宽禁带半导体材料和工艺设计

宽禁带半导体资料和工艺设计宽禁带半导体资料和工艺设计15/15宽禁带半导体资料和工艺设计宽禁带半导体资料与工艺1.1宽禁带半导体的见解和发展宽禁带半导体（WBS）是自第一代元素半导体资料（Si）和第二代化合物半导体资料（GaAs、GaP、InP等）今后发展起来的第三代半导体资料。这种资料主要包含SiC（碳化硅）、C-BN（立方氮化硼）、GaN（氮化镓、）AlN（氮化铝）、ZnSe（硒化锌）以及金刚石等。第二代半导体GaAs与Si比较除了禁带宽度增大外，其电子迁徙率与电子饱和速度分别是Si的6倍和2倍，所以其器件更合适高频工作。GaAs场效应管器件还拥有噪声低、效率高和线性度好的特色但比较第三代半导体GaN和SiC，它的热导率和击穿电场都不高，所以它的功率特色方面的表现不足。为了知足无线通讯、雷达等应用对高频次、宽禁带、高效率、大功率器件的需要从二十世纪九十年月初开始，化合物半导体电子器件的研究重心开始转向宽禁带半导体。我们一般把禁带宽度大于2eV的半导体称为宽禁带半导体。宽禁带半导体资料拥有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度等特色，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面拥有巨大的应用潜力。1.2主要的宽禁带半导体资料近来几年来，发展较好的宽禁带半导体资料主假如SiC和GaN，此中SiC的发展更早一些，碳化硅、氮化镓、硅以及砷化镓的一些参数以以下列图所示：图1-1半导体资料的重要参数如上图所示，SiC和GaN的禁带宽度远大于Si和GaAs，相应的本征载流子浓度小于硅和砷化镓，宽禁带半导体的最高工作温度要高于第一、第二代半导体资料。击穿场强和饱和热导率也远大于硅和砷化镓。2.1SiC资料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一样样，而呈浅黄、绿、蓝以致黑色，透明度随其纯度不一样样而异。碳化硅晶体构造分为六方或菱面体的α-SiC和立方体的β-SiC（称立方碳化硅)。α-SiC因为其晶体构造中碳和硅原子的堆垛序列不一样样而组成很多不一样样变体，已发现70余种。β-SiC于2100℃以上时转变成α-SiC。SiC是IV-IV族二元化合物半导体，也是周期表IV族元素中独一的一种固态化合物。组成元素是Si和C，每种原子被四个异种原子所包围,形成四周体单元(图25a)。原子间经过定向的强四周体SP3键(图25b)联合在一同，并有必然程度的极化。SiC拥有很强的离子共价键，离子性对键合的贡献约占12%,决定了它是一种联合坚固的构造。SiC拥有很高的德拜温度，达到1200-1430K,决定了该资料关于各样外界作用的坚固性，在力学、化学方面有优胜的技术特色。它的多型构造以以下列图：图2-1碳化硅的多型构造碳化硅因为化学性能坚固、导热系数高、热膨胀系数小、耐磨性能好，除作磨料用外，还有很多其余用途，比方：以特别工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁，可提升其耐磨性而延伸使用寿命1～2倍；用以制成的高级耐火资料，耐热震、体积小、重量轻而强度高，节能见效好。低等级碳化硅（含SiC约85%）是极好的脱氧剂，用它可加速炼钢速度，并便于控制化学成分，提升钢的质量。其余，碳化硅还大批用于制作电热元件硅碳棒。碳化硅的硬度很大,莫氏硬度为9.5级，仅次于世界上最硬的金刚石（10级），拥有优秀的导热性能，是一种半导体，高温时能抗氧化。2.2GaN资料GaN是一种极坚固，坚硬的高熔点资料，熔点约为1700℃。GaN拥有高的电离度，在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高的（0.5或0.43）。在大气压下，GaN晶体一般是六方纤锌矿构造。它在一个晶胞中有4个原子。因为其硬度高，又能够作为优秀的涂层保护资料。在室温下，GaN不溶于水、酸和碱，而在热的碱溶液中溶解速度又特别缓慢。可是NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐化质量差的GaN，这种方法可以用来检测质量不高的GaN晶体。GaN在HCL或H2氛围高温下表现不坚固特色，而在N2气下最为坚固。