宽禁带半导体材料与基本工艺文档格式.docx
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以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体内壁,可提高其耐磨性而延长使用寿命1~2倍;
用以制成高档耐火材料,耐热震、体积小、重量轻而强度高,节能效果好。
低品级碳化硅(含SiC约85%)是极好脱氧剂,用它可加快炼钢速度,并便于控制化学成分,提高钢质量。
此外,碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒。
碳化硅硬度很大,莫氏硬度为9.5级,仅次于世界上最硬金刚石(10级),具备优良导热性能,是一种半导体,高温时能抗氧化。
2.2GaN材料
GaN是一种极稳定,坚硬高熔点材料,熔点约为1700℃。
GaN具备高电离度,在Ⅲ—Ⅴ族化合物中是最高(0.5或0.43)。
在大气压下,GaN晶体普通是六方纤锌矿构造。
它在一种晶胞中有4个原子。
由于其硬度高,又可以作为良好涂层保护材料。
在室温下,GaN不溶于水、酸和碱,而在热碱溶液中溶解速度又非常缓慢。
但是NaOH、H2SO4和H3PO4能较快地腐蚀质量差GaN,这种办法可以用来检测质量不高GaN晶体。
GaN在HCL或H2氛围高温下呈现不稳定特性,而在N2气下最为稳定。
GaN基材料是直接跃迁型半导体材料,具备优良光学性能,可作出高效率发光器件,GaN基LED发光波长范畴可从紫外到绿色光
Ⅲ族氮化物重要涉及GaN、ALN、InN、ALInN、GaInN、ALInN和ALGaInN等,其禁带宽度覆盖了红、黄、绿、蓝、紫和紫外光谱范畴。
GaN是Ⅲ族氮化物中基本材料,也是当前研究最多Ⅲ族氮化物材料。
GaN电学性质是决定器件性能重要因素。
当前GaN电子室温迁移率可以达到900cm²
/(V*s)。
GaN材料所具备禁带宽度大、击穿电场高、电子饱和速度高是制作高温、大功率器件最佳材料。
氮化物半导体材料存在六方纤锌矿和立方闪锌矿两种不同晶体构造,如氮化镓构造下图所示:
图2-2氮化镓构造
晶体构造形成重要由晶体离子性决定,氮化物离子性强,因此纤锌矿是氮化镓常用构造,闪锌矿构造是亚稳态构造。
GaN材料系列具备低热产生率和高击穿电场,是研制高温大功率电子器件和高频微波器件重要材料。
当前,随着MBE技术在GaN材料应用中进展和核心薄膜生长技术突破,成功地生长出了GaN各种异质构造。
用GaN材料制备出了金属场效应晶体管(MESFET)、异质结场效应晶体管(HFET)、调制掺杂场效应晶体管(MODFET)等新型器件。
调制掺杂AlGaN/GaN构造具备高电子迁移率(cm2/v·
s)、高饱和速度(1×
107cm/s)、较低介电常数,是制作微波器件优先材料;
GaN较宽禁带宽度(3.4eV)及蓝宝石等材料作衬底,散热性能好,有助于器件在大功率条件下工作。
对于GaN材料,长期以来尚有衬底单晶,异质外延缺陷密度相称高等问题还没有解决,但是GaN半导体器件水平已可实用化。
InGaN系合金生成,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。
这样三原色混成白色光光源也打开新应用领域,以高可靠、长寿命LED为特性时代就会到来。
日光灯和电灯泡都将会被LED所代替。
LED将成为主导产品,GaN晶体管也将随材料生长和器件工艺发展而迅猛发展,成为新一代高温度频大功率器件。
3.1宽禁带半导体工艺
氧化工艺
SiC氧化层与硅器件制作中SiO2具备十分相似作用,例如氧化层作为工艺过程掩膜,用作金属-氧化物-半导体(MOS)构造绝缘层、作为器件表面电学钝化层等。
外延生长前氧化过程还可以除去SiC衬底上抛光损伤。
由于SiC可以被氧化成SiO2,因而器件制作中可以与成熟硅器件平面工艺相兼容。
实现热氧化不需要特殊不同于在硅上获得SiO2时所运用工艺设备,它们区别仅仅是碳化硅氧化速度明显减少,采用干氧氧化和湿氧氧化进行热氧化,还可以在N2O中获得SiO2,可使用氮化物或氮氧化物绝缘体应用于高温器件。
热氧化法重要涉及干氧氧化和湿氧氧化,干氧氧化:
Si+O2→SiO2,它长处是构造致密、干燥、均匀性和重复性好,掩蔽能力强,与光刻胶黏附性好,也是一种抱负钝化膜。
高质量SiO2薄膜如MOS栅氧化层普通都采用此法制备。
湿氧氧化:
氧化剂是通过高纯水(普通被加热到950C左右)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、水汽含量等关于也可用惰性气体(氮气或氩气)携带水汽进行氧化
