，不不应应污污染生长层。染生长层。c）为为了了适适应应气气相相生生长长，在在室室温温左左右右应应有有适适当当的的蒸蒸气压（气压（1Torr）。）。 原料的优点：原料的优点： 这这类类化化合合物物在在较较低低的的温温度度即即呈呈气气态态存存在在，避避免免了液态金属蒸发的复杂过程。了液态金属蒸发的复杂过程。MOCVD综合评价：综合评价：MOCVD设备相对其他设备价格要贵，不光是设备相对其他设备价格要贵，不光是设备本身贵而且维护费用也贵。设备本身贵而且维护费用也贵。MOCVD设备还是有很多优势的，一是设备还是有很多优势的，一是控制极控制极为精密，能生产出高质量的材料；为精密，能生产出高质量的材料；二是二是便于便于规模化生产，只要材料研发成功极易转产业规模化生产，只要材料研发成功极易转产业化。化。所以使用所以使用MOCVD设备是很多高校和科研设备是很多高校和科研单位的首选。单位的首选。 存在问题设备复杂、投资大、外延生长速度慢、经济效益差。对晶体平滑度、稳定性和纯度等参数要过严格，缺陷和杂质会导致外延膜表面缺陷密度大。尽管已广泛用于多种新型半导体器件制备，但其原子级生长机制仍很不清楚。MOCVD设备物理沉积物理沉积PVD （Physical Vapor Deposition）采用蒸发或溅射等手段使固体材料变成蒸汽，并在基底表面凝聚并沉积下来。没有化学反应出现，纯粹是物理过程物理沉积方法物理沉积方法Thermal Evaporation (热蒸发热蒸发)E-beam Evaporation (电子束蒸发电子束蒸发)Sputtering (溅射溅射) Filter Vacuum Arc (真空弧等离子体真空弧等离子体)Thermal Oxidation (热氧化)Screen Printing (丝网印刷)Spin Coating (旋涂法) Electroplate (电镀)Molecular Beam Epitaxy (分子束外延)高真空高真空环境环境10-3Pa热蒸发技术热蒸发技术 (Thermal Evaporation Technique)蒸发工艺是最早出现的金属沉积工艺钨W(Tm=3380)钽Ta(Tm=2980)钼Mo(Tm=2630)热蒸发-几种典型结构挡板蒸发源晶振电子束蒸发电子束蒸发(E-beam Evaporation Technique)whenV=10kVElectronVelocity=6104km/sTemperature5000-6000E-beam Evaporation Machine溅射技术溅射技术 (Sputtering)溅射技术基本原理：在真空腔中两个平板电极中充有稀薄惰性气体，在施加电压后会使气体电离，离子在电场的加速下轰击靶材(阴极)，在使靶材上撞击(溅射)出原子，被撞击出的原子迁移到衬底表面形成薄膜。驱动方式：直流型DCDiode射频型RFDiode磁场控制型Magnetron离子溅射技术物理过程1234分子束外延是一种可在原子尺度上精确控制外延厚度、掺杂和界面平整度的薄膜制备技术。物理沉积单晶薄膜方法；在超高真空腔内，源材料通过高温蒸发、辉光放电离子化、气体裂解，电子束加热蒸发等方法，产生分子束流。入射分子束与衬底交换能量后，经表面吸附、迁移、成核、生长成膜。主要用于半导体薄膜制备（超薄膜、多层量子结、超晶格）；新一代微波器件和光电子器件的主要技术方法经典范例GaAs薄膜的生长优点源和衬底分别进行加热和控制，生长温度低，可形成超精细结构。生长速度低，容易在过程中控制，有利于生长多层异质结构是一个动力学过程，可以生长一般热平衡生长难以得到的晶体。生长过程中，表面处于真空中，利于实时监控检测。