GaN基资料是直接跃迁型半导体资料,拥有优秀的光学性能,可作出高效率的发光器件,GaN基LED的发光波长范围可从紫外到绿色光Ⅲ族氮化物主要包含GaN、ALN、InN、ALInN、GaInN、ALInN和ALGaInN等，其禁带宽度覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范围。GaN是Ⅲ族氮化物中的基本资料，也是当前研究最多的Ⅲ族氮化物质料。GaN的电学性质是决定器件性能的主要要素。当前GaN的电子室温迁徙率能够达到900cm2/（V*s）。GaN资料所拥有的禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和速度高是制作高温、大功率器件的最正确资料。氮化物半导体资料存在六方纤锌矿和立方闪锌矿两种不一样样的晶体构造，如氮化镓的构造以下列图所示：图2-2氮化镓的构造晶体构造的形成主要由晶体的离子性决定，氮化物的离子性强，所以纤锌矿是氮化镓的常有构造，闪锌矿构造是亚稳态构造。GaN资料系列拥有低的热产生率和高的击穿电场，是研制高温大功率电子器件和高频微波器件的重要资料。当前，跟着MBE技术在GaN资料应用中的进展和重点薄膜生长技术的打破，成功地生长出了GaN多种异质构造。用GaN资料制备出了金属场效应晶体管（MESFET）、异质结场效应晶体管(HFET)、调制混杂场效应晶体管（MODFET）等新式器件。调制混杂的AlGaN/GaN构造具有高的电子迁徙率(2000cm2/v·s)、高的饱和速度(1×107cm/s)、较低的介电常数，是制作微波器件的优先资料；GaN较宽的禁带宽度(3.4eV)及蓝宝石等资料作衬底，散热性能好，有益于器件在大功率条件下工作。关于GaN资料，长久以来还有衬底单晶，异质外延缺点密度相当高等问题还没有解决，可是GaN半导体器件的水平已可适用化。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN双质结LED，InGaN单量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相继开发成功。InGaN与AlGaP、AlGaAs系红色LED组合形成亮亮度全色显示。这样三原色混成的白色光光源也翻开新的应用领域,以高靠谱、长寿命LED为特征的时代就会到来。日光灯和电灯泡都将会被LED所代替。LED将成为主导产品，GaN晶体管也将随资料生长和器件工艺的发展而迅猛发展，成为新一代高温度频大功率器件。3.1宽禁带半导体的工艺氧化工艺SiC的氧化层与硅器件制作中的SiO2拥有十分相像的作用，比方氧化层作为工艺过程的掩膜，用作金属-氧化物-半导体（MOS）构造的绝缘层、作为器件表面的电学钝化层等。外延生长前的氧化过程还能够够除掉SiC衬底上的抛光损伤。因为SiC能够被氧化成SiO2，所以器件制作中能够与成熟的硅器件平面工艺相兼容。实现热氧化不需要特其余不一样样于在硅上获取SiO2时所利用的工艺设备，它们的差别可是是碳化硅的氧化速度显然减少，采纳干氧氧化和湿氧氧化进行热氧化，还能够够在N2O中获取SiO2，可使用氮化物或氮氧化物绝缘体应用于高温器件。热氧化法主要包含干氧氧化和湿氧氧化，干氧氧化：Si+O2→SiO2，它的长处是构造致密、干燥、平均性和重复性好，掩盖能力强，与光刻胶黏附性好，也是一种理想的钝化膜。高质量SiO2薄膜如MOS栅氧化层一般都采纳此法制备。湿氧氧化：氧化剂是经过高纯水（一般被加热到950C左右）的氧气，既有氧又有水。氧化速度介于干氧和水汽氧化之间，详细与氧气流量、水汽含量等相关也可用惰性气体（氮气或氩气）携带水汽进行氧化热氧化的长处：质量好，表面态密度小，可很好控制界面骗局和固定电荷，性质不太受湿度和中等热办理温度的影响，所以是集成电路中最重要的制备SiO2方法。3.2光刻光刻是集成电路工艺中的重点性技术，最早的构思根源于印刷技术中的照相制版。它的见解是将掩模版上的图形（电路构造）“暂时”（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忆到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集成度的提升，主要归功用于光刻技术的进步。集成电路中对光刻的基本要求：（1）高辩解率。平常把线宽作为光刻水平的标记，也用加工图形线宽的能力来代表IC的工艺水平。（2）高敏捷度的光刻胶（指胶的感光速度）。为了提升IC产量，希望曝光时间越短越好。（3）低缺点。