半导体薄膜ppt课件
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半导体器件物理--薄膜晶体管(TFT) ppt课件
自热应力
BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC;
应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移. 16 ppt课件
6. p-Si TFF的改性技术 （1）非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, 进一步提高载流子迁移率. （2）除氢技术----改善稳定性. （3）采用高k栅介质----降低阈值电压和工作电压. （4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
对于恒定的VDS,VGS越大,则
沟道中的可动载流子就越多,
沟道电阻就越小,ID就越大.
即栅电压控制漏电流.
对于恒定的VGS,当VDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变 薄, 引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS＞VDsat时,漏极 被夹断,而后VDS增大，IDS达到饱和.
8 ppt课件
TFT的工作原理
低载流子 迁移率
稳定性和 可靠性
TFT发展过程中遭遇 的关键技术问题？
低成本、大面 积沉膜
低温高性能半 导体薄膜技术
挑战：在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜！
5 ppt课件
TFT的种类
按采用半导体材料不同分为： 硅基:非晶Si-TFT,多晶硅-TFT
无机TFT 化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT 氧化物:ZnO-TFT
V
th)V
d
1 2
V
2 d
]
(V d V g V th) …….（3）
当Vd<<Vg时,(3)式简化为I d
W L
Ci (V g V th)V d
在饱和区(Vd>Vg-Vth),将Vd＝Vg-Vth代入(3)式可得：
BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC;
应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移. 16 ppt课件
6. p-Si TFF的改性技术 （1）非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, 进一步提高载流子迁移率. （2）除氢技术----改善稳定性. （3）采用高k栅介质----降低阈值电压和工作电压. （4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
对于恒定的VDS,VGS越大,则
沟道中的可动载流子就越多,
沟道电阻就越小,ID就越大.
即栅电压控制漏电流.
对于恒定的VGS,当VDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变 薄, 引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS＞VDsat时,漏极 被夹断,而后VDS增大，IDS达到饱和.
8 ppt课件
TFT的工作原理
低载流子 迁移率
稳定性和 可靠性
TFT发展过程中遭遇 的关键技术问题？
低成本、大面 积沉膜
低温高性能半 导体薄膜技术
挑战：在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜！
5 ppt课件
TFT的种类
按采用半导体材料不同分为： 硅基:非晶Si-TFT,多晶硅-TFT
无机TFT 化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT 氧化物:ZnO-TFT
V
th)V
d
1 2
V
2 d
]
(V d V g V th) …….（3）
当Vd<<Vg时,(3)式简化为I d
W L
Ci (V g V th)V d
在饱和区(Vd>Vg-Vth),将Vd＝Vg-Vth代入(3)式可得：
半导体薄膜
半导体薄膜
汇报人：XX
目录
• 半导体薄膜概述 • 半导体薄膜制备技术 • 半导体薄膜结构与性能 • 半导体薄膜应用实例 • 半导体薄膜材料发展趋势与挑战
01
半导体薄膜概述
定义与特点
定义
半导体薄膜是一种具有半导体性质的薄膜材料，其厚度通常在纳米至微米级别 。这种材料具有介于导体和绝缘体之间的电导率，因此被称为半导体。
。
缺陷对性能的影响
缺陷对半导体薄膜的性能有重要 影响，如影响载流子浓度、迁移
率、光学透过率等。
电子结构与能带
能带结构
01
半导体薄膜的能带结构决定了其电子状态和电子行为。通常包
括价带、导带和禁带三部分。
载流子类型
02
半导体薄膜中的载流子可以是电子或空穴，这取决于其掺杂类
型和浓度。
载流子浓度和迁移率
03
回收利用
