光电半导体材料科学与技术课件

光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术电子束通过5-10kV的电场加速后，聚焦并打到待蒸发材料表面，电子束将能量传递给待蒸发材料使其熔化，电子束迅速损失能量。电子束蒸发系统的核心部件：电子束枪（热阴极和等离子体电子）电子束聚焦方式：静电聚焦和磁偏转聚焦 电子束产生后，需要对其进行聚焦而能够直接打到被蒸发材料的表面。电子束通过5-10kV的电场加速后，聚焦并打到待蒸发材料表面光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术电子束蒸发源的优点电子束蒸发源的优点电子束轰击热源的束流密度高，能获得远比电阻加热源更大的能量密度。达到104 109 W/cm2 的功率密度，可用于蒸发高熔点材料，如W、Mo等。被蒸发材料可置于水冷坩锅中 避免容器材料蒸发、及 其与蒸发材料反应热量可直接加到蒸镀 材料的表面 热效率高、热传导和热辐射损失小电子束蒸发源的缺点电子束蒸发源的缺点电子枪发出的一次电子和蒸发材料发出的二次电子会使 蒸发原子和残余气体分子电离 影响膜层质量。可选择电子枪加以解决电子束蒸镀装置结构复杂、价格昂贵 加速电压高时，产生辐射伤害电子束蒸发源的优点光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术直流溅射直流溅射(导电靶材导电靶材 )射频溅射射频溅射(绝缘介质靶材绝缘介质靶材 )反应溅射反应溅射 (氧化物、氮化物靶材氧化物、氮化物靶材)磁控溅射系统磁控溅射系统直流溅射(导电靶材)磁控溅射系统光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术溅射的基本原理:物质的溅射现象 溅射：荷能粒子与固体（靶材）表面相互作用过程中，发生能量和动量的转移，当表面原子获得足够大的动能而脱离固体表面，从而产生表面原子的溅射。溅射参数 溅射阀值：将靶材原子溅射出来所需的入射离子最小能量值。与入射离子的种类关系不大、与靶材有关。溅射产额 溅射离子速度和能量溅射的基本原理:光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术5溅射物理过程溅射物理过程5溅射物理过程光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术6入射离子轰击靶材时，平均每个正离子能从靶材打出的原子数为溅射产额（）。M1、M2:分别为入射离子和靶材原子的质量；U0:靶材表面束缚能，eV;E:入射离子的能量，eV :无量纲参数6入射离子轰击靶材时，平均每个正离子能从靶材打出的原子数为溅光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术溅射物理机制溅射物理机制(a)Under low energetic ion bombardment(single knock-On)(b)Linear collision cascade(c)Under high energetic ion bombardment(spike)溅射物理机制Under low energetic ion 光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术DC SputteringProcess pressure-compromise between the number of Ar ions and the scattering of Ar ions with neutral Ar atomsSputter voltage-maximum yield,typical-2-5 kVSubstrate bias-control ion bombardment characteristics Substrate temperature-modify deposited film properties DC SputteringProcess pressure光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术RF SputteringFor insulating materials due to positive charge builds up on the cathode(target)in DC systems.Alternating potential can avoid charge buildup.When frequencies less than about 50 kHz,electrons and ions in plasma are mobile When frequencies above about 50 kHz,ions(heavy)can no longer follow the switching-electrons can neutralize positive charge build up RF SputteringFor insulating ma光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Magnetron SputteringI.Magnetron Configuration:planarNdFeB bar magnet with a magnetic field of 0.5 G on the target front surfaceElectron motion is confined to a racetrack due to drifting by E and B perpendicular to each other.Magnetron SputteringI.Magnetr光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术1111光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术12化学气相沉积化学气相沉积Chemical Vapor Chemical Vapor TransportTransport Gas measurement and monitoring Transport of molecules by gas flow and diffusion Transport of heat by convection,conduction,and radiation Chemical reactions in the gas phase and at the surfaces12化学气相沉积Chemical Vapor Transpo光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术化学气相沉积分类化学气相沉积分类常压常压CVDCVD（APCVDAPCVD）低压低压CVDCVD （LPCVDLPCVD）等离子增强等离子增强CVDCVD （PECVDPECVD）化学气相沉积分类常压CVD（APCVD）低压CVD等离子增强光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术课件光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术CVDCVD薄膜生长过程薄膜生长过程气体源进入反应器；源材料扩散至表面；源材料吸附在表面；产生化学反应；生成物形成晶核；晶核形成岛状物；形成连续薄膜；气体副产物排出CVD薄膜生长过程气体源进入反应器；源材料扩散至表面；源材料光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术fundamental parametersexperimental parametersreactant concentrationpressurediffusivitygas velocityboundary layer thicknesstemperature distributionreactor geometrygas properties(viscosity.)Mass transport depends onCVDCVD生长过程中的质量输运生长过程中的质量输运两种传输模式：1.分子流传输（气体扩散）2.粘滞流传输 (反应物传输至衬底表面进行反应)fundamental parametersexperime光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术CVDCVD薄膜的主要性能参数薄膜的主要性能参数1.膜厚均匀性（进行多点膜厚测量）2.台阶覆盖性：-侧壁覆盖 sidewall step coverage -底部覆盖 bottom coverage -保角性 Conformality3.应力 -热应力 thermal stress -内应力 intrinsic stress(thickness,deposition rate,deposition temperature,impurities)CVD薄膜的主要性能参数膜厚均匀性（进行多点膜厚测量）台阶覆光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术课件光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术 等离子体增强等离子体增强CVDCVD在射频功率条件下，反应气体从等离子中获得激活能，被激活并增强化学反应，实现高效率的化学气相沉积等离子轰击能够去除表面杂质，增加薄膜的附着性反应温度低于其它CVD薄膜沉积方法 等离子体增强光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术20等离子体基本物理性质等离子体基本物理性质等离子中包括相同数目的离子和电子，呈现电中性。