分子束磊晶技术是一种可在原子尺度上精确控制磊晶课件

1、奈米半導體的製備石豫臺國立彰化師範大學物理系暨光電科技研究所1第1页，共37页。奈米半導體的製備積體電路半導體技術的演進目標製程技術的挑戰奈米材料製備方法的分類微影術真空蒸鍍法濺射鍍膜法分子束磊晶法金屬有機化學氣相沈積法2第2页，共37页。晶圓(wafer)指矽半導中積體電路所用之矽晶片，因形狀為圓形，故稱為晶圓。在矽晶片上可加工製作各種電路元件結構，而成為有特定功能的積體電路(IC)。晶圓按其直徑分為4、5、6、8、12吋甚至更大規格。晶圓越大,同一晶片上可生產的IC就越多,可降低成本； 但要求材料技術和生產技術更高 。12吋晶圓3第3页，共37页。晶圓的製造純化：以矽石(silica)或矽

2、酸鹽(silicate)為原料，經由電弧爐提煉、鹽酸氯化，並蒸餾後，得高純度多晶矽。長晶：將多晶矽融解，摻入一小粒晶種，慢慢拉出，形成圓柱狀單晶矽棒。若希望成為摻雜半導體，則可在拉晶程序前摻入一定比例的雜質。整修：將晶柱進行切割、清洗、吹乾、拋光以製成晶圓。磊晶在製造互補式金氧半導體(CMOS)元件時，需要一層沈積的磊晶矽。4第4页，共37页。柴可歐斯基(Czochralski)長晶法5第5页，共37页。晶柱6第6页，共37页。積體電路(Integrated circuit, IC)就是將電晶體、二極體、電阻、電容等電子元件，用微電子的技術將其做在一片長寬約半公分以內的晶片上。特點：體積小、功

3、能多、可靠性高、價錢便宜。半導體最大的應用是積體電路。舉凡電腦、手機、各種家電與資訊產品一定有IC存在。封裝好的IC7第7页，共37页。積體電路製造流程8第8页，共37页。IC發展的指標元件的尺寸以設計時的最小尺寸為代表特徵，稱為特徵尺寸(feature size)元件的數目依積體程度範圍從小型積體電路(SSI)到超大型積體電路(ULSI)。9第9页，共37页。半導體技術的演進目標改善性能提升速度降低能耗提高可靠度降低成本改良製作方法，如改善製程、設備等把元件微小化，使晶片上能製造的 IC更多。半導體技術發展的重要趨勢10第10页，共37页。積體電路有什麼好處？一個晶片可包含超過六千四百萬個電

4、晶體集積(integration)的好處：經濟上的誘因在一個矽晶片上做一百萬個元件與做一個元件費用差不多，而且矽晶片上元件之間的連線都一併做好了。分立的元件必須一個個連結起來，才能成為電路，製程貴又不可靠。在晶片上製作愈來愈複雜的電路，才能維持競爭力。電路的性能尺寸小的電晶體比尺寸大的操作要快。半導體業要盡一切可能，讓晶片的集積度不斷的繼續增加。11第11页，共37页。摩爾定律(Moores Law)Gordon Moore:英特爾的創始人之一在1965年預測：每一晶片(chip)上的電晶體數量，每12個月即會倍增 (之後俢改為每24個月)。每二年可視為一代一維的線幅減為上一代之0.7 因 0

5、.70.7 0.5，二維面積減為上一代之半。在相同面積上，電晶體數目增加約一倍。12第12页，共37页。半導體技術進展130 0.7 = 91 (90 奈米技術節點) 2004 年 90 0.7 = 63 (65 奈米技術節點) 2007 年 65 0.7 = 46 (45 奈米技術節點) 2010 年 45 0.7 = 32 (32 奈米技術節點) 2013 年 32 0.7 = 22 (22 奈米技術節點) 2016 年 22 0.7 = 15 (16 奈米技術節點) 2019 年13第13页，共37页。進入奈米電子的時代IC技術：以前稱為微電子技術電晶體大小 10-6 米 (微米)現稱為

