第三代半导体制造工艺案例.ppt

3.3第三代半导体材料(宽带隙半导体材料)，由Si代表，由第一代半导体材料GaAs代表，由第二代半导体材料SiC和GaN代表的宽带材料，第三代半导体材料。还在开发中，包括材料本身和设备开发。半导体材料的开发、半导体材料的单晶制备及外延技术的开发和突破，以及由于以下原因，出现了宽带间隙半导体材料。开发高温、高导热、高压特性、高温(300)、高输出和低损耗电子装置。高亮度发光管，可获得非常重复、长寿命的全色，包括白光光源、短波长激光、小光束斑点大小、高密度数据光存储和紫外线探测器。近年来，随着半导体器件应用领域的扩大，特别是在高温、强辐射、高功率等环境下，需要半导体适应的情况变得专门化，现有的第一代、第二代半导体也无可奈何。钻石、SiC、GaN、AlN等被称为第三代宽带间隙半导体材料的研究引人注目。这些材料的带隙宽度超过2eV，具有一系列优秀的物理和化学特性。主要半导体材料的基本特性、SiC材料和设备的特定应用、高频电源设备：相控阵雷达、通信系统、固相超高频广播系统、高频电源、电子干扰(干扰和威胁)和预警系统；大功率装置：电力电子、电涌保护器、电动汽车的功率调节、电子调节器(变速器)、固相灯镇流器；高温装置：喷气发动机传感器、变速器和控制电子、航天飞机功率调节电子和传感器、深井钻井信号发射器、工业工艺测试和控制仪器、无干扰电子点火装置、汽车发动机传感器；生长GaN、AlN、钻石等的基板。Sic的结构，四面体单元，每个原子在四个异种原子包围的原子之间定向的强四面体SP3键，在一定程度上决定了极化，SP3杂化轨道，四面体单元，SiC的结构，SiC具有强离子共价键，离子对键的贡献约为12%，键是稳定的结构。SiC具有较高的debye温度，达到1200-1430K，以确定所有外部效果的材料稳定性、机械和化学方面的优秀技术特性。SiC是天然超晶格，以及典型同质多型，SiC的结构，Si，c二元子积累顺序的差异导致其他晶体结构形成巨大的SiC同质多型族，目前已知的有200多个。在SiC同质多型中最重要，目前更成熟、研究最多的是立方型的3C-SiC和6字形的尾2H，4H，6H-SiC。SiC结构，SiC结构图a)3c-SiC；b)2h-sic；c)4h-sic；D)6H-SiC。a) abcabc.3c-sicb) abb.2h-sic；C) abcba BCB ，4h-sicd) abcacb ，6h-sic，sic良好的物理和化学特性，机械特性3360高硬度(k3b硬度3000kg/mm2)，拼音可切割；高耐磨性，钻石次级。热特性：的热导率是金属铜的3倍，GaAs的8-10倍，热性能好，在高功率设备中非常重要。SiC的热稳定性高，不能在大气压下熔化SiC。化学性：具有很强的耐蚀性，在室温下几乎可以抵抗所有已知的蚀刻剂。SiC表面容易氧化SiO2薄层，防止进一步氧化。此SiO2层在高于1700oC时熔化，从而快速发生氧化。SiC可溶于熔融氧化剂物质。电气特性：4H-SiC和6H-SiC的带隙大约是Si的3倍，GaAs的2倍。屈服电场的强度比Si的一个级别高，饱和电子漂移速度是Si的2.5倍。4H-SiC的频带间隙比6H-SiC大。，SiC块单晶的制造，T(K)，(平衡)，相对，(不平衡)，SiC多型结构与加热温度的关系，SiC块单晶的制造，与Si材料不同，SiC材料不能通过熔融拉来准备单晶材料。主要是因为在现有实验条件下可以达到的压力条件下，SiC没有熔点，在1800oC以上时会升华为气体。在当前实验条件下可实现的温度条件下，c在Si熔体中的溶解度也很小。熔融生长法不能用于SiC单晶的生长。1824年，瑞典科学家J.JacobBerzelius试图制造钻石时偶然发现了这种新化合物。1885年，Acheson用电弧熔炼法增长了SiC，但用这种方法形成的SiC的质量未达到批量生产SiC设备所需的SiC单晶的质量要求。1955年，飞利浦实验室的瑞利首先在实验室用升华法制造了足够大小的SiC单晶，以控制杂质的数量和种类。