建立完善的回收利用体系，对废旧半导体薄膜进行 回收和再利用，降低资源浪费和环境污染。
THANKS
感谢观看
大面积均匀性控制技术挑战
薄膜沉积技术
如化学气相沉积、物理气相沉积等，需要优化工艺参数，提高薄膜 大面积均匀性。
表面处理技术
如机械抛光、化学抛光等，可以改善基底表面粗糙度，提高薄膜附 着力和均匀性。
薄膜转移技术
如卷对卷技术、激光转移技术等，可以实现大面积薄膜的快速、高效 转移。
提高稳定性及寿命问题探讨
现状
目前，半导体薄膜的制备技术已经非常成熟，包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法、电化学沉积等 多种方法。同时，半导体薄膜的应用领域也在不断扩展，涉及到电子、光电、生物医学、环境科学等多个领域。
应用领域与前景
应用领域
汇报人：XX
目录
• 半导体薄膜概述 • 半导体薄膜制备技术 • 半导体薄膜结构与性能 • 半导体薄膜应用实例 • 半导体薄膜材料发展趋势与挑战
01
半导体薄膜概述
定义与特点
定义
半导体薄膜是一种具有半导体性质的薄膜材料，其厚度通常在纳米至微米级别 。这种材料具有介于导体和绝缘体之间的电导率，因此被称为半导体。
。
缺陷对性能的影响
缺陷对半导体薄膜的性能有重要 影响，如影响载流子浓度、迁移
率、光学透过率等。
电子结构与能带
能带结构
01
半导体薄膜的能带结构决定了其电子状态和电子行为。通常包
括价带、导带和禁带三部分。
载流子类型
02
半导体薄膜中的载流子可以是电子或空穴，这取决于其掺杂类
型和浓度。
载流子浓度和迁移率
03
回收利用
建立完善的回收利用体系，对废旧半导体薄膜进行 回收和再利用，降低资源浪费和环境污染。
THANKS
感谢观看
大面积均匀性控制技术挑战
薄膜沉积技术
如化学气相沉积、物理气相沉积等，需要优化工艺参数，提高薄膜 大面积均匀性。
表面处理技术
如机械抛光、化学抛光等，可以改善基底表面粗糙度，提高薄膜附 着力和均匀性。
薄膜转移技术
如卷对卷技术、激光转移技术等，可以实现大面积薄膜的快速、高效 转移。
提高稳定性及寿命问题探讨
现状
目前，半导体薄膜的制备技术已经非常成熟，包括物理气相沉积、化学气相沉积、溶胶-凝胶法、电化学沉积等 多种方法。同时，半导体薄膜的应用领域也在不断扩展，涉及到电子、光电、生物医学、环境科学等多个领域。
应用领域与前景
应用领域
半导体基础知识PPT培训课件
半导体基础知识ppt培 训课件
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
目录
• 半导体简介 • 半导体材料 • 半导体器件 • 半导体制造工艺 • 半导体技术发展趋势 • 案例分析
半导体简介
01
半导体的定义
总结词
半导体的定义
详细描述
半导体是指在常温下导电性能介于导体与绝缘体之间的材料，常见的半导体材 料有硅、锗等。
半导体的特性
总结词
化合物半导体具有宽的禁带宽度和高 的电子迁移率等特点，使得化合物半 导体在光电子器件和高速电子器件等 领域具有广泛的应用。
掺杂半导体
掺杂半导体是在纯净的半导体中掺入其他元素，改变其导电 性能的半导体。
掺杂半导体的导电性能可以通过掺入不同类型和浓度的杂质 来调控，从而实现电子和空穴的平衡，是制造晶体管、集成 电路等电子器件的重要材料。
掺杂的目的是形成PN结、调控载流 子浓度等，从而影响器件的电学性能。
掺杂和退火的均匀性和控制精度对器 件性能至关重要，直接影响最终产品 的质量和可靠性。
半导体技术发展趋势
05
新型半导体材料
硅基半导体材料
宽禁带半导体材料
作为传统的半导体材料，硅基半导体 在集成电路、微电子等领域应用广泛。 随着技术的不断发展，硅基半导体的 性能也在不断提升。
半导体制造工艺
04
晶圆制备
晶圆制备是半导体制造的第一步，其目的是获得具有特定晶体结构和纯度的单晶硅 片。
制备过程包括多晶硅的提纯、熔炼、长晶、切磨、抛光等步骤，最终得到可用于后 续工艺的晶圆。
晶圆的质量和表面光洁度对后续工艺的成败至关重要，因此制备过程中需严格控制 工艺参数和材料质量。
薄膜沉积
输入 标题
详细描述
集成电路的制作过程涉及微电子技术，通过一系列的 工艺步骤，将晶体管、电阻、电容等电子元件集成在 一块硅片上，形成复杂的电路。
《薄膜技术及应用》课件
2 未来几年
薄膜技术有望获得持续健康发展，特别是在 光伏、新能源车等领域有着更加广阔的应用 前景。
薄膜技术与现代产业
未来汽车
薄膜技术和新能源汽车实现无 缝对接，开拓先进光伏材料、 电池材料、排放净化材料等领 域。
智慧建筑
薄膜技术的突破将逐步推动我 们的建筑前沿技术的发展，不 断提升建筑性能。
人工智能
应用价值
薄膜技术已经广泛应用于光电子、信息技术、太阳 能、新能源、生物医学等领域。
薄膜技术的分类
磁性材料薄膜技术
磁性材料薄膜技术主要应用于光信息存储材料、 记录材料、传感器等。
金属材料薄膜技术
金属材料薄膜技术主要应用为电阻器、电容器、 电化学传感器、防腐材料等。
半导体薄膜技术
半导体薄膜技术应用于太阳能电池、TFT-LCD、 半导体激光等。
碳基薄膜技术
碳基薄膜技术应用于涂覆材料、涂层材料、防 腐材料、石墨涂层等。
薄膜技术的应用
薄膜技术是当今最先进的材料技术之一。它的应用范围极为广泛。
太阳能行业
薄膜电池比晶体硅太阳电池更轻 薄，更灵活适应市场需求。
