第三代半导体制造工艺案例.ppt

连通式双反应室MOCVD系统实物图 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 不锈钢外壁 石墨基座 热屏蔽罩 电源接口 电源接口 石墨加热器 石墨屏蔽层 SiC 反应室的简化示意图 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 连通式双反应室MOCVD系统结构示意图 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 由于Si衬底价格便宜、质量高、单晶尺寸大，而3C-SiC在已知SiC多型体中迁移率最高并且SiC的器件制作工艺可以与成熟的Si器件工艺相兼容。因此在Si衬底上生长3C-SiC颇具商业价值和应用成本优势 清洗衬底 1. 分别使用四氯化碳、甲苯、丙酮和无水乙醇超声清洗多次，以去除Si表面的有机物，然后用大量去离子水冲洗。 2. 在 H2O:H2O2：浓H2SO4=8:1:1的混合液中浸泡10分钟，以去除金属离子，再用大量去离子水冲洗。 3. 用 HF: H2O=1:20 的混合溶液浸泡 Si 衬底2分钟，以除去Si表面的SiO2氧化层，再用大量去离子水冲洗。 4. 用去离子水冲洗，接着快速用 N2 吹干。 生长温度对SiC薄膜生长的影响 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 不同生长温度下SiC薄膜的XRD谱 1150 oC 1230 oC 1270 oC 1350 oC 生长温度对SiC薄膜生长的影响 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 SiC薄膜的摇摆曲线半高宽和生长温度的关系 生长温度对SiC薄膜生长的影响 实例：Si 衬底上 3C-SiC 薄膜的异质外延 不同生长温度下SiC薄膜的表面形貌 1150 oC 1230 oC 1270 oC 1350 oC * * 3.3 第三代半导体材料（宽禁带半导体材料） Si为代表的，第一代半导体材料 GaAs为代表的，第二代半导体材料 SiC及GaN为代表的宽禁带材料，第三代半导体材料。包括材料本身和器件开发，仍在发展中。 半导体材料的发展 随着半导体材料的单晶制备及外延技术的发展和突破， 并基于以下几方面原因，宽带隙半导体材料应运而生。 耐高温、高热导、高耐压特性，发展高温（300℃）、高功率和低损耗电子器件。 高亮度发光管，从而使人类可以获得高重复性、长寿命的全色包括白光光源， 短波长激光器，束斑尺寸小，可实现高密度数据光存储，以及及紫外探测器。 近年来，随着半导体器件应用领域的不断扩大，特别是有些特殊场合要求半导体适应在高温、强辐射和大功率等环境下工作，传统的一和二代半导体无能为力。于是人们将目光投向一些被称为第三代宽带隙半导体材料的研究，如金刚石、SiC、GaN和AlN 等。这些材料的禁带宽度在 2 eV 以上，拥有一系列优异的物理和化学性能。 主要半导体材料的基本特性 ~5 键结合能（eV） 3.567 3.0806 15.1173 4.3596 3.112 4.982 3.189 5.186 5.65 5.66 5.43 晶格常数 (?) 2.5 2.5 1.4 2.5 2 1 饱和电子漂移速度(107 cm /s) 6-20 4.9 3.6 2.85 2.0 0.55 0.58 1.3 热导率(W/cm K) 1800 90 320 14 200 400 1900 480 空穴迁移率 (cm2/V s) 2200 400 800 300 1200 8500 3900 1350 电子迁移率 (cm2/V s) 10 3-5 1 1.2-1.4 5 0.06 0.1 0.3 击穿场强(MV/cm) 间接 间接 直接 直接 直接 间接 间接 能带类型 5.5 3.0 2.36 6.2 3.37 1.43 0.67 1.12 带隙宽度(eV) 金刚石 6H-SiC 3C-SiC AlN GaN GaAs Ge Si 物理量 SiC 材料及器件的一些具体应用 高频功率器件：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； 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； 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； 作为生长 GaN、AlN、金刚石等的衬底。 SiC 的结构 四面体单元，每种原子被四个异种原子所包围 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 的结构 Sic 具有很强