先进半导体材料及其制备工艺

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1、先进半导体材料及其制备工艺汇报人：第一课题小组授课老师：张兆春 教授材料学院目录目录材料学院第一部分 前言 材料学院半导体简介半导体简介半导体：电阻率介于金属和绝缘体之间并有负的电阻温度系数的 物质。半导体室温时电阻率约在10-5107欧米之间，温度升高时 电阻率指数则减小。材料学院半导体材料半导体材料半导体材料很多，按化学成分可 分为元素半导体和化合物半导体 两大类。锗和硅是最常用的元素 半导体；化合物半导体包括- 族化合物（砷化镓、磷化镓等） 、-族化合物( 硫化镉、硫化 锌等)、氧化物(锰、铬、铁、铜的 氧化物),以及由-族化合物和 -族化合物组成的固溶体（镓 铝砷、镓砷磷等）。除上述晶

2、态 半导体外，还有非晶态的玻璃半 导体、有机半导体等。材料学院半导体历史半导体历史n半导体的发现实际上可以追溯到很久以前， n1833年，英国巴拉迪最先发现硫化银的电阻随着温度的变化情况不同于一般金 属，一般情况下，金属的电阻随温度升高而增加，但巴拉迪发现硫化银材料的电 阻是随着温度的上升而降低。这是半导体现象的首次发现。 n不久， 1839年法国的贝克莱尔发现半导体和电解质接触形成的结，在光照下 会产生一个电压，这就是后来人们熟知的光生伏特效应，这是被发现的半导体的 第二个特征。 n在1874年，德国的布劳恩观察到某些硫化物的电导与所加电场的方向有关，即 它的导电有方向性，在它两端加一个正向

3、电压，它是导通的；如果把电压极性反 过来，它就不导电，这就是半导体的整流效应，也是半导体所特有的第三种特性 。同年，舒斯特又发现了铜与氧化铜的整流效应。 n1873年，英国的史密斯发现硒晶体材料在光照下电导增加的光电导效应，这是 半导体又一个特有的性质。半导体的这四个效应，(霍尔效应的余绩四个伴生 效应的发现)虽在1880年以前就先后被发现了，但半导体这个名词大概到1911年 才被考尼白格和维斯首次使用。而总结出半导体的这四个特性一直到1947年12 月才由贝尔实验室完成。材料学院半导体材料的制造半导体材料的制造n为了满足量产上的需求，半导体的电性必须是可预测并且稳定的，因此包括掺杂 物的纯度

4、以及半导体晶格结构的品质都必须严格要求。常见的品质问题包括晶格的 错位（dislocation）、双晶面（twins），或是堆栈错误（stacking fault）都会影响 半导体材料的特性。对于一个半导体元件而言，材料晶格的缺陷通常是影响元件性 能的主因。n目前用来成长高纯度单晶半 导体材料最常见的方法称为裘 可拉斯基制程（Czochralski process）。这种制程将一个单 晶的晶种（seed）放入溶解的 同材质液体中，再以旋转的方 式缓缓向上拉起。在晶种被拉 起时，溶质将会沿着固体和液 体的接口固化，而旋转则可让 溶质的温度均匀。多晶硅生产设备材料学院2009年排名 2010年排名

5、公司2009收入2010收入2009-2010 增长率2010市场份 额 11英特尔332534143024.6%13.8% 22三星电子176862825659.8%9.4% 33东芝96041237628.9%4.1% 44德州电器91421235635.2%4.1% 115瑞萨电子454210368128.3%3.5% 76Hynix半导体60351035071.5%3.4% 57意法半导体85101029020.9%3.4% 138美光科技41708884113.0%3.0% 69高通6409716711.8%2.4% 1010英飞凌4682668042.7%2.2%其他1243381

6、5215622.4%50.7%总计22837130031331.5%100.0%20102010全球十大半导体公司排名全球十大半导体公司排名材料学院课题背景课题背景第二部分 半导体的发展趋势 材料学院全球半导体发展现状全球半导体发展现状十亿美元材料学院中国半导体市场发展趋势中国半导体市场发展趋势2008-2014年中国半导体市场规模增长情况 材料学院先进半导体材料主要发展趋势 v 目前，硅片主流产品是 200mm，逐渐向300mm过渡，研制水 平达到400mm450mm。据统计，200mm硅片的全球用量占60%左右 ，150mm占20%左右，其余 占20%左右。根据最新的国际半导体 技术指南I