信息技术行业
薄膜技术在信息技术领域的应用 包括TFT-LCD、LED显示器、半导 体激光等。
《薄膜技术及应用》PPT 课件
本课程旨在探索薄膜技术的应用及未来展望。从光电子、信息技术、太阳能、 新能源、生物医学、材料科学六大行业入手，深入学习薄膜技术相关知识。
Hale Waihona Puke 么是薄膜技术？薄膜技术是指将材料制备成很薄的薄膜（通常小于1微米），然后进行加工和利用的技术。
制备工艺
薄膜技术的制备工艺包括溅射、化学气相沉积等多 种方法。
4
新能源领域
介质薄膜的性质半导体薄膜的性质
生长高品质Si外延薄膜需要考虑的问题：
(1)外延膜厚度均匀性、电阻率的均匀性 外延膜厚度分布均匀性受反应气体流速的影响。在CVD法制膜过程中：
1）气流速度过快，会形成不稳定的紊流，外延膜中间厚，边缘薄； 2）气流速度过慢，结果是膜的中间薄边缘厚。
此外， 外延膜电阻率均匀问题决定于薄膜形成时加入到反应气体中杂质的种类和数量。
电击穿时电子雪崩式增加产生大量焦耳热介质膜温度迅速上升介质膜电导随温度上升指数型增加进一步导致电流增大最后造成局部地区产生热分解挥发或熔化促成热击穿常见介质膜的击穿场强对于同一种介质膜因制造方法不同其击穿场强有较大的区别产生这种差异的原因是不同制造方法在介质薄膜制备过程中产生的针孔微裂痕纤维丝和杂质缺陷等不同
但因它属于异质外延生长，在SOS膜中还有缺点：如由于硅和蓝宝石热膨胀系数不 同，在膜中产生压应变、高密度晶格缺陷、在Si膜和蓝宝石基体间存在着过渡区、有 来自基体的Al自掺杂。
这些缺点对薄膜性质的影响表现在：
(1)热应变的影响
SOS膜的生长是在1000℃左右温度下进行。因室温下Si膜和蓝宝石基体的热膨 胀系数不同，在Si膜中产生压应力大约109dyn/cm2。由于压应力作用使Si膜导 带能量发生变化，从而引起电导率发生变化。
(2)自动掺杂效应 在外延膜生长过程中来自基体中的杂质掺杂称为自动掺杂效应。
抑制自动掺杂效应采取的措施： 减小外延膜生长时的气压(减压CVD)，减小外延膜成长速率，增大气体流量使用低蒸气
压掺杂剂
(3)结构缺陷
在外延膜中的结构缺陷有位错、积层缺陷、析出物、杂质异物和氧化缺陷等。从广 义角度看，还有氧、碳及重金属杂质、原子空位和填隙原子等点缺陷。目前研究较 多的缺陷是硅氧化时从表面引入的积层缺陷。(衡量这种缺陷的参数是积层缺陷长 度L，它与氧化时间t及温度T有关)。
半导体薄膜技术与物理
溅射合金和化合物时，溅射率一般不能直接从组成金属的溅射率值来 确定，存在较大的差异性。
12
2.3.3 溅射粒子的速度和能量
溅射Cu原子 速度分布图
He+：平均速度=4105 cm/s 平均能量 E=1/2m2=4.5 eV Ar+：平均速度=3~6105 cm/s 平均能量 E=30~40 eV 轻金属元素10eV左右，重金属元素U，E=44eV
射频溅射原理图
16
（3）磁控溅射
磁控原理与普通溅射技术相结合，利用磁场的特殊分布控制电场中 电子的运动轨迹，改进溅射的工艺 电子在正交电磁场中的作用力：
F e E e (V H )
采用正交电磁场能够提高离化率
离化率：0.3~0.5% 5~6%
衬底：“近冷” 态 电子在正交电磁场中的运动轨迹
磁控溅射主要有三种形式：平面型、圆柱型、S枪
17
磁控溅射电极类型
18
2.3.6 反应溅射
应用溅射技术制备介质膜通常有两种方法：
高频溅射 反应溅射，特别是磁控反应溅射 例如：在O2气氛中产生反应而获得氧化物 在N2或NH3中获得氮化物 在O2+N2混合气体中得到氮氧化物
在C2H2或CH4中 得到碳化物和由HF或CF4得到氟化物等
同理，热蒸发分子或原子能量大于Ea的分数
3E a A s exp 2E e
s e
式中 E 和 E分别为溅射和蒸发粒子的平均动能 由图可以看出，能量E＞Ea的溅射粒子远远多于蒸发粒子，其倍数：
As Ae 3 1 1 exp E a Es Ee 2
5
2.3.2 溅射阈和溅射率
溅射阈： 入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量 溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系 主要取决于靶材料 周期中随着原子序数增加而减小 对大多数金属来说： 溅射阈为10-40eV，约为4-5倍升华热
《半导体材料》课件
解决策略
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时 加强废弃物的回收和再利用。
《半导体材料》ppt 课件
目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，其电阻率受温度、光照、电场 等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要 发展先进的制备技术。这包括化学气 相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规 模生产，同时保持材料的性能和均匀 性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半 导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调 控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带， 产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激 光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。