在光刻中引入的缺点的影响比其余工艺更严重，比方重复导致多半片子都变坏。（4）精巧的套刻瞄准。赞成的套刻偏差为线宽的10%。（5）对大尺寸硅片的加工。在大尺寸硅片上知足上述光刻要求的难度更大。光刻工艺的主要步骤图以下：图3-1光刻工艺步骤图光刻的主要步骤：1）涂胶（甩胶）：在硅片表面形成厚度平均、附着性强、没出缺点的光刻胶薄膜。以前需要脱水烘焙，而且涂上HMDS或TMSDEA用以增添光刻胶与硅片表面的附着能力2）前烘：去溶剂，减少尘埃污染，保持曝光精准度，减少显影溶解致厚度损失，减少高速旋转致薄膜应力。因为前烘，光刻胶的厚度会减薄10%~20%（3）曝光：光刻胶经过掩模曝光，以正胶为例，感光剂DQ受光变成乙烯酮，再变成羧酸（易溶于碱液）4）显影：正胶的曝光区和负胶的非曝光区在显影液中溶解，使曝光后光刻胶层中形成的暗藏图形展现出来。图形检查，不合格的返工，用丙酮去胶5）坚膜：高温办理过程，除掉光刻胶中的节余溶液，增添附着力，提升抗蚀能力。坚膜温度（光刻胶玻璃态转变温度）高于前烘和曝光后烘烤温度，在这个温度下，光刻胶将融化，表面在表面张力的作用下而圆滑化，减少光刻胶层中的缺点，并修正光刻胶图形的边沿轮廓6）刻蚀或注入7）去胶：将光刻胶从硅片的表面除掉，包含干法去胶和湿法去胶。干法去胶就是用等离子体（如氧等离子体）将光刻胶剥除。湿法去胶又分为有机溶剂（常用丙酮）去胶和无机溶剂（如H2SO4和H2O2）去胶，而金属化后必然用有机溶剂去胶。干法去胶和湿法去胶常常搭配进行。以在SiO2氧化膜上光刻为例，以以下列图，第一在有SiO2覆盖的硅片表面涂布一层对紫外光敏感资料，这种资料是一种液态物质叫做光刻胶。将少许液态光刻胶滴在硅片上，再经过高速旋转后，则在硅片表面形成一层平均的光刻胶薄膜。甩胶今后，在较低的温度(80oC-100oC)下进行一准时间烘焙，其目的是，使光刻胶中的溶剂挥发，进而改良光刻胶与表面的粘附性。硬化后的光刻胶与照像所使用的感光胶相像。图3-2光刻图接下来用UV光经过掩模版的透光区使光刻胶曝光，如图（b）所示。掩模版是开初制备的玻璃或石英版，其上复制有需要转移到SiO2薄膜上的图形。掩模版的暗区能够阻截UV光芒经过。曝光地区中的光刻胶会发生光化学反响，反应的种类与光刻胶的种类相关。关于负性光刻胶，在经过光照的地区会发生聚合反响，变得难以去除。浸入显影剂今后，曝光地区发生聚合反响的负胶保存下来，而没有曝光的地区的负胶被分解掉，溶于显影液中。经过显影今后的负胶图形如图（c）的右图所示。正性光刻胶中含有大批的感光剂，能够显然地控制正胶在碱性显影液中的溶解速度。经过曝光今后，感光剂发生疏解，使得曝光地区的正胶被优先除掉，其见效如图（c）的左图所示。从应用的过程来看，负胶在初期的IC工艺中宽泛应用。现在正胶的应用已经成为主流，因为正胶能够供给更好的图形控制。瞄准方法：（1）预瞄准，经过硅片上的notch或许flat进行激光自动瞄准；（2）经过瞄准标记（AlignMark），位于切割槽（ScribeLine）上。其余层间瞄准，即套刻精度（Overlay），保证图形与硅片上已经存在的图形之间的瞄准。曝光中最重要的两个参数是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。假如能量和焦距调整不好，就不可以够获取要求的分辨率和大小的图形。表现为图形的关键尺寸高出要求的范围。曝光方法：（1）接触式曝光（ContactPrinting）。掩膜板直接与光刻胶层接触。曝光出来的图形与掩膜板上的图形分辨率相当，设施简单。缺点：光刻胶污染掩膜板；掩膜板的磨损，寿命很低（只好使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm。（2）凑近式曝光（ProximityPrinting）。掩膜板与光刻胶层的稍微分开，大约为10～50μm。能够防范与光刻胶直接接触而惹起的掩膜板伤害。可是同时引入了衍射效应，降低了分辨率。1970后适用，可是其最大分辨率仅为2～4μm。（3）投影式曝光（ProjectionPrinting）。在掩膜板与光刻胶之间使用透镜齐集光实现曝光。一般掩膜板的尺寸会以需要转移图形的4倍制作。长处：提升了分辨率；掩膜板的制作更为简单；掩膜板上的缺点影响减小。投影式曝光分类：扫描投影曝光（ScanningProjectPrinting）。70年月末～80年月初，〉1μm工艺；掩膜板1：1，全尺寸步进重复投影曝光（Stepping-repeatingProjectPrinting或称作Stepper）。