6、奈米電子技術電晶體大小 0.1 微米 (= 100 奈米)未來的IC大部分均由奈米技術製成。14第14页，共37页。電晶體的奈米化發展如果電腦運算速度要由10億赫茲(1 GHz)向上提升，則半導體元件就要由微米跨入奈米。電腦的由中央處理器(CPU)內數十萬個電晶體處理訊號，運算速度取決於電晶體的開關速度。場效電晶體的開關速度取決於源極電子流到汲極時間。若閘極長度微縮化，則開關速度可增加，CPU可加快。目前半導體技術已由130奈米走向90奈米，進而到65奈米。若閘極長度20奈米，電晶體集積密度10倍，CPU 20 GHZ。15第15页，共37页。製程技術的挑戰微影技術：要求在12吋晶圓上曝光顯影

7、的圖形大小幾十奈米，在下層結構對準的準確度幾奈米。精準程度相當於在中國大陸的面積上，每次都能精準找到一顆玻璃彈珠。昂貴的曝光機：NT$ 78 億/部。薄膜厚度：12奈米，在12吋晶圓上的誤差小於5%。相當於在100個足球場的面積上舖上一層1公分厚的泥土，而且要誤差控制在0.05公分的範圍。16第16页，共37页。奈米材料的製備17第17页，共37页。奈米材料製備方法的分類自上而下(top down)切割大小將一羣分子由表面挖出，或加到表面上例：微影蝕刻技術。自下而上(bottom up)組裝小大將原子或分子組合成奈米結構例：奈米結構的自組裝成長。18第18页，共37页。光微影術(photoli

8、thography)先將設計的圖形製作成光罩(photo mask)，應用光學成像原理，將圖形投影至晶圓上。晶圓表面事先塗抹光阻(photo resist)。 通過光罩及透鏡的光線會與光阻劑產生反應，步驟稱為曝光。曝光後的晶圓再經顯影(development)步驟，以化學方式處理晶圓上曝光與未曝光的光阻劑，即可將光罩上的圖形完整地轉移到晶片上，然後接續其他的製程。極限100 nm。標準光微影製程：曝光源通過光罩、透鏡，最後將光罩圖形成像於晶圓上19第19页，共37页。繞射極限解析度 ( / 數值孔徑)聚焦深度 ( / 數值孔徑2)最小線寬 波長 解決方法：電子束微影(e-beam lithog

9、raphy)波長更小極限50 nm缺點：費時(4 hr/4吋晶片)不適宜大規模工業生產。不同波長的光源，適用於不同的線寬尺寸。光源的能量越高，波長越短，可製作的線寬越小。 20第20页，共37页。自組裝(self assembly)原理：分子會尋求最低的能量狀態。如果相鄰分子鍵結後，能量最低，則分子會形成鍵結。如果某種排列會達最低能量，則分子以此方式排列。在自組裝中，如果將特定的原子或分子放到表面或預先建造的奈米結構上，則分子會自己排入特定的位置。奈米晶體成長即是一種自組裝過程。21第21页，共37页。奈米半導體薄膜的製備方法22第22页，共37页。真空蒸鍍法在高真空中，用加熱蒸發的方式使物質

10、轉化為氣相，然後凝聚在基板表面的方法稱為蒸鍍。蒸鍍法包含：電阻加熱蒸鍍、電子束加熱蒸鍍、高頻加熱蒸鍍23第23页，共37页。濺射鍍膜法所謂濺射鍍膜是指利用具有高能量的粒子轟擊固體表面(稱為靶)，使原子或分子從表面射出，而在基板表面上沈積以形成薄膜的方法。濺射鍍膜有下列幾種：直流濺鍍射頻濺鍍磁控濺鍍離子束濺鍍24第24页，共37页。射頻濺鍍在濺射靶上有加射頻電源(頻率13.56 MHz)的濺鍍方式稱為，射頻濺鍍。在射頻電場作用下，電子在陰、陽極間來回振盪，可有更多機會與氣體分子產生碰撞，因而產生更多氣體正離子以轟擊靶材。特點：可濺射任何固體材料。25第25页，共37页。離子束濺鍍離子束濺射是採用