用于刻蚀的等离子体中带电粒子密度109-1012 个/cm-3。等离子中电子温度104 K,刻蚀过程中与室温中性气体分子生成活化自由基，与衬底材料结合生成挥发气体产物，从而刻蚀衬底。20等离子体基本物理性质等离子中包括相同数目的离子和电子，呈光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Application:masks to prevent oxidation for LOCOS process final passivation barrier for moisture and sodium contaminationPECVDLPCVD沉积氮化硅沉积氮化硅Application:沉积氮化硅光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术原子层沉积技术原子层沉积技术(Atomic Layer Deposition)(Atomic Layer Deposition)ALD is a method of applying thin films to various substrates with atomic scale precision.Similar in chemistry to chemical vapor deposition(CVD),except that the ALD reaction breaks the CVD reaction into two half-reactions,keeping the precursor materials separate during the reaction.ALD film growth is self-limited and based on surface reactions,which makes achieving atomic scale deposition control possible.By keeping the precursors separate throughout the coating process,atomic layer thickness control of film grown can be obtained as fine as atomic/molecular scale per monolayer.原子层沉积技术ALD is a method of appl光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术原子层沉积过程与设备原子层沉积过程与设备1.Releases sequential precursor gas pulses to deposit a film one layer at a time on the substrate.2.The precursor gas is introduced into the process chamber and produces a monolayer of gas on the wafer surface.A second precursor of gas is then introduced into the chamber reacting with the first precursor to produce a monolayer of film on the wafer surface.3.Two fundamental mechanisms:Chemisorption saturation processSequential surface chemical reaction process4.Since each pair of gas pulses(one cycle)produces exactly one monolayer of film,the thickness of the resulting film may be precisely controlled by the number of deposition cycles.原子层沉积过程与设备Releases sequential 光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Example:ALD cycle for Al2O3 depositionStep 1Example:ALD cycle for Al2O3 d光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Step 2Step 2光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Step 3Step 3光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Step 4Step 4光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Step 5Step 5光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Step 6Step 6光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术After 3 cyclesAfter 3 cycles光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Each pair of gas pulses(one cycle)produces exactly one monolayer of film,the thickness of the resulting film may be precisely controlled by the number of deposition cycles.Each pair of gas pulses(one c光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Main types of ALD reactorsClosed system chambers(most common)The reaction chamber walls are designed to effect the transport of the precursors.Schematic of a closed ALD systemRef:Technology Backgrounder:Atomic Layer Deposition,IC Knowledge LLC,24 April 06.Main types of ALD reactorsSche光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Process Temperature 1The Verano 5500A 300-mm ALD system by Aviza Technology,Inc.111 1 Technology Backgrounder:Atomic Layer Deposition,IC Knowledge LLC,24 April 06.Technology Backgrounder:Atomic Layer Deposition,IC Knowledge LLC,24 April 06.One cycleProcess Temperature 1The Ver光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术Candidates for High-K dielectricsFilmPrecursorsAl2O3Al(CH)3,H2O or O3 HfO2 HfCl4 or TEMAH,H2OZrO2ZrCl4,H2OALD ApplicationsHigh-K dielectrics for CMOSReduces leakage currentFaster switching speedCooler transistorsRef:Intels High-k/Metal Gate Announcement,Intel Corporation.26 April,06.Semiconductor memory(DRAM)Cu interconnect barrierDeposition in porous structuresCandidates for High-K dielectr光电半导体材料科学与技术光电半导体材料科学与技术AdvantagesStoichiometric films with large area uniformity and 3D conformality.Precise thickness control.Low temperature deposition possible.Gentle deposition process for sensitive substrates.DisadvantagesDeposition Rate slower than CVD.Number of different material that can be deposited is fair compared to MBE.Summary of ALDAdvantagesSummary of ALD