寬禁帶半導(dǎo)體材料和工藝設(shè)計

寬禁帶半導(dǎo)體資料和工藝設(shè)計寬禁帶半導(dǎo)體資料和工藝設(shè)計15/15寬禁帶半導(dǎo)體資料和工藝設(shè)計寬禁帶半導(dǎo)體資料與工藝1.1寬禁帶半導(dǎo)體的見解和發(fā)展寬禁帶半導(dǎo)體（WBS）是自第一代元素半導(dǎo)體資料（Si）和第二代化合物半導(dǎo)體資料（GaAs、GaP、InP等）今后發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體資料。這種資料主要包含SiC（碳化硅）、C-BN（立方氮化硼）、GaN（氮化鎵、）AlN（氮化鋁）、ZnSe（硒化鋅）以及金剛石等。第二代半導(dǎo)體GaAs與Si比較除了禁帶寬度增大外，其電子遷徙率與電子飽和速度分別是Si的6倍和2倍，所以其器件更合適高頻工作。GaAs場效應(yīng)管器件還擁有噪聲低、效率高和線性度好的特色但比較第三代半導(dǎo)體GaN和SiC，它的熱導(dǎo)率和擊穿電場都不高，所以它的功率特色方面的表現(xiàn)不足。為了知足無線通訊、雷達(dá)等應(yīng)用對高頻次、寬禁帶、高效率、大功率器件的需要從二十世紀(jì)九十年月初開始，化合物半導(dǎo)體電子器件的研究重心開始轉(zhuǎn)向?qū)捊麕О雽?dǎo)體。我們一般把禁帶寬度大于2eV的半導(dǎo)體稱為寬禁帶半導(dǎo)體。寬禁帶半導(dǎo)體資料擁有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)率、高載流子飽和漂移速度等特色，在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面擁有巨大的應(yīng)用潛力。1.2主要的寬禁帶半導(dǎo)體資料近來幾年來，發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體資料主假如SiC和GaN，此中SiC的發(fā)展更早一些，碳化硅、氮化鎵、硅以及砷化鎵的一些參數(shù)以以下列圖所示：圖1-1半導(dǎo)體資料的重要參數(shù)如上圖所示，SiC和GaN的禁帶寬度遠(yuǎn)大于Si和GaAs，相應(yīng)的本征載流子濃度小于硅和砷化鎵，寬禁帶半導(dǎo)體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導(dǎo)體資料。擊穿場強(qiáng)和飽和熱導(dǎo)率也遠(yuǎn)大于硅和砷化鎵。2.1SiC資料純碳化硅是無色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質(zhì)的種類和含量不一樣樣，而呈淺黃、綠、藍(lán)以致黑色，透明度隨其純度不一樣樣而異。碳化硅晶體構(gòu)造分為六方或菱面體的α-SiC和立方體的β-SiC（稱立方碳化硅)。α-SiC因為其晶體構(gòu)造中碳和硅原子的堆垛序列不一樣樣而組成很多不一樣樣變體，已發(fā)現(xiàn)70余種。β-SiC于2100℃以上時轉(zhuǎn)變成α-SiC。SiC是IV-IV族二元化合物半導(dǎo)體，也是周期表IV族元素中獨一的一種固態(tài)化合物。組成元素是Si和C，每種原子被四個異種原子所包圍,形成四周體單元(圖25a)。原子間經(jīng)過定向的強(qiáng)四周體SP3鍵(圖25b)聯(lián)合在一同，并有必然程度的極化。SiC擁有很強(qiáng)的離子共價鍵，離子性對鍵合的貢獻(xiàn)約占12%,決定了它是一種聯(lián)合堅固的構(gòu)造。SiC擁有很高的德拜溫度，達(dá)到1200-1430K,決定了該資料關(guān)于各樣外界作用的堅固性，在力學(xué)、化學(xué)方面有優(yōu)勝的技術(shù)特色。它的多型構(gòu)造以以下列圖：圖2-1碳化硅的多型構(gòu)造碳化硅因為化學(xué)性能堅固、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其余用途，比方：以特別工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機(jī)葉輪或汽缸體的內(nèi)壁，可提升其耐磨性而延伸使用壽命1～2倍；用以制成的高級耐火資料，耐熱震、體積小、重量輕而強(qiáng)度高，節(jié)能見效好。