80年月末～90年月，0.35μm（Iline）～0.25μm（DUV）。掩膜板减小比率（4：1），曝光地区ExposureField）22×22mm（一次曝光所能覆盖的地区）。增添了棱镜系统的制作难度。扫描步进投影曝光（Scanning-SteppingProjectPrinting）。90年月末～到现在，用于≤0.18μm工艺。采纳6英寸的掩膜板依据4：1的比率曝光，曝光地区（ExposureField）26×33mm。长处：增大了每次曝光的视场；供给硅片表面不平展的赔偿；提升整个硅片的尺寸平均性。可是，同时因为需要反向运动，增添了机械系统的精度要求。在曝光过程中，需要对不一样样的参数和可能缺点进行追踪和控制，会用到检测控制芯片/控片（MonitorChip）。依据不一样样的检测控制对象，能够分为以下几种：（1）颗粒控片（ParticleMC）：用于芯片上微小颗粒的监控，使用前其颗粒数应小于10颗；（2）卡盘颗粒控片（ChuckParticleMC）：测试光刻机上的卡盘平展度的专用芯片，其平展度要求特别高；（3）焦距控片（FocusMC）：作为光刻机监控焦距监控；（4）重点尺寸控片（CriticalDimensionMC）：用于光刻区重点尺寸坚固性的监控；（5）光刻胶厚度控片（PhotoResistThicknessMC）：光刻胶厚度丈量；（6）光刻缺点控片（PDM，PhotoDefectMonitor）：光刻胶缺点监控。举例：0.18μm的CMOS扫描步进光刻工艺。光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm）；数值孔径NA：0.6～；焦深DOF：0.7μm分辨率Resolution：0.18～0.25μm（一般采纳了偏轴照明OAI_Off-AxisIllumination和相移掩膜板技术PSM_PhaseShiftMask加强）；套刻精度Overlay：65nm；产能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；视场尺寸FieldSize：25×32mm；显影方法：（1）整盒硅片淹没式显影（BatchDevelopment）。缺点：显影液耗费很大；显影的平均性差；（2）连续喷雾显影（ContinuousSprayDevelopment）。自动旋转显影（Auto-rotationDevelopment）。一个或多个喷嘴喷洒显影液在硅片表面，同时硅片低速旋转（100～500rpm）。喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶解率和平均性的可重复性的重点调理参数。（3）水坑（旋覆淹没）式显影（PuddleDevelopment）。喷覆足够（不可以够太多，最小化反面湿度）的显影液到硅片表面，并形成水坑形状（显影液的流动保持较低，以减少边沿显影速率的变化）。硅片固定或慢慢旋转。一般采纳多次旋覆显影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。此后用去离子水冲刷（去除硅片两面的全部化学品）并旋转甩干。长处：显影液用量少；硅片显影平均；最小化了温度梯度。显影液：（1）正性光刻胶的显影液。正胶的显影液位碱性水溶液。KOH和NaOH因为会带来可动离子污染（MIC，MovableIonContamination），所以在IC制造中一般不用。最一般的正胶显影液是四甲基氢氧化铵（TMAH）（标准当量浓度为0.26，温度15～250C）。在I线光刻胶曝光中会生成羧酸，TMAH显影液中的碱与酸中和使曝光的光刻胶溶解于显影液，而未曝光的光刻胶没有影响；在化学放大光刻胶（CAR，ChemicalAmplifiedResist）中包含的酚醛树脂以PHS形式存在。CAR中的PAG产生的酸会去除PHS中的保护基团（t-BOC），进而使PHS迅速溶解于TMAH显影液中。整个显影过程中，TMAH没有同PHS发生反响。（2）负性光刻胶的显影液。显影液为二甲苯。冲刷液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。显影中的常有问题：（1）显影不完满（IncompleteDevelopment）。表面还残留有光刻胶。显影液不足造成；（2）显影不够（UnderDevelopment）。显影的侧壁不垂直，由显影时间不足造成；（3）过分显影（Over