7、TRS），300mm硅片之后下一代产品的直径为450mm； 450mm硅片是未来22纳米线宽 64G集成电路的衬底材料，将直接影 响计算机的速度、成本，并决定计算机中央处理单元的集成度。1、晶片尺寸更大 材料学院先进半导体材料主要发展趋势 v2、 线宽更小 1989年推出的英特尔486处理器采用1微米工艺技术，当前，国际主 流生产技术为0.250.35m，先进生产技术为0.130.10 m， 90 nm技术已开始投入小批量生产，并研究成功65 nm技术。2010年 采用45 nm 技术，按照国际半导体产业发展路线图（ITRS）预测 2016 年和2018 年将分别发展到22 nm和18 nm,

8、预计在2020年有望 达到0.016 m 。材料学院先进半导体材料主要发展趋势 v3、新材料 传统半导体材料中大部分采用的是硅，现在用的是氮化镓、碳化 硅、硒化锌等第三代半导体材料。COMS（Complimentary Metal Oxide Semiconductor）可提供高水平的集成，是传统的技术工艺 。SOI（silicon on insulator）是当前及今后一定时期使用的技术， 可以改善芯片性能，降低成本。材料学院先进半导体材料主要发展趋势 v4、新的封装技术封装技术对于降低成本和功耗非常重要。芯片制造商通过封装技术 创新使产品微型化。封装的关键新能要求包括插脚数目、电板空间 密

9、度的最大化及散热效果。有些技术如芯片比例封装（CSP）,提 供的封装仅为芯片尺寸的120%。由于提高速度通常意味着更容易 散热，因此散热效果很重要 。材料学院先进半导体材料主要发展趋势 v5、技术要求范围扩大 随着通信的发展，半导体工业涉及范围越来越广，包括信号处理、模拟、 功率管理和集成。混合信号技术和混合工艺技术的实力也越来越重要。材料学院课题提出课题提出第三部分 半导体的光、电性质 材料学院半导体的结构半导体的结构晶体： 有规则对称的几何外形； 物理性质(力、热、电、光)各向异性； 有确定的熔点； 微观上，分子、原子或离子呈有规则的周期性排列，形成空间点阵(晶格)。简单立方晶格 面心立方

10、晶格 Au、Ag、Cu、Al 体心立方晶格 Li、Na、K、Fe 六角密排晶格 Be，Mg，Zn，Cd 材料学院电子共有化电子共有化 1、周期性势场 (1) 孤立原子(单单价)电子所在处的电势为U，电子的电势能为V。电势能是一 个旋转对称的势阱。 r+-eU VUVr+电子能级势阱旋转对称势垒+材料学院电子共有化电子共有化(2) 两个原子的情形 VVr+材料学院电子共有化电子共有化(3) 大量原子规则规则 排列的情形V r+aE1E2晶体中大量原子(分子、离子)的规则排列成点阵结构， 晶体中形成周期性势场。材料学院电子共有化电子共有化 2、电子共有化 (1)对对能量E1的电电子 v 势能曲线表

11、现为势垒；电子能量 势垒高度 电子在晶体中自由运动，不受特定离子的束缚。 电电子共有化：由于晶体中原子的周期性排列，价电电子不再 为单为单 个原子所有的现现象。共有化的电电子可以在不同原子中 的相似轨轨道上转转移，可以在整个固体中运动动。S 原子的外层电子(高能级)，势垒穿透概率较大，属于共有化的 电子。S 原子的内层电子与原子的结合较紧，一般不是共有化电子。 (3)电电子共有化 材料学院能带的形成能带的形成量子力学证明，由于晶体中各原子间的相互影响， 原来各原子中能量相近的能级将分裂成一系列和原能级 接近的新能级。这些新能级基本上连成一片，形成能带 (energy band)。两个氢氢原子靠

