宽带隙半导体材料和工艺

宽带隙半导体材料和工艺第一页，共30页。WBS需求现状2023/4/18第二页，共30页。半导体材料的发展第一代半导体：元素半导体（Si，Ge）第二代半导体：化合物半导体（GaAs）第三代半导体：宽禁带半导体（SiC，GaN，金刚石）2023/4/18第三页，共30页。宽禁带半导体材料宽禁带半导体的优点：1、禁带宽度大2、电子飘逸饱和速度高3、介电常数小4、导热性能好2023/4/18第四页，共30页。宽禁带半导体材料2023/4/18第五页，共30页。SIC材料晶体结构：多型结构，常见的结构有立方结构的3C-SiC和六方结构的6H-SiC和4H-SiC，目前已被证实的多型体有200多种。其中6H-SiC最稳定。纯碳化硅是无色透明的晶体。工业碳化硅因所含杂质的种类和含量不同，而呈浅黄、绿、蓝乃至黑色能带结构：间接跃迁型2023/4/18第六页，共30页。SIC材料SiC多型结构2023/4/18第七页，共30页。SIC材料硬度、耐磨性

碳化硅具有高硬度，它的莫氏硬度为9.2—9.3，处于金刚石和黄玉之间，可以切割红宝石。同样，它还具有高耐磨性。热稳定性

在常压下不可能熔化SiC，高压高温下，碳化硅的熔点温度在2830（±40）℃，SiC升华分解为碳和含硅的SiC蒸气化学性质SiC表面易生成SiO2层，SiC具有良好的抗放射性，SiC器件抗辐射能力是硅的10-100倍。2023/4/18第八页，共30页。GaN材料随着半导体材料生长技术的突破和P型GaN的成功制备—1991年世界上第一个蓝光GaNLEDs在日本日亚工业公司问世—标志着新一代LEDs的研制、开发和应用进入了一个新的时期；GaN具有比SiC更高的迁移率，更重要的是GaN可以形成调制掺杂的GaN结构，该结构可以在室温下获得更高的电子迁移率、极高的峰值电子速度和饱和电子速度2023/4/18第九页，共30页。GaN材料GaN晶格结构2023/4/18第十页，共30页。GaN材料GaN室温电子迁移率可达1000m2/(V·S)。GaN基系列半导体材料具有强的原子键、化学稳定性好，在室温下不溶于水、酸和碱；

GaN基半导体也是坚硬的高熔点材料，熔点高达约1770℃。

GaN具有高的电离度，在III-V族化合物中是最高的（0.5或0.43）。2023/4/18第十一页，共30页。GaN材料GaN的应用 1、发光器件（LEDs,LDs); 2、场效应晶体管; 3、紫外光探测器; 4、微波波导 5、光存储器件2023/4/18第十二页，共30页。SiC工艺SiC器件制造工艺的重要特点： 1、原料来源的无限性； 2、典型的原料纯化和加工处理过程； 3、对生物圈造成的能量负荷和生态负荷低； 4、可以以基体自身的碳形成本征掩蔽膜，也存在本征氧化物SiO2；

2023/4/18第十三页，共30页。SiC工艺制备SiO2的方法热氧化法化学气相淀积法热分解淀积法溅射法真空蒸发法阳极氧化法等

2023/4/18第十四页，共30页。热氧化法热氧化法：硅与氧或水汽等氧化剂在高温下生成SiO2的过程，具有很高的重复性优点：质量好，表面态密度小，可很好控制界面陷阱和固定电荷，性质不太受湿度和中等热处理温度的影响，因此是集成电路中最重要的制备SiO2方法

2023/4/18第十五页，共30页。氧化工艺在半导体生产中普遍采用干-湿-干的氧化方法

2023/4/18第十六页，共30页。氧化工艺热氧的优点：（1）优良的绝缘体：电阻率>11020

cm

能带宽度～9eV（2）高击穿电场：>10MV/cm（3）稳定以及可再生的Si/SiO2界面（4）在裸露硅表面氧化的保形覆盖好

2023/4/18第十七页，共30页。光刻技术光刻是集成电路工艺中的关键性技术，最早的构想来源于印刷技术中的照相制版概念：将掩模版上的图形（电路结构）“临时”（嵌套式）转移到硅片上的过程光刻技术在半导体器件制造中的应用最早可追溯到1958年，实现了平面晶体管的制作光刻工艺的成本在整个IC芯片加工成本中几乎占三分之一IC集成度的提高，主要归功用于光刻技术的进步

2023/4/18第十八页，共30页。光刻技术

2023/4/18第十九页，共30页。光刻技术光刻工艺的主要步骤（I）：

2023/4/18第二十页，共30页。光刻技术SiC器件制造工艺的重要特点： 1、原料来源的无限性； 2、典型的原料纯化和加工处理过程； 3、对生物圈造成的能量负荷和生态负荷低； 4、可以以基体自身的碳形成本征掩蔽膜，也存在本征氧化物SiO2；

2023/4/18第二十一页，共30页。光刻技术在SiO2薄膜上形成图形为例2023/4/18第二十二页，共30页。曝光工艺紫外（UV）和深紫外（DUV）光源是目前IC工业上普遍应用的曝光光源UV曝光的主要方法有：接触式曝光接近式曝光投影式曝光

2023/4/18第二十三页，共30页。曝光工艺

2023/4/18第二十四页，共30页。曝光工艺

2023/4/18第二十五页，共30页。曝光工艺

2023/4/18第二十六页，共30页。刻蚀刻蚀，是指用化学或物理方法有选择地从硅片表面去除不需要的材料的过程。刻蚀的基本目的，是在涂胶(或有掩膜)的硅片上正确的复制出掩膜图形。

在半导体制造中有两种基本的刻蚀工艺：干法刻蚀和湿法腐蚀。2023/4/18第二十七页，共30