低等級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加速煉鋼速度，并便于控制化學(xué)成分，提升鋼的質(zhì)量。其余，碳化硅還大批用于制作電熱元件硅碳棒。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度為9.5級，僅次于世界上最硬的金剛石（10級），擁有優(yōu)秀的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時能抗氧化。2.2GaN資料GaN是一種極堅固，堅硬的高熔點資料，熔點約為1700℃。GaN擁有高的電離度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大氣壓下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦構(gòu)造。它在一個晶胞中有4個原子。因為其硬度高，又能夠作為優(yōu)秀的涂層保護(hù)資料。在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿，而在熱的堿溶液中溶解速度又特別緩慢?？墒荖aOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐化質(zhì)量差的GaN，這種方法可以用來檢測質(zhì)量不高的GaN晶體。GaN在HCL或H2氛圍高溫下表現(xiàn)不堅固特色，而在N2氣下最為堅固。GaN基資料是直接躍遷型半導(dǎo)體資料,擁有優(yōu)秀的光學(xué)性能,可作出高效率的發(fā)光器件,GaN基LED的發(fā)光波長范圍可從紫外到綠色光Ⅲ族氮化物主要包含GaN、ALN、InN、ALInN、GaInN、ALInN和ALGaInN等，其禁帶寬度覆蓋了紅、黃、綠、藍(lán)、紫和紫外光譜范圍。GaN是Ⅲ族氮化物中的基本資料，也是當(dāng)前研究最多的Ⅲ族氮化物質(zhì)料。GaN的電學(xué)性質(zhì)是決定器件性能的主要要素。當(dāng)前GaN的電子室溫遷徙率能夠達(dá)到900cm2/（V*s）。GaN資料所擁有的禁帶寬度大、擊穿電場高、電子飽和速度高是制作高溫、大功率器件的最正確資料。氮化物半導(dǎo)體資料存在六方纖鋅礦和立方閃鋅礦兩種不一樣樣的晶體構(gòu)造，如氮化鎵的構(gòu)造以下列圖所示：圖2-2氮化鎵的構(gòu)造晶體構(gòu)造的形成主要由晶體的離子性決定，氮化物的離子性強(qiáng)，所以纖鋅礦是氮化鎵的常有構(gòu)造，閃鋅礦構(gòu)造是亞穩(wěn)態(tài)構(gòu)造。GaN資料系列擁有低的熱產(chǎn)生率和高的擊穿電場，是研制高溫大功率電子器件和高頻微波器件的重要資料。當(dāng)前，跟著MBE技術(shù)在GaN資料應(yīng)用中的進(jìn)展和重點薄膜生長技術(shù)的打破，成功地生長出了GaN多種異質(zhì)構(gòu)造。用GaN資料制備出了金屬場效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制混雜場效應(yīng)晶體管（MODFET）等新式器件。調(diào)制混雜的AlGaN/GaN構(gòu)造具有高的電子遷徙率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)先資料；GaN較寬的禁帶寬度(3.4eV)及藍(lán)寶石等資料作襯底，散熱性能好，有益于器件在大功率條件下工作。關(guān)于GaN資料，長久以來還有襯底單晶，異質(zhì)外延缺點密度相當(dāng)高等問題還沒有解決，可是GaN半導(dǎo)體器件的水平已可適用化。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN雙質(zhì)結(jié)LED，InGaN單量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相繼開發(fā)成功。InGaN與AlGaP、AlGaAs系紅色LED組合形成亮亮度全色顯示。這樣三原色混成的白色光光源也翻開新的應(yīng)用領(lǐng)域,以高靠譜、長壽命LED為特征的時代就會到來。日光燈和電燈泡都將會被LED所代替。LED將成為主導(dǎo)產(chǎn)品，GaN晶體管也將隨資料生長和器件工藝的發(fā)展而迅猛發(fā)展，成為新一代高溫度頻大功率器件。