12、近结结合成分子时时，1S能级级分裂为为两条。 1Sr0r0E HHrH原子结合成分子材料学院能带的形成能带的形成当N个原子靠近形成晶体时，由于各原子间的相互 作用，对应于原来孤立原子的一个能级，就分裂成N条 靠得很近的能级。使原来处于相同能级上的电子，不再 有相同的能量，而处于N个很接近的新能级上。 N条能级能带能隙，禁带E能带宽度： EeVN1023时，则能带中 两能级间距：10-23eV材料学院能带结构能带结构晶体里的价电子从它们在单原子里的能级分 裂为价带，激发态能级则分裂为导带，一般晶体 中每条能带的宽度只与晶体中原子之间的结合状 况有关，与晶体中的原子数目无关，宽度一般为 几个电子伏

13、特。一条确定的能带里的电子数目可以依据晶体 里的原子数目估计出来，一般由N个原子组成的 晶体，相同量子数l的一条能带里的最多可以容纳 的电子数目是2(2l+1)N个。材料学院电子在能带中的填充电子在能带中的填充2、非常适合于生长各种异质结构 材料; 3、可以生长超薄外延层，并能获 得很陡的界面过渡; 4、生长易于控制; 5、可以生长纯度很高的材料; 6、外延层大面积均匀性良好; 7、可以进行大规模生产。缺点所用的有机金属原料一般具有自 燃性，AsH3等族原料气体， 族原料气体具有剧毒。材料学院设备设备本系统为英国Thomas Swan公司制造，具有世界先进水平的商用金属有机 源汽相外延(MOC

14、VD)材料生长系统，可用于制备以GaN为代表的第三代半 导体材料。在高亮度的蓝光发光二极管(LED)、激光器(LD)、日盲紫外光电 探测器、高效率太阳能电池、高频大功率电子器件领域中具有广泛的应用 。材料学院第五部分 BET材料学院BETBET的定义的定义BET：铋层状钙钛矿铁电薄膜材料Bi_(4-x)Eu_xTi_3O_(12)(BET)铋层状结构铁电材料具有优良的铁电性能,如高的剩余极化值、良 好的抗疲劳特性、较高的居里温度、较小的漏电流,因而特别适合 于高温、高频条件下使用,并且使得该类铁电材料在铁电存储器领 域有广泛的应用前景。随着微电子技术的发展和高度集成化趋势 对材料的要求,铋层状

15、铁电薄膜材料的制备和性能研究成为目前国 际上高度关注的课题。材料学院铁电薄膜的制备方法铁电薄膜的制备方法物理方法化学方法材料学院物理方法物理方法-1-1脉冲激光溅射沉积法（PLD ）脉冲激光溅射沉积法（PLD）是利用激光束从靶材上剥离出高能等离 子体，并沉积在加热的衬底上形成薄膜。这一方法通常采用大功率脉 冲激光照射靶表面，被气化的靶材原子或离子团沉积在衬底上形成薄 膜。脉冲激光沉积法制备的薄膜，其成分几乎与靶材相同，特别适用 于制备含有多种挥发成分的薄膜。这种方法沉积速率高，常常可以获 得外延膜。为了是薄膜具有较好的电学、光学特性，一般需要较高的 衬底温度和一定的氧分压。沉积好的薄膜一般不需

16、要退火处理，但沉 积好薄膜后，当系统冷却时，应增加氧分压，以减少氧空位，确保薄 膜质量，对于某些材料而言，也可以选择较低的衬底温度。但这种方 法难于获得高质量的大面积铁电薄膜，而且它的工作条件要求过高， 需要高真空腔、激光器、真空泵等相应的设备。所以制备出来的试件 花费过高，制约了其商业应用。材料学院物理方法物理方法-2-2溅射法溅射法是一种比较成熟的薄膜制备技术，这 种方法是利用电场作用下高速运动的离子轰 击靶材，将靶材上轰击下来的原子或离子团 沉积在衬底上形成薄膜。由于溅射物流具有 较高的能量，在衬底表面能维持较高的表面 迁移率，其制备的薄膜结晶性能较好，在适 当的溅射参数下可获得单晶薄膜；成膜所需 衬底温度较低；与集成工艺的兼容性较好； 适用于多种铁电薄膜的制备。制备的铁电薄 膜具有较好的铁电性，但生长速度慢，建设 时不同材料的溅射率不同，所获薄膜的组份 与靶材有一定差异，膜的微结构与组份均匀 性有待