解决可靠性问题需要从材料的设计、制备、封装、测试等各个环节入手，加强质量控制和可靠性评估。
半导体材料的环境影响与可持续发展
环境影响
半导体材料的生产和使用过程中会对环境产生一定的影响，如能源消耗、废弃物处理等。
可持续发展
为了实现可持续发展，需要发展环保型的半导体材料和生产技术，降低能源消耗和废弃物排放，同时 加强废弃物的回收和再利用。
《半导体材料》ppt 课件
目录
CONTENTS
• 半导体材料简介 • 半导体材料的物理性质 • 常见半导体材料 • 半导体材料的制备与加工 • 半导体材料的发展趋势与挑战
01
半导体材料简介
半导体的定义与特性
总结词
半导体的导电能力介于导体和绝缘体 之间，其电阻率受温度、光照、电场 等因材料的制备技术
制备技术
为了获得高性能的半导体材料，需要 发展先进的制备技术。这包括化学气 相沉积、分子束外延、离子注入等。
技术挑战
制备技术面临的挑战是如何实现大规 模生产，同时保持材料的性能和均匀 性。
半导体材料的可靠性问题
可靠性问题
随着半导体材料的广泛应用，其可靠性问题越来越突出。这包括材料的稳定性、寿命、可靠性等方面的问题。
VS
电阻率
电阻率是衡量材料导电能力的物理量。半 导体的电阻率可以通过掺杂等方式进行调 控，从而实现对其导电性能的优化。
光吸收与发光特性
光吸收
半导体具有吸收光子的能力，当光子能量大于其能带间隙时，电子从价带跃迁至导带， 产生光电流。
发光特性
某些半导体在受到激发后可以发出特定波长的光，这一特性使得半导体在发光器件、激 光器等领域具有广泛应用。
离子束刻蚀
利用离子束对材料进行刻蚀，实现纳米级加工。
半导体薄膜ppt课件
16
沉积气压的影响
精选PPT课件
沉积气压主要影响消融产物飞向衬底这一过程，其对沉积薄膜的影响分为两 类：
1)环境气压不参与反应时，气压主要影响消融粒子内能和平均动能，从而影 响沉积速率；
2)环境气压参与反应时，气压不仅影响薄膜的沉积速率，更重要的是会影响 薄膜成分结构．
环境气体与从靶材中溅射出的等离子体发生碰撞，将离子到达衬底表面 的动能降低．当气压较低时，激光融蚀靶材产生的等离子体中粒子受到 较少碰撞，当它们到达衬底时，动能太大，会导致薄膜晶格位置偏移， 且前面的膜层还没来得及调整自己在择优方向生长就被后续原子所覆盖 固化，降低薄膜质量．当气压较高时，等离子体中粒子与环境气体碰撞 增加，等离子体到达衬底表面时动能太小，其在衬底表面迁移扩散能力降低，
在PLD中，在距靶1~2cm的位置形成强激波
激波薄层中的温度可达上万度
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精选PPT课件
PLD中的激波（shock wave）
羽辉的传输：
• 激波的形成阶段 • 激波的传输阶段 • 声波阶段
激波传输过程中的化学反应：
激波传输时的示意图
激波薄层中O2分子将被激发、离解乃至电离而以氧原子、氧离子等 化学活泼状态存在
等离子体在空间的输运靶材表面的高温可达20000k和高密度10161021cm的等离子体在靶面法线方向的高温和压力梯度等温膨胀发射激光作用时和绝热膨胀发射激光终止后轴向约束性沿靶面法线方向等离子体区等离子体羽辉1烧蚀物的运动在气体中激发声波2声波前沿与烧蚀物之间的气体被压缩烧蚀物的运动比声波快声波前沿与烧蚀物之间的距离会不断缩小其间的气体则不断受到压缩被压缩气体的温度可达上万度密度可比未压缩气体提高数倍压强也相应的激增3声波前沿处形成一个气体状态的间断面声波前沿处气体的温度密度则突然下降到未压缩气体的水平这个间断面就是所谓的激波在pld中在距靶12cm的位置形成强激波激波薄层中的温度可达上万度烧蚀物的传输烧蚀物在空间的传输是指激光脉冲结束后烧蚀物从靶表面到衬底的过程
半导体技术之-CVD
❖质量传输机制 ❖反应激活能 ❖表面反应机理
质量传输机制
质量传输机制
反应激活能
表面反应机理
续
反应的浓度
反应的温度
反应
Chemical Vapor deposition is a means for deposition of
thin film in vapor phase by reaction chamber at some
电子特性
❖介电常数：决定了材料的电容量 ❖介电质常数：决定了电压的能力
机械特性
❖薄膜应力：分成张力和压应力 ❖薄膜密度：表征了薄膜的致密程度（折射率） ❖薄膜厚度：影响电容特性
应力
物理特性
❖粗糙度：厚度越厚，粗糙度越大，温度越高， 粗糙度越小
❖平坦度和台阶覆盖能力：
具体的薄膜材料：
❖二氧化层：
BPSG
温度
~900℃ ~900℃
<500℃ <500℃
标注
不好的台阶覆盖性、 高 温
很好的平坦性、 高温
Reflow>1000℃,Na 吸 收，低应力
Reflow~800℃,很好的平 坦化，Na 吸收，较 PSG更低的应力
Intermetal Dielectric(IMD)