具体过程：设计空腹圆筒，将工业级SiC块放入碳坩埚中加热到2500oC，SiC将发生相当大的分解和升华，产生Si和SiC的蒸汽，根据高温炉形成的温度梯度作用，在低温方向和低温下凝聚，形成SiC晶体。这是增长的动力是温度梯度的“升华-凝结”过程。SiC块单晶体的制造，SiC晶体，高温热源，SiC粉末，多孔石墨，SiC蒸汽，SiC种子晶体，低温热源，绝缘系统，SiC块单晶的制造，用于SiC单晶生长的圆柱形双壁坩埚装置，大体积SiC单晶生长的基本工艺原料的分解升华升华源SiC粉末放置在圆柱双壁坩埚的中间层。在大约1900oC的高温下，SiC蒸汽必须通过坩埚内层的高纯微孔石墨薄壁过滤杂质，然后扩散到温度较低的晶体生长区。世界主要的SiC单晶基板供应商(如美国Cree、日本Sixon)使用增强的Lely方法生长块SiC单晶体。SiC块单晶体的制造，高温化学气相沉积法(HTCVD)HTCVD方法类似于升华时使用的系统，但将种子晶体放在坩埚顶部的连续晶种物理气相输送法(CF-PVT)CF-PVT方法直接向生长区注入高纯净碳(例如高纯硅和多孔石墨板)，防止了使用普通SiC粉末引起的污染，并在生长过程中该方法生长速率高，单晶电子陷阱少，电性能好。SiC块单晶体的制造，2004年日本丰田中央研究研究室的中村等表示，在Nature maz发现了使碳化硅晶片便宜、用途广泛、性能更稳定的新方法。他们提出了“重复a面增长法”。将11，和1，00称为面a，将面a，将和称为轴a。步骤1:沿生长方向继承种子晶体的高密度电位的测定。步骤23360因为大部分电位垂直于第一个a面的生长方向存在，所以结果晶体表面的电位数大大减少。因此，第二个a面增长继承少量电位。步骤3:仅沿垂直于c轴的方向继承堆叠层错误，因此通过c面增长消除上述增长过程中产生的堆叠层错误。研究结果表明，用这种方法生长的SiC单晶，通过传统方法生长的SiC单晶的结晶度有了很大改善，表面腐蚀坑的密度有了很大减少。用这种材料制造的翅片管的可靠性大大提高。SiC块单晶制备，SiC膜制备，主要方法升华液相外延溅射脉冲激光沉积分子束外延化学气相沉积，SiC膜制备，1 .升华升华方法升华方法通常采用固体源，生长速度高(400m/h)，远远超过其他方法的生长速度，但生长得不好，尺寸小。，2 .液相外延方法该方法通常采用熔融硅作为溶剂，碳作为溶质，形成SiC的过饱和溶液。生长过程中，生长层和过饱和层保持热平衡状态，以液相外延方式生长的SiC单晶薄膜质量好，载体孔移动率高，微管缺陷的密度和深度低，光学特性好，SiC蓝光二极管材料以液相外延方式生长。液相外延的缺点是，批量生产不容易，掺杂更难。3 .溅射法溅射是在真空系统中填充少量所需气体(Ar、N2等)的原理。气体分子在强电场下电离，产生辉光放电。气体电离由电场加速，产生大量的电荷，形成高能离子流。它撞击阴极表面，阴极表面的原子突出，以自由原子形态、反应气体分子形态或与其余气体分子复合的形式堆积在基板上，形成薄膜层。SiC薄膜制备，-sic薄膜外延至Si(111)和Al2O3(0001)。最佳生长条件基板的加热温度为1200-1300oC，激光能量为40-50mJ/脉冲；目标能量密度0.5-1J/cm2/脉冲；脉冲频率1-2hz；背景真空210-7Pa。4 .脉冲激光沉积将准分子激光产生的强脉冲激光束集中在目标表面，通过目标吸收激光束的能量，其温度迅速上升到蒸发温度以上，形成局部高浓度等离子体。这些等离子体继续与激光束作用，吸收激光束的能量，产生额外的电离以形成高温高压等离子体。高温高压等离子体经过绝热膨胀释放过程，经过快速冷却，到达目标另一侧基板，然后在上面沉积膜。SiC胶片准备，5 .分子束外延超真空(10-8Pa)条件下蒸发源给定中性分子束强度的精确控制，基板上的外延薄膜技术。生长在非热平衡条件下完成，受力学限制。生长温度低，生长速度慢，外延膜质量好。典型的分子束外延系统为使用高能电子衍射(RHEED)等设备研究材料的特定生长细节提供了条件。但是分子束外延装置有一些缺点，由于反应源的限制，所有材料都不能准备好。