第三代半导体材料制造工艺PPT课件下载推荐.ppt

1、相控阵雷达、通信系统、固相 UHF 广播系统、高频功率供应、电子干扰（干扰与威胁）和预警系统；u 大功率器件：用于功率产生系统的功率电子、电涌抑制器、电动汽车的功率调节、电子调节器（传动装置）、固相电灯镇流器；u 高温器件：喷气发动机传感器、传动装置及控制电子、航天飞机功率调节电子及传感器、深井钻探用信号发射器、工业过程测试及控制仪器、无干扰电子点火装置、汽车发动机传感器；u 作为生长 GaN、AlN、金刚石等的衬底。SiC 的结构的结构 u 四面体单元，每种原子被四个异种原子所包围u 原子间通过定向的强四面体 SP3 键结合在一起，并有一定程度的极化 SP3 杂化轨道 四面体单元 SiC 的

2、结构的结构 uSic 具有很强的离子共价键，离子性对键合的贡献约占12%,决定了它是一种结合稳定的结构。uSiC 具有很高的德拜温度，达到1200-1430 K,决定了该材料对于各种外界作用的稳定性，在力学、化学方面有优越的技术特性。SiC 是一种天然超晶格，又是一种典型的同质多型体是一种天然超晶格，又是一种典型的同质多型体 SiC 的结构的结构 Si、C 双原子层堆积序列的差异会导致不同的晶体结构，从而形成了庞大的SiC同质多型族，目前已知的就有200多种多种。SiC同质多型族中最重要的，也是目前比较成熟的、人们研究最多的是立方密排的立方密排的 3C-SiC 和六方密排的六方密排的 2H、4

3、H 和和 6H-SiC。SiC 的结构的结构 SiC结构示意图a）3C-SiC；b）2H-SiC；c）4H-SiC；d）6H-SiC。a）ABCABC,3C-SiCb）ABAB,2H-SiC；c）ABCBABCB,4H-SiCd）ABCACB,6H-SiC SiC 优良的物理和化学性能优良的物理和化学性能 u 力学性质力学性质:高硬度（克氏硬度为3000 kg/mm2），可以切割红宝石；高耐磨性，仅次于金刚石。u 热学性质热学性质:热导率超过金属铜，是 Si 的3倍，是 GaAs 的 8-10 倍，散热性能好，对于大功率器件非常重要。SiC 的热稳定性较高，在常压下不可能熔化 SiC。u 化学

4、性质化学性质:耐腐蚀性非常强，室温下几乎可以抵抗任何已知的腐蚀剂。SiC 表面易氧化生成 SiO2 薄层，能防止其进一步氧化，在高于1700 oC 时，这层 SiO2 熔化并迅速发生氧化反应。SiC能溶解于熔融的氧化剂物质。u 电学性质电学性质:4H-SiC 和 6H-SiC 的带隙约是 Si 的三倍，是 GaAs 的两倍；其击穿电场强度高于 Si 一个数量级，饱和电子漂移速度是 Si 的2.5倍。4H-SiC 的带隙比 6H-SiC 更宽。SiC 块材单晶的制备块材单晶的制备 T（K）（平衡）相对量（非平衡）SiC 多型结构与加热温度的关系 SiC 块材单晶的制备块材单晶的制备 不同于Si材

5、料，SiC材料无法用熔体提拉法进行单晶材料的制备，主要是因为u 在现有的实验条件所能达到的压力条件下，SiC没有熔点，而只是在1800 oC以上时升华为气态。u 在目前实验条件所能达到的温度条件下，C 在 Si 熔体中的溶解度也非常小。熔融生长法不能用于熔融生长法不能用于 SiC 单晶的生长。单晶的生长。1824 年，瑞典科学家J.Jacob Berzelius 在试图制备金刚石时意外发现了这种新的化合物。1885 年，Acheson 用电弧熔炼法生长出 SiC,但用这种方法形成的SiC质量较差，达不到大规模生产SiC器件所需的SiC单晶的质量要求。1955 年菲力浦研究室的 Lely 首先在

6、实验室用升华法制备了杂质数量和种类可控的、具有足够尺寸的 SiC 单晶。具体过程：设计一个空腹的圆筒，将具有工业级的 SiC 块放入碳坩埚中，加热到 2500 oC，SiC 发生明显的分解与升华，产生 Si 和 SiC 的蒸汽，在高温炉内形成的温度梯度作用下向低温方向并凝聚在较低温度处，形成 SiC 晶体。此过程是一个“升华凝聚升华凝聚”的过程，生长的驱动力是温度梯度生长的驱动力是温度梯度。SiC 块材单晶的制备块材单晶的制备 SiC 晶体晶体高温热源高温热源SiC 粉末粉末多孔石墨多孔石墨SiC 蒸汽蒸汽SiC 籽晶籽晶低温热源低温热源保温系统保温系统SiC 块材单晶的制备块材单晶的制备 一

7、种生长一种生长 SiC 单晶的单晶的筒状双壁坩埚筒状双壁坩埚装置装置 大体积大体积 SiC 单晶生长单晶生长的基本过程的基本过程原料的分解升华、质量传输和在籽晶上的结晶。升华源 SiC 粉置于筒状双壁坩埚的夹层之中。在约 1900 oC的高温状态下，SiC 蒸汽要先经过坩埚内层的高纯微孔石墨薄壁过滤掉杂质，然后再向温度较低的晶体生长区扩散。改良的改良的 Lely 法法世界上主要的SiC单晶衬底供应商如美国的Cree公司、日本的Sixon公司都采用改良的改良的 Lely 法法来生长块材 SiC 单晶。SiC 块材单晶的制备块材单晶的制备 高温化学气相沉积法高温化学气相沉积法（HTCVD）HTCV