薄膜类型 TEOS+O2 TEOS+O2 TEOS+O3 TEOS+O3
▪ SiO2 ▪ BPSG ▪ PSG
❖氮化硅（Si3N4） ❖（SiOxNyHz）
Silicon Dioxide（SiO2）
❖ Undoped SiO2：
▪ 硅烷/氧气（N2O）：适合于各种温度的反应
• SiH4+N2O-SiO2+副产物 • 使用PECVD技术，（温度低于500度） • SiH4+O2-SiO2+副产物 • 使用LPCVD技术，温度在（500～900度），HTO,很好的密度、不
质量传输机制
质量传输机制
反应激活能
表面反应机理
续
反应的浓度
反应的温度
反应
Chemical Vapor deposition is a means for deposition of
thin film in vapor phase by reaction chamber at some
电子特性
❖介电常数：决定了材料的电容量 ❖介电质常数：决定了电压的能力
机械特性
❖薄膜应力：分成张力和压应力 ❖薄膜密度：表征了薄膜的致密程度（折射率） ❖薄膜厚度：影响电容特性
应力
物理特性
❖粗糙度：厚度越厚，粗糙度越大，温度越高， 粗糙度越小
❖平坦度和台阶覆盖能力：
具体的薄膜材料：
❖二氧化层：
BPSG
温度
~900℃ ~900℃
<500℃ <500℃
标注
不好的台阶覆盖性、 高 温
很好的平坦性、 高温
Reflow>1000℃,Na 吸 收，低应力
Reflow~800℃,很好的平 坦化，Na 吸收，较 PSG更低的应力
Intermetal Dielectric(IMD)
薄膜类型 TEOS+O2 TEOS+O2 TEOS+O3 TEOS+O3
▪ SiO2 ▪ BPSG ▪ PSG
❖氮化硅（Si3N4） ❖（SiOxNyHz）
Silicon Dioxide（SiO2）
❖ Undoped SiO2：
▪ 硅烷/氧气（N2O）：适合于各种温度的反应
• SiH4+N2O-SiO2+副产物 • 使用PECVD技术，（温度低于500度） • SiH4+O2-SiO2+副产物 • 使用LPCVD技术，温度在（500～900度），HTO,很好的密度、不
半导体薄膜工艺介绍
半导体薄膜工艺介绍
《半导体薄膜工艺介绍》
嘿，大家好呀！今天咱来聊聊半导体薄膜工艺。
就说我之前去一个半导体工厂参观的时候吧，那可真是让我大开眼界。
一进去就看到好多巨大的机器在嗡嗡作响，工人们都在忙碌地操作着。
我凑到一个正在进行半导体薄膜工艺的地方，哇塞，只见那一片片薄薄的材料在各种设备的“摆弄”下，逐渐发生着神奇的变化。
先是清洗环节，就像给它们洗了个超级干净的澡，把上面的灰尘啥的都洗掉啦。
然后是沉积环节，就好像是在给它们穿上一层特殊的“衣服”，这层“衣服”可重要了呢，能让半导体性能变得更好。
看着那些材料在机器里进进出出的，我都感觉它们像是在进行一场奇妙的冒险。
接着是光刻环节，这就像是在给它们画画一样，要非常精细地画出各种图案和线路。
工人们都特别专注，小心翼翼地操作着，生怕出一点差错。
还有蚀刻环节，把不需要的部分给去掉，就像雕刻大师在精心雕琢一件艺术品。
整个过程真的是太有意思啦！我在那看了好久，都舍不得走。
感觉半导体薄膜工艺就像是一个魔法，能把这些普通的材料变成超级厉害的半导体。
最后，当看到一片片完美的半导体薄膜从生产线上出来的时候，我真的是由衷地佩服那些从事这个工作的人。
他们就像魔术师一样，用自己的智慧和技术创造出了这么神奇的东西。
总之呢，半导体薄膜工艺真的是很了不起呀，它让我们的生活变得更加丰富多彩，科技更加发达。
希望以后还能有机会去了解更多关于它的奇妙之处呀！嘿嘿！。
半导体制造工艺-13薄膜沉积(下)
✓工艺对温度灵敏,但是采用温度控制好的热壁式系统可解决 温度控制问题
✓气流耗尽仍是影响均匀性的因素，可以设定温差5～25 C， 或分段进气
半导体制造工艺基础
第八章 薄膜淀积 (下)
11
LPCVD法的主要特点
✓Batch processing：同时100-200片
✓薄膜厚度均匀性好
✓可以精确控制薄膜的成份和结构
用HD-PECVD可以获 得低温（120 C）的 高质量氧化硅膜
半导体制造工艺基础
第八章 薄膜淀积 (下)
17
2）中温LPCVD（680~730C）
TEOS（正硅酸乙酯）为源的淀积
Si(OC2H5 )4 (l) O2 (g) SiO2 (s) 副产物
（1）不能淀积在Al层上（为什么？） （2）厚度均匀性好，台阶覆盖优良，SiO2膜质量较好 （3）加入PH3等可形成PSG
半导体制造工艺基础
第八章 薄膜淀积 (下)
28
二、真空度与分子平均自由程
高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行，因为：
1. 源材料的气相原子和分子在真空中的输运必须直线运动，以保 证金属材料原子和分子有效淀积在衬底上，真空度太低，蒸发 的气相原子或分子将会不断和残余气体分子碰撞，改变方向。
2. 残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化
Poly
Epi
Epi
Oxide
Substrate
Non-selective epitaxial growth (NSEG)
Substrate