3.1寬禁帶半導(dǎo)體的工藝氧化工藝SiC的氧化層與硅器件制作中的SiO2擁有十分相像的作用，比方氧化層作為工藝過程的掩膜，用作金屬-氧化物-半導(dǎo)體（MOS）構(gòu)造的絕緣層、作為器件表面的電學(xué)鈍化層等。外延生長前的氧化過程還能夠夠除掉SiC襯底上的拋光損傷。因為SiC能夠被氧化成SiO2，所以器件制作中能夠與成熟的硅器件平面工藝相兼容。實現(xiàn)熱氧化不需要特其余不一樣樣于在硅上獲取SiO2時所利用的工藝設(shè)備，它們的差別可是是碳化硅的氧化速度顯然減少，采納干氧氧化和濕氧氧化進(jìn)行熱氧化，還能夠夠在N2O中獲取SiO2，可使用氮化物或氮氧化物絕緣體應(yīng)用于高溫器件。熱氧化法主要包含干氧氧化和濕氧氧化，干氧氧化：Si+O2→SiO2，它的長處是構(gòu)造致密、干燥、平均性和重復(fù)性好，掩蓋能力強(qiáng)，與光刻膠黏附性好，也是一種理想的鈍化膜。高質(zhì)量SiO2薄膜如MOS柵氧化層一般都采納此法制備。濕氧氧化：氧化劑是經(jīng)過高純水（一般被加熱到950C左右）的氧氣，既有氧又有水。氧化速度介于干氧和水汽氧化之間，詳細(xì)與氧氣流量、水汽含量等相關(guān)也可用惰性氣體（氮氣或氬氣）攜帶水汽進(jìn)行氧化熱氧化的長處：質(zhì)量好，表面態(tài)密度小，可很好控制界面騙局和固定電荷，性質(zhì)不太受濕度和中等熱辦理溫度的影響，所以是集成電路中最重要的制備SiO2方法。3.2光刻光刻是集成電路工藝中的重點性技術(shù)，最早的構(gòu)思根源于印刷技術(shù)中的照相制版。它的見解是將掩模版上的圖形（電路構(gòu)造）“暫時”（嵌套式）轉(zhuǎn)移到硅片上的過程。光刻技術(shù)在半導(dǎo)體器件制造中的應(yīng)用最早可追憶到1958年，實現(xiàn)了平面晶體管的制作。光刻工藝的成本在整個IC芯片加工成本中幾乎占三分之一，IC集成度的提升，主要歸功用于光刻技術(shù)的進(jìn)步。集成電路中對光刻的基本要求：（1）高辯解率。平常把線寬作為光刻水平的標(biāo)記，也用加工圖形線寬的能力來代表IC的工藝水平。（2）高敏捷度的光刻膠（指膠的感光速度）。為了提升IC產(chǎn)量，希望曝光時間越短越好。（3）低缺點。在光刻中引入的缺點的影響比其余工藝更嚴(yán)重，比方重復(fù)導(dǎo)致多半片子都變壞。（4）精巧的套刻瞄準(zhǔn)。贊成的套刻偏差為線寬的10%。（5）對大尺寸硅片的加工。在大尺寸硅片上知足上述光刻要求的難度更大。光刻工藝的主要步驟圖以下：圖3-1光刻工藝步驟圖光刻的主要步驟：1）涂膠（甩膠）：在硅片表面形成厚度平均、附著性強(qiáng)、沒出缺點的光刻膠薄膜。以前需要脫水烘焙，而且涂上HMDS或TMSDEA用以增添光刻膠與硅片表面的附著能力2）前烘：去溶劑，減少塵埃污染，保持曝光精準(zhǔn)度，減少顯影溶解致厚度損失，減少高速旋轉(zhuǎn)致薄膜應(yīng)力。因為前烘，光刻膠的厚度會減薄10%~20%（3）曝光：光刻膠經(jīng)過掩模曝光，以正膠為例，感光劑DQ受光變成乙烯酮，再變成羧酸（易溶于堿液）4）顯影：正膠的曝光區(qū)和負(fù)膠的非曝光區(qū)在顯影液中溶解，使曝光后光刻膠層中形成的暗藏圖形展現(xiàn)出來。圖形檢查，不合格的返工，用丙酮去膠5）堅膜：高溫辦理過程，除掉光刻膠中的節(jié)余溶液，增添附著力，提升抗蝕能力。堅膜溫度（光刻膠玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度）高于前烘和曝光后烘烤溫度，在這個溫度下，光刻膠將融化，表面在表面張力的作用下而圓滑化，減少光刻膠層中的缺點，并修正光刻膠圖形的邊沿輪廓6）刻蝕或注入7）去膠：將光刻膠從硅片的表面除掉，包含干法去膠和濕法去膠。干法去膠就是用等離子體（如氧等離子體）將光刻膠剝除。濕法去膠又分為有機(jī)溶劑（常用丙酮）去膠和無機(jī)溶劑（如H2SO4和H2O2）去膠，而金屬化后必然用有機(jī)溶劑去膠。干法去膠和濕法去膠常常搭配進(jìn)行。以在SiO2氧化膜上光刻為例，以以下列圖，第一在有SiO2覆蓋的硅片表面涂布一層對紫外光敏感資料，這種資料是一種液態(tài)物質(zhì)叫做光刻膠。將少許液態(tài)光刻膠滴在硅片上，再經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)后，則在硅片表面形成一層平均的光刻膠薄膜。