11、單獨的離子源產生用於轟擊靶材的離子。陰極燈絲發射的電子加速飛向陽極，並使氣體電離。正離子受柵極加速而轟擊靶材。優點：能獨立控制轟擊離子的數量和密度，有利控制薄膜的品質。缺點：鍍膜速率太低，不適合大面積工作。26第26页，共37页。分子束磊晶法(Molecular beam epitaxy, MBE)分子束磊晶技術是一種可在原子尺度上精確控制磊晶(epitaxy)厚度、摻雜和界面平整度的超薄層薄膜製造技術。常用來生長異質接面(heterojunction)化合物半導體薄膜。如在GaAs上長AlGaAs, InGaAs, GaAsP, GaSbAs等，可生長高品質的異質接面。也是製造半導體超晶格、

12、量子井的重要技術。27第27页，共37页。MBE生長原理所謂磊晶是指在一定單晶體的基板上，沿著基板的某晶面向外延伸一層單晶薄膜。MBE是在超高真空條件下，精確控制原材料的分子束強度，把分子束射入被加熱的基板上而進行磊晶成長。由於其蒸發源、監控系統和分析系統的高性能，和真空環境的改善，能夠得到極高品質的單晶薄膜。28第28页，共37页。MBE裝置示意圖將製造薄膜所需物質如Al, Ga等放入噴射源的坩堝內，加熱使物質昇華。噴射源出來的分子束在基板相交。選擇合適的噴射源爐溫和基板溫度可成長所希望的磊晶層。噴射源和基板間的擋板可瞬間開關以控制分子束的種類與強度。29第29页，共37页。GaAs的MBE

13、成長模式As2分子先以物理吸附方式吸附於基板表面，並在表面上移動。當As2分子遇到一對Ga的格位時，即發生解離。當表面沒有自由的Ga吸附原子時， As2不會冷凝。當表面的溫度小於330 C時，表面上As2成對結合成As4而脫附。故可分別控制As爐與Ga爐的溫度，以調整As2的到達率大於Ga，就有可能成長按化學當量比的GaAs。30第30页，共37页。異質接面磊晶成長模式異質接面的磊晶成長過程中，根據材料體系的晶格失配度與表面、界面能的不同，存在三種成長模式：Frank-van der Merwe (F-vdM)模式晶格匹配材料體系的二維層狀(平面)成長Volmer-Weber (VW)模式具有

14、較大的晶格失配與表面能的材料體系的三維島狀成長Stranski-Krastanow (SK)模式介於上述二者之間，先層狀成長，進而過渡到島狀成長31第31页，共37页。Stranski-Krastanow (SK)成長模式用於描述具有較大晶格失配，而界面能較小的異質結構材料成長行為。成長初始階段是二維平面成長，通常有幾個原子層厚，稱之為浸潤層(wetting layer)。隨著浸潤層厚度增加，應變不斷累積，當達臨界厚度時，成長過程由二維平面成長向三維島狀成長過渡。32第32页，共37页。自組裝(self-assembled)量子點結構成長技術利用SK模式成長異質結構。在三維島狀成長初期，形成的

15、奈米尺寸的小島周圍無位錯。若用較大能隙的材料將其包圍，則小島中的載子將受三維的限制。小島直徑約十幾奈米，高約幾奈米，通稱為量子點。33第33页，共37页。能成功控制量子點尺寸與位置的技術利用此技術可製造直徑最小為20 nm的量子點，甚到可將量子點依照所期望的位置排列。34第34页，共37页。金屬有機化學氣相沈積法(Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)本法為主要用於化合物半導體(如III-V族或II-VI族半導體)薄膜的氣相成長。本法利用氫氣將III族或II族金屬元素的有機化合物蒸氣和V族或VI族的氣態非金屬氫化物經過開關網絡送入反應室加