Selective epitaxial growth (SEG)
半导体制造工艺基础
第八章 薄膜淀积 (下)
7
APCVD的主要问题：低产率（throughput） ✓高温淀积：硅片需水平放置 ✓低温淀积：反应速率低
✓气流耗尽仍是影响均匀性的因素，可以设定温差5～25 C， 或分段进气
半导体制造工艺基础
第八章 薄膜淀积 (下)
11
LPCVD法的主要特点
✓Batch processing：同时100-200片
✓薄膜厚度均匀性好
✓可以精确控制薄膜的成份和结构
用HD-PECVD可以获 得低温（120 C）的 高质量氧化硅膜
半导体制造工艺基础
第八章 薄膜淀积 (下)
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2）中温LPCVD（680~730C）
TEOS（正硅酸乙酯）为源的淀积
Si(OC2H5 )4 (l) O2 (g) SiO2 (s) 副产物
（1）不能淀积在Al层上（为什么？） （2）厚度均匀性好，台阶覆盖优良，SiO2膜质量较好 （3）加入PH3等可形成PSG
半导体制造工艺基础
第八章 薄膜淀积 (下)
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二、真空度与分子平均自由程
高纯薄膜的淀积必须在高真空度的系统中进行，因为：
1. 源材料的气相原子和分子在真空中的输运必须直线运动，以保 证金属材料原子和分子有效淀积在衬底上，真空度太低，蒸发 的气相原子或分子将会不断和残余气体分子碰撞，改变方向。
2. 残余气体中的氧和水气，会使金属和衬底氧化
Poly
Epi
Epi
Oxide
Substrate
Non-selective epitaxial growth (NSEG)
Substrate
Selective epitaxial growth (SEG)
半导体制造工艺基础
第八章 薄膜淀积 (下)
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APCVD的主要问题：低产率（throughput） ✓高温淀积：硅片需水平放置 ✓低温淀积：反应速率低
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首先激光能量密度要超过一定的阈值才能使靶材消融溅射，这是因为激 光能量密度必须大到使靶表面出现等离子体，从而在靶表面出现复杂的 层状结构knusen层，这是保证靶膜成分一致的根本原因，当入射激光能 量较低时，大部分原子扩散能力低，凝聚生长形成的晶粒较小，但当入 射激光能量过大，激光轰击靶材形成粒子喷溅的同时，飞向衬底的较大 粒子团簇没能完全迁移扩散就会凝结成膜，使结晶质量下降．采用波长 为248 mn的准分子激光制备GaN膜时，在沉积气压为20 Pa，沉积温度为 700℃条件下，可以测得激光强度为220mJ／Pulse时，生长出的薄膜具有 较好的表面．
6
.
3.2 脉冲激光沉积原理
激光与靶材的相互作用 烧蚀物的传输 衬底上沉积成膜
7
.
激光与物质的相互作用
A. 固态靶 B. 熔化的液态层 C. 气态 和等离子体层 D. 膨胀后的等离子体
等离子体是由大量自由电子和离子及少量未电离的气体分子和原子组成，且 在整体上表现为近似于电中性的电离气体。 等离子体=自由电子+带正电的离子+未电离原子或分子，为物质的第四态8。
1987年，美国贝尔实验室首次成功制备出高温超导薄膜 YBa2Cu3O7,采用的就是PLD技术。从而使PLD技术迅速发展。
5
.
优点： 1）无污染且易于控制 2）能量高，靶膜成分接近一致 3）易于掺杂 4）适合超薄薄膜的生长 5）沉积速率高
缺点： 1）不易于制备大面积的薄膜 2）容易在薄膜表面产生微米-亚微米尺度的颗粒物污染 3）某些材料靶膜成分不一致
烧蚀物紧挨着该区域，其中的金属元素与上述的化学活性氧发生气相 化学反应
显著的气相化学反应发生在激波形成后约5mm的范围内
11
.
衬底上沉积成膜
第三阶段是决定薄膜质量的关键。放射出的高能离子碰击 基片表面，可能对基片造成各种破坏。下图表明了相互作 用的机制。高能核素溅射表面的部分原子，而在入射流与 受溅射原子之间，建立了一个碰撞区。膜在这个热能区 （碰撞区）形成后立即生成，这个区域正好成為凝结粒子 的最佳场所。只要凝结率比受溅射粒子的释放率高，热平 衡状况便能够快速达到，由於熔化粒子流减弱，膜便能在 基片表面生成。
也会使薄膜晶体质量下降，缺陷增多甚至变为非晶．
17
.
衬底对薄膜质量的影响
在PLD制备薄膜的过程中，对于衬底基片的要求非常高，很大程度上决 定了薄膜是否符合要求，目前国内外对衬底基片的研究非常多，主要是 基片的类型、基片温度．用PLD制备的薄膜有超导膜、半导体膜、铁电 膜、压电膜等，这些膜大都各向异性，为得到符合要求性能的薄膜，必 须保证膜晶粒取向择优生长，因此肿过程中要求基片与膜的晶格常数匹 配、物理性能(热膨胀系数，热传导系数)匹配． 衬底基片温度大小及均匀性对薄膜结构、生长速率有影响．
＝532nm(绿光）,激光脉宽为10ns, 频率为1Hz,3Hz,5Hz.能量为0---300mJ可调．
抽真空（机械泵与分子泵至10-5Pa）
开加热装置，通气体
导入激光进行镀膜
关闭仪器
14
.