增长速度太慢，不适合工业生产等。SiC胶片准备，6 .化学气相沉积、SiC薄膜制备、化学气相沉积(CVD)是通过空间气相化学反应将固体薄膜沉积在基板表面的工艺技术。化学气相沉积的原物质可以是气体，也可以是固体或液体状态。可以控制薄膜的成分，合成可用于制造半导体、金属和绝缘体等各种薄膜的新结构。CVD设备有多种类型，可以根据反应室的形状水平和垂直划分；根据生长时的气压分为大气压力和低气压。生长时根据反应室的冷却状态分为热壁和冷壁。目前SiC电源装置基本上是用化学气相沉积法制造的SiC薄膜制成的；最成熟、最成功的是CVD方法、SiC薄膜制备、独特优势(1)通过精确控制各种气体的流动，可以精确控制薄膜的厚度、成分和导电类型的气象反应。(2)能制造适合批量生产的大面积高均匀外延薄膜。(3)灵活的气源路径控制技术自动控制增长过程，减少随机因素，增加过程可重复性。化学气相沉积，SiC膜制备，水平热壁烟囱热壁垂直冷壁(d)行星热壁，典型CVD反应室图，化学气相沉积，SiC膜制备，80年代初，水平冷壁石英管从Si基板获取单晶3C-SiC膜，使用的源气为SiH4，为了降低温度，生长Sic的原料使用了同时包含si和c的物质，例如C3H3SiCl3等。在Si(100)基板1100-1350oC之间沉积3C-SiC薄膜，使用无毒不连续性有机物质C7H20Si2作为反应源。，气源，化学气相沉积，SiC薄膜的制备，化学气相沉积，丰富的Si，丰富的c，c面的Si，丰富的Si面的c，Si面，4H-SiCC面和Si面不同来源气体比例的SiC薄膜的表面形态，SiC装置研究，1 .sic工艺技术；氧化：SiC被氧化，SiO2、SiC可能被氧化(干氧和湿氧)；阳极氧化和离子注入氧化。考虑氧化膜的质量和氧化率，一般采用干燥氧湿氧干燥氧结合的方法。(b)光刻：除了用化学蚀刻和热蚀刻成型SiC微截面外，还可以使用等离子体活性高、密度高、能量小、对晶片表面的损伤小的反应离子蚀刻(RIE)和微波电子回旋共振(ECR)等离子体蚀刻。离子刻蚀后，损伤可以通过退火消除。(c)掺杂：(1)通过SiC薄膜外延生长的竞争外延。也就是说，n原子占据SiC晶格的碳位置，Al原子占据SiC晶格的硅位置，通过更改气体来源中的Si/C比，有效地控制杂质流入。(2)SiC材料化学稳定性高，一般掺杂元素扩散速度很慢，高温扩散技术不适合，一般使用离子注入。杂质的浓度、分布及注入深度可以通过注入容量和离子能量进行精确控制。b和N可以在室温下注入，Al和P必须在高温下同时注入Al C和N P，单个注入Al或P效果不好，注入后形成的晶格损伤可以通过高温退火消除。(d)金属化：(1)SiC的阻塞带宽，大多数金属膜和SiC形成肖特基整流接触，通过极高掺杂SiC表面层或金属-半导体接触的超合金化退火，形成欧姆接触。(2)欧姆接触可通过Al-Ti合金在p型SiC外延层形成；Ti、Ni、Ag合金蒸发到n型SiC，形成欧姆接触，TiC也可以与n型SiC形成欧姆接触。(e)绝缘边缘技术和钝化：现场板技术、绝缘环、节点端子扩展等。用作介质和保护层的有Si3N4、AlN、Al2O3等。SiC设备研究，2 .主要SiC设备、SiC设备研究、商用蓝光发光二极管(LED)肖特基势垒二极管(SBD)、蓝光LED使用6H-SiC包含柱状杂质氮和柱状杂质铝时，与这两种杂质相关的主柱-主柱SBD在半导体中没有少量托架存储，没有反向恢复电流，因此交换机速度快，交换机损失小。1992年，美国北卡罗来纳大学电力半导体研究中心首次报道了他们开发成功的切断电压达到400V的6H-SiCSBD。2001年，SiCSBD开始商业化，目前SiCSBD切断了1.2kV的电压，已从Cree进入市场。最近，Cree成功开发了SiCPiN二极管，可将超高功率(10kV，50A)正向压力降低到3.75V。连接的双反应室MOCVD系统物理图，如Si基板上3C-SiC薄膜的异质外延，不锈钢外墙，石墨底座，热屏蔽，电源接口，电源接口，石墨加热器，石墨屏蔽层，Si