甩膠今后，在較低的溫度(80oC-100oC)下進(jìn)行一準(zhǔn)時間烘焙，其目的是，使光刻膠中的溶劑揮發(fā)，進(jìn)而改良光刻膠與表面的粘附性。硬化后的光刻膠與照像所使用的感光膠相像。圖3-2光刻圖接下來用UV光經(jīng)過掩模版的透光區(qū)使光刻膠曝光，如圖（b）所示。掩模版是開初制備的玻璃或石英版，其上復(fù)制有需要轉(zhuǎn)移到SiO2薄膜上的圖形。掩模版的暗區(qū)能夠阻截UV光芒經(jīng)過。曝光地區(qū)中的光刻膠會發(fā)生光化學(xué)反響，反應(yīng)的種類與光刻膠的種類相關(guān)。關(guān)于負(fù)性光刻膠，在經(jīng)過光照的地區(qū)會發(fā)生聚合反響，變得難以去除。浸入顯影劑今后，曝光地區(qū)發(fā)生聚合反響的負(fù)膠保存下來，而沒有曝光的地區(qū)的負(fù)膠被分解掉，溶于顯影液中。經(jīng)過顯影今后的負(fù)膠圖形如圖（c）的右圖所示。正性光刻膠中含有大批的感光劑，能夠顯然地控制正膠在堿性顯影液中的溶解速度。經(jīng)過曝光今后，感光劑發(fā)生疏解，使得曝光地區(qū)的正膠被優(yōu)先除掉，其見效如圖（c）的左圖所示。從應(yīng)用的過程來看，負(fù)膠在初期的IC工藝中寬泛應(yīng)用?，F(xiàn)在正膠的應(yīng)用已經(jīng)成為主流，因為正膠能夠供給更好的圖形控制。瞄準(zhǔn)方法：（1）預(yù)瞄準(zhǔn)，經(jīng)過硅片上的notch或許flat進(jìn)行激光自動瞄準(zhǔn)；（2）經(jīng)過瞄準(zhǔn)標(biāo)記（AlignMark），位于切割槽（ScribeLine）上。其余層間瞄準(zhǔn)，即套刻精度（Overlay），保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的瞄準(zhǔn)。曝光中最重要的兩個參數(shù)是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。假如能量和焦距調(diào)整不好，就不可以夠獲取要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關(guān)鍵尺寸高出要求的范圍。曝光方法：（1）接觸式曝光（ContactPrinting）。掩膜板直接與光刻膠層接觸。曝光出來的圖形與掩膜板上的圖形分辨率相當(dāng)，設(shè)施簡單。缺點：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，壽命很低（只好使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm。（2）湊近式曝光（ProximityPrinting）。掩膜板與光刻膠層的稍微分開，大約為10～50μm。能夠防范與光刻膠直接接觸而惹起的掩膜板傷害。可是同時引入了衍射效應(yīng)，降低了分辨率。1970后適用，可是其最大分辨率僅為2～4μm。（3）投影式曝光（ProjectionPrinting）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡齊集光實現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。長處：提升了分辨率；掩膜板的制作更為簡單；掩膜板上的缺點影響減小。投影式曝光分類：掃描投影曝光（ScanningProjectPrinting）。70年月末～80年月初，〉1μm工藝；掩膜板1：1，全尺寸步進(jìn)重復(fù)投影曝光（Stepping-repeatingProjectPrinting或稱作Stepper）。80年月末～90年月，0.35μm（Iline）～0.25μm（DUV）。掩膜板減小比率（4：1），曝光地區(qū)ExposureField）22×22mm（一次曝光所能覆蓋的地區(qū)）。增添了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。掃描步進(jìn)投影曝光（Scanning-SteppingProjectPrinting）。90年月末～到現(xiàn)在，用于≤0.18μm工藝。采納6英寸的掩膜板依據(jù)4：1的比率曝光，曝光地區(qū)（ExposureField）26×33mm。