3.3 薄膜的生长 激光能量密度的影响 沉积气压的影响 衬底对薄膜质量的影响
15
.
激光能量密度的影响
16
.
沉积气压的影响
沉积气压主要影响消融产物飞向衬底这一过程，其对沉积薄膜的影响分为两 类：
1)环境气压不参与反应时，气压主要影响消融粒子内能和平均动能，从而影 响沉积速率；
2)环境气压参与反应时，气压不仅影响薄膜的沉积速率，更重要的是会影响 薄膜成分结构．
环境气体与从靶材中溅射出的等离子体发生碰撞，将离子到达衬底表面 的动能降低．当气压较低时，激光融蚀靶材产生的等离子体中粒子受到 较少碰撞，当它们到达衬底时，动能太大，会导致薄膜晶格位置偏移， 且前面的膜层还没来得及调整自己在择优方向生长就被后续原子所覆盖 固化，降低薄膜质量．当气压较高时，等离子体中粒子与环境气体碰撞 增加，等离子体到达衬底表面时动能太小，其在衬底表面迁移扩散能力降低，
3
.
PLD系统示意图
4
.
发展过程
1960年，世界上第一台红宝石激光器诞生后不久，就产生了激光 镀膜的概念。于是开始了激光与物质相互作用的研究。
1965年，第一次用红宝石激光沉积光学薄膜，取得一定的成功， 但是效果不理想。总有较多的微滴，影响薄膜的质量。
20世纪70年代中期，电子Q开关的应用，短脉冲激光应运而生， 使PLD技术取得较大进展。
.
第三讲 脉冲激光沉积
脉冲激光沉积概述
脉冲激光沉积原理 PLD技术的主要应用
1
.
3.1脉冲激光沉积概述
PLD 发展过程 主要的优点 待解决的问题
2
.
脉冲激光沉积 (Pulsed Laser Deposition, PLD)
是一种真空物理沉积工艺，是将高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使其产生 高温及烧蚀，而产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀发射并在衬 底上沉积形成薄膜。
(1)烧蚀物的运动在气体中激发声波 (2)声波前沿与烧蚀物之间的气体被压缩
烧蚀物的运动比声波快，声波前沿与烧蚀物之间的距离会不断缩小，其 间的气体则不断受到压缩，被压缩气体的温度可达上万度，密度可比未压 缩气体提高数倍，压强也相应的激增 （3）声波前沿处形成一个气体状态的间断面 声波前沿处气体的温度、密度则突然下降到未压缩气体的水平 这个间断面就是所谓的激波
12
.
PLD中的重要实验参数
基体的加热温度
影响沉积速率和薄膜的质量
氧气的压力
过高不利于薄膜择优取向的形成 过低导致化学配比失衡，内部缺陷增多
沉积时间
影响薄膜的厚度
基体与靶的距离
影响薄膜的均匀性
激光能量，频率
影响沉积速率
13
.
PLD法制备薄膜实验流程图
安装靶材与衬底
调整激光器参数
激光器为YAG固体激光器，波长
在PLD中，在距靶1~2cm的位置形成强激波
激波薄层中的温度可达上万度
10
.
PLD中的激波（shock wave）
羽辉的传输：
• 激波的形成阶段 • 激波的传输阶段 • 声波阶段
激波传输过程中的化学反应：
激波传输时的示意图
激波薄层中O2分子将被激发、离解乃至电离而以氧原子、氧离子等 化学活泼状态存在
.
等离子体在空间的输运
靶材表面的高温(可达20000K)和高密度((1016-----1021)/cm3)的等离子体
在靶面法线方向的高温和压力梯度
等温膨胀发射(激光作用时)和绝热膨胀发射(激光法线方向 轴向约束性
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烧蚀物的传输
烧蚀物在空间的传输是指激光脉冲结束后烧蚀物从靶表面到衬底的过程。
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3.2 脉冲激光沉积原理
激光与靶材的相互作用 烧蚀物的传输 衬底上沉积成膜
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激光与物质的相互作用
A. 固态靶 B. 熔化的液态层 C. 气态 和等离子体层 D. 膨胀后的等离子体
等离子体是由大量自由电子和离子及少量未电离的气体分子和原子组成，且 在整体上表现为近似于电中性的电离气体。 等离子体=自由电子+带正电的离子+未电离原子或分子，为物质的第四态8。
1987年，美国贝尔实验室首次成功制备出高温超导薄膜 YBa2Cu3O7,采用的就是PLD技术。从而使PLD技术迅速发展。
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优点： 1）无污染且易于控制 2）能量高，靶膜成分接近一致 3）易于掺杂 4）适合超薄薄膜的生长 5）沉积速率高
缺点： 1）不易于制备大面积的薄膜 2）容易在薄膜表面产生微米-亚微米尺度的颗粒物污染 3）某些材料靶膜成分不一致
烧蚀物紧挨着该区域，其中的金属元素与上述的化学活性氧发生气相 化学反应
显著的气相化学反应发生在激波形成后约5mm的范围内
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衬底上沉积成膜
第三阶段是决定薄膜质量的关键。放射出的高能离子碰击 基片表面，可能对基片造成各种破坏。下图表明了相互作 用的机制。高能核素溅射表面的部分原子，而在入射流与 受溅射原子之间，建立了一个碰撞区。膜在这个热能区 （碰撞区）形成后立即生成，这个区域正好成為凝结粒子 的最佳场所。只要凝结率比受溅射粒子的释放率高，热平 衡状况便能够快速达到，由於熔化粒子流减弱，膜便能在 基片表面生成。
也会使薄膜晶体质量下降，缺陷增多甚至变为非晶．