8、D 法采用的生长系统与升华法所用的系统相似，但籽晶置于坩埚顶部 连续种晶物理气相输运法连续种晶物理气相输运法（CF-PVT）CF-PVT 法采用高纯硅和高纯碳（如多孔石墨盘）直接注入生长区，避免了通常的采用 SiC 粉末所造成的污染，并且生长过程中原材料可以连续供应，避免了SiC 粉末消耗过大所造成的生长停顿 卤化物化学气相沉积法卤化物化学气相沉积法（HCVD）SiCl4 和 C3H8作为 Si 源和 C 源，这两种原料分别在 Ar 和 H2 的携带下各自注入反应室，在2000 oC 生长。该方法生长速率高，获得的单晶电子陷阱少，电学性质好。SiC 块材单晶的制备块材单晶的制备 2004 年，

9、日本丰田中央研究实验室的Nakamura 等人在Nature杂志中称，他们找到了锻制碳化硅晶体的新方法，使碳化硅晶片成本低、用途广、性能更可靠。他们提出了“重复a面生长法（RAF）”。把11和100称为a面，把和1把 和 称为 a 面，把 和 称为 a 轴。u 步骤 1：沿着生长方向，获得继承了籽晶的具有高密度位错的晶体。u 步骤 2:由于大多数位错以垂直于第一次 a 面生长方向的方式存在，获得的晶体其表面的位错数量大幅度减少。因此，第二次 a 面生长继承了少量的位错。u 步骤 3:由于堆垛层错只在垂直于 c 轴的方向被继承，通过 c 面生长消除在前述生长过程中产生的堆垛层错。研究表明，用该方

10、法生长的SiC单晶比常规方法生长的SiC单晶结晶性大幅度改善，表面腐蚀坑密度大幅度降低。用该材料制备的PiN管可靠性得到大幅度的提高。SiC 块材单晶的制备块材单晶的制备 SiC 薄膜的制备薄膜的制备 主要方法u 升华法u 液相外延法u 溅射法u 脉冲激光沉积u 分子束外延u 化学气相沉积 SiC 薄膜的制备薄膜的制备 1.升华法升华法 升华法通常使用固态源，生长速率很高（400m/h），远超过其它方法的生长速率，但生长的薄膜均匀性不好并且尺寸较小。2.液相外延法液相外延法该方法通常使用熔体硅作为溶剂，以碳作为溶质，形成SiC的过饱和溶液。在生长过程中，生长层和过饱和层保持热平衡状态，用液相外

11、延法生长的 SiC 单晶薄膜质量好，具有较高的载流子霍尔迁移率和较低的微管缺陷密度和深能级密度，具有较好的光学性能，SiC 蓝光二极管材料就是用液相外延法生长的。液相外延的缺点是不容易实现大批量生产，掺杂较为困难。3溅射法溅射法溅射的原理是向真空系统中充入少量所需要的气体（Ar,N2等）。气体分子在强电场作用下电离而产生辉光放电。气体电离产生大量带正电荷的离子受电场加速而形成高能量的离子流，它们撞击在阴极表面，使阴极表面的原子飞溅出来，以自由原子形式或以与反应性气体分子形式与剩余气体分子形成化合物的形式淀积到衬底上形成薄膜层。SiC 薄膜的制备薄膜的制备 在Si（111）和Al2O3（0001

12、）上外延了-SiC 薄膜。最佳生长条件最佳生长条件 衬底的加热温度为1200-1300 oC，激光能量 40-50 mJ/脉冲；靶材能量密度0.5-1 J/cm2/脉冲；脉冲频率1-2 Hz；本底真空 210-7 Pa。4脉冲激光沉积脉冲激光沉积将准分子激光器产生的强脉冲激光束聚焦在靶材表面，通过靶材吸收激光束的能量，使其温度迅速升高到蒸发温度以上，形成局域化的高浓度等离子体。该等离子体继续与激光束作用并吸收激光束的能量，产生进一步电离形成高温高压等离子体。高温高压等离子体经历一个绝热膨胀发射的过程迅速冷却，到达靶对面的衬底后即在其上沉积成膜。SiC 薄膜的制备薄膜的制备 5分子束外延分子束外

13、延在超高真空（10-8Pa）条件下，精确控制蒸发源给出的中性分子束流的强度，在基片上外延成膜的技术。生长在非热平衡条件下完成，受动力学制约。生长温度低，生长速率慢，外延薄膜质量好。一般的分子束外延系统都配有如反射高能电子衍射（RHEED）之类的装置，为研究材料的具体生长细节提供了条件。但分子束外延设备也存在一些缺点，如受反应源的限制，无法制备所有材料；生长速率太慢，不适合工业化生产等。SiC 薄膜的制备薄膜的制备 6化学气相沉积化学气相沉积 SiC 薄膜的制备薄膜的制备 化学气相沉积（CVD）是借助空间气相化学反应在衬底表面沉积固态薄膜的工艺技术。化学气相沉积的源物质可以是气态的也可以是固态或液态的。可以控制薄膜的组分及合成新的结构，可用来制备半导体、金属和绝缘体等各种薄膜。CVD 设备有多种类型，根据反应室的形状，可分为水平式和立式；根据生长时的气压分为常压和低压；根据生长时反应室的冷却状态，分为热壁和冷壁。目前，目前，SiC 功率器件基功率器件基本都是用化学气相沉积本都是用化学气相沉积方法制备的方法制备的 SiC 薄膜制薄膜制成的成的