長處：增大了每次曝光的視場；供給硅片表面不平展的賠償；提升整個硅片的尺寸平均性?？墒牵瑫r因為需要反向運動，增添了機(jī)械系統(tǒng)的精度要求。在曝光過程中，需要對不一樣樣的參數(shù)和可能缺點進(jìn)行追蹤和控制，會用到檢測控制芯片/控片（MonitorChip）。依據(jù)不一樣樣的檢測控制對象，能夠分為以下幾種：（1）顆?？仄≒articleMC）：用于芯片上微小顆粒的監(jiān)控，使用前其顆粒數(shù)應(yīng)小于10顆；（2）卡盤顆?？仄–huckParticleMC）：測試光刻機(jī)上的卡盤平展度的專用芯片，其平展度要求特別高；（3）焦距控片（FocusMC）：作為光刻機(jī)監(jiān)控焦距監(jiān)控；（4）重點尺寸控片（CriticalDimensionMC）：用于光刻區(qū)重點尺寸堅固性的監(jiān)控；（5）光刻膠厚度控片（PhotoResistThicknessMC）：光刻膠厚度丈量；（6）光刻缺點控片（PDM，PhotoDefectMonitor）：光刻膠缺點監(jiān)控。舉例：0.18μm的CMOS掃描步進(jìn)光刻工藝。光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm）；數(shù)值孔徑NA：0.6～；焦深DOF：0.7μm分辨率Resolution：0.18～0.25μm（一般采納了偏軸照明OAI_Off-AxisIllumination和相移掩膜板技術(shù)PSM_PhaseShiftMask加強(qiáng)）；套刻精度Overlay：65nm；產(chǎn)能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；視場尺寸FieldSize：25×32mm；顯影方法：（1）整盒硅片淹沒式顯影（BatchDevelopment）。缺點：顯影液耗費很大；顯影的平均性差；（2）連續(xù)噴霧顯影（ContinuousSprayDevelopment）。自動旋轉(zhuǎn)顯影（Auto-rotationDevelopment）。一個或多個噴嘴噴灑顯影液在硅片表面，同時硅片低速旋轉(zhuǎn)（100～500rpm）。噴嘴噴霧模式和硅片旋轉(zhuǎn)速度是實現(xiàn)硅片間溶解率和平均性的可重復(fù)性的重點調(diào)理參數(shù)。（3）水坑（旋覆淹沒）式顯影（PuddleDevelopment）。噴覆足夠（不可以夠太多，最小化反面濕度）的顯影液到硅片表面，并形成水坑形狀（顯影液的流動保持較低，以減少邊沿顯影速率的變化）。硅片固定或慢慢旋轉(zhuǎn)。一般采納多次旋覆顯影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。此后用去離子水沖刷（去除硅片兩面的全部化學(xué)品）并旋轉(zhuǎn)甩干。長處：顯影液用量少；硅片顯影平均；最小化了溫度梯度。顯影液：（1）正性光刻膠的顯影液。正膠的顯影液位堿性水溶液。KOH和NaOH因為會帶來可動離子污染（MIC，MovableIonContamination），所以在IC制造中一般不用。最一般的正膠顯影液是四甲基氫氧化銨（TMAH）（標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)量濃度為0.26，溫度15～250C）。在I線光刻膠曝光中會生成羧酸，TMAH顯影液中的堿與酸中和使曝光的光刻膠溶解于顯影液，而未曝光的光刻膠沒有影響；在化學(xué)放大光刻膠（CAR，ChemicalAmplifiedResist）中包含的酚醛樹脂以PHS形式存在。CAR中的PAG產(chǎn)生的酸會去除PHS中的保護(hù)基團(tuán)（t-BOC），進(jìn)而使PHS迅速溶解于TMAH顯影液中。整個顯影過程中，TMAH沒有同PHS發(fā)生反響。（2）負(fù)性光刻膠的顯影液。顯影液為二甲苯。沖刷液為乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。顯影中的常有問題：（1）顯影不完滿（IncompleteDevelopment）。表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成；（2）顯影不夠（UnderDevelopment）。顯影的側(cè)壁不垂直，由顯影時間不足造成；（3）過分顯影（Over