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衬底对薄膜质量的影响
在PLD制备薄膜的过程中，对于衬底基片的要求非常高，很大程度上决 定了薄膜是否符合要求，目前国内外对衬底基片的研究非常多，主要是 基片的类型、基片温度．用PLD制备的薄膜有超导膜、半导体膜、铁电 膜、压电膜等，这些膜大都各向异性，为得到符合要求性能的薄膜，必 须保证膜晶粒取向择优生长，因此肿过程中要求基片与膜的晶格常数匹 配、物理性能(热膨胀系数，热传导系数)匹配． 衬底基片温度大小及均匀性对薄膜结构、生长速率有影响．
＝532nm(绿光）,激光脉宽为10ns, 频率为1Hz,3Hz,5Hz.能量为0---300mJ可调．
抽真空（机械泵与分子泵至10-5Pa）
开加热装置，通气体
导入激光进行镀膜
关闭仪器
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3.3 薄膜的生长 激光能量密度的影响 沉积气压的影响 衬底对薄膜质量的影响
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激光能量密度的影响
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沉积气压的影响
沉积气压主要影响消融产物飞向衬底这一过程，其对沉积薄膜的影响分为两 类：
1)环境气压不参与反应时，气压主要影响消融粒子内能和平均动能，从而影 响沉积速率；
2)环境气压参与反应时，气压不仅影响薄膜的沉积速率，更重要的是会影响 薄膜成分结构．
环境气体与从靶材中溅射出的等离子体发生碰撞，将离子到达衬底表面 的动能降低．当气压较低时，激光融蚀靶材产生的等离子体中粒子受到 较少碰撞，当它们到达衬底时，动能太大，会导致薄膜晶格位置偏移， 且前面的膜层还没来得及调整自己在择优方向生长就被后续原子所覆盖 固化，降低薄膜质量．当气压较高时，等离子体中粒子与环境气体碰撞 增加，等离子体到达衬底表面时动能太小，其在衬底表面迁移扩散能力降低，
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PLD系统示意图
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发展过程
1960年，世界上第一台红宝石激光器诞生后不久，就产生了激光 镀膜的概念。于是开始了激光与物质相互作用的研究。
1965年，第一次用红宝石激光沉积光学薄膜，取得一定的成功， 但是效果不理想。总有较多的微滴，影响薄膜的质量。
20世纪70年代中期，电子Q开关的应用，短脉冲激光应运而生， 使PLD技术取得较大进展。
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第三讲 脉冲激光沉积
脉冲激光沉积概述
脉冲激光沉积原理 PLD技术的主要应用
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3.1脉冲激光沉积概述
PLD 发展过程 主要的优点 待解决的问题
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脉冲激光沉积 (Pulsed Laser Deposition, PLD)
是一种真空物理沉积工艺，是将高功率脉冲激光聚焦于靶材表面，使其产生 高温及烧蚀，而产生高温高压等离子体，等离子体定向局域膨胀发射并在衬 底上沉积形成薄膜。
(1)烧蚀物的运动在气体中激发声波 (2)声波前沿与烧蚀物之间的气体被压缩
烧蚀物的运动比声波快，声波前沿与烧蚀物之间的距离会不断缩小，其 间的气体则不断受到压缩，被压缩气体的温度可达上万度，密度可比未压 缩气体提高数倍，压强也相应的激增 （3）声波前沿处形成一个气体状态的间断面 声波前沿处气体的温度、密度则突然下降到未压缩气体的水平 这个间断面就是所谓的激波
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PLD中的重要实验参数
基体的加热温度
影响沉积速率和薄膜的质量
氧气的压力
过高不利于薄膜择优取向的形成 过低导致化学配比失衡，内部缺陷增多
沉积时间
影响薄膜的厚度
基体与靶的距离
影响薄膜的均匀性
激光能量，频率
影响沉积速率
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PLD法制备薄膜实验流程图
安装靶材与衬底
调整激光器参数
激光器为YAG固体激光器，波长
在PLD中，在距靶1~2cm的位置形成强激波
激波薄层中的温度可达上万度
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PLD中的激波（shock wave）
羽辉的传输：
• 激波的形成阶段 • 激波的传输阶段 • 声波阶段
激波传输过程中的化学反应：
激波传输时的示意图
激波薄层中O2分子将被激发、离解乃至电离而以氧原子、氧离子等 化学活泼状态存在
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等离子体在空间的输运
靶材表面的高温(可达20000K)和高密度((1016-----1021)/cm3)的等离子体
在靶面法线方向的高温和压力梯度
等温膨胀发射(激光作用时)和绝热膨胀发射(激光法线方向 轴向约束性
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烧蚀物的传输
烧蚀物在空间的传输是指激光脉冲结束后烧蚀物从靶表面到衬底的过程。