热氧化长处:
质量好,表面态密度小,可较好控制界面陷阱和固定电荷,性质不太受湿度和中档热解决温度影响,因而是集成电路中最重要制备SiO2办法。
3.2光刻
光刻是集成电路工艺中核心性技术,最早构想来源于印刷技术中照相制版。
它概念是将掩模版上图形(电路构造)“暂时”(嵌套式)转移到硅片上过程。
光刻技术在半导体器件制造中应用最早可追溯到1958年,实现了平面晶体管制作。
光刻工艺成本在整个IC芯片加工成本中几乎占三分之一,IC集成度提高,重要归功用于光刻技术进步。
集成电路中对光刻基本规定:
(1)高分辩率。
普通把线宽作为光刻水平标志,也用加工图形线宽能力来代表IC工艺水平。
(2)高敏捷度光刻胶(指胶感光速度)。
为了提高IC产量,但愿曝光时间越短越好。
(3)低缺陷。
在光刻中引入缺陷影响比其他工艺更严重,例如重复导致多数片子都变坏。
(4)精密套刻对准。
容许套刻误差为线宽10%。
(5)对大尺寸硅片加工。
在大尺寸硅片上满足上述光刻规定难度更大。
光刻工艺重要环节图如下:
图3-1光刻工艺环节图
光刻重要环节:
(1)涂胶(甩胶):
在硅片表面形成厚度均匀、附着性强、没有缺陷光刻胶薄膜。
之前需要脱水烘焙,并且涂上HMDS或TMSDEA用以增长光刻胶与硅片表面附着能力
(2)前烘:
去溶剂,减少灰尘污染,保持曝光精准度,减少显影溶解致厚度损失,减轻高速旋转致薄膜应力。
由于前烘,光刻胶厚度会减薄10%~20%
(3)曝光:
光刻胶通过掩模曝光,以正胶为例,感光剂DQ受光变为乙烯酮,再变为羧酸(易溶于碱液)
(4)显影:
正胶曝光区和负胶非曝光区在显影液中溶解,使曝光后光刻胶层中形成潜在图形显现出来。
图形检查,不合格返工,用丙酮去胶
(5)坚膜:
高温解决过程,除去光刻胶中剩余溶液,增长附着力,提高抗蚀能力。
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,光刻胶将软化,表面在表面张力作用下而圆滑化,减少光刻胶层中缺陷,并修正光刻胶图形边沿轮廓
(6)刻蚀或注入
(7)去胶:
将光刻胶从硅片表面除去,涉及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(惯用丙酮)去胶和无机溶剂(如H2SO4和H2O2)去胶,而金属化后必要用有机溶剂去胶。
干法去胶和湿法去胶经常搭配进行。
以在SiO2氧化膜上光刻为例,如下图,一方面在有SiO2覆盖硅片表面涂布一层对紫外光敏感材料,这种材料是一种液态物质叫做光刻胶。
将少量液态光刻胶滴在硅片上,再通过高速旋转后,则在硅片表面形成一层均匀光刻胶薄膜。
甩胶之后,在较低温度(80oC-100oC)下进行一定期间烘焙,其目是,使光刻胶中溶剂挥发,从而改进光刻胶与表面粘附性。
硬化后光刻胶与照像所使用感光胶相似。
图3-2光刻图
接下来用UV光通过掩模版透光区使光刻胶曝光,如图(b)所示。
掩模版是预先制备玻璃或石英版,其上复制有需要转移到SiO2薄膜上图形。
掩模版暗区可以阻挡UV光线通过。
曝光区域中光刻胶会发生光化学反映,反映类型与光刻胶种类关于。
对于负性光刻胶,在通过光照区域会发生聚合反映,变得难以去除。
浸入显影剂之后,曝光区域发生聚合反映负胶保存下来,而没有曝光区域负胶被分解掉,溶于显影液中。
通过显影之后负胶图形如图(c)右图所示。
正性光刻胶中具有大量感光剂,可以明显地抑制正胶在碱性显影液中溶解速度。
通过曝光之后,感光剂发生分解,使得曝光区域正胶被优先除去,其效果如图(c)左图所示。
从应用过程来看,负胶在初期IC工艺中广泛应用。
当前正胶应用已经成为主流,由于正胶可以提供更好图形控制。
对准办法:
(1)预对准,通过硅片上notch或者flat进行激光自动对准;
(2)通过对准标志(Align
Mark),位于切割槽(Scribe
Line)上。
此外层间对准,即套刻精度(Overlay),保证图形与硅片上已经存在图形之间对准。
曝光中最重要两个参数是:
曝光能量(Energy)和焦距(Focus)。
如果能量和焦距调节不好,就不能得到规定辨别率和大小图形。
体现为图形核心尺寸超过规定范畴。
曝光办法:
(1)接触式曝光(Contact
Printing)。
掩膜板直接与光刻胶层接触。
曝光出来图形与掩膜板上图形辨别率相称,设备简朴。
缺陷:
光刻胶污染掩膜板;
掩膜板磨损,寿命很低(只能使用5~25次);
1970前使用,辨别率〉0.5μm。
(2)接近式曝光(Proximity
掩膜板与光刻胶层略微分开,大概为10~50μm。
可以避免与光刻胶直接接触而引起掩膜板损伤。
但是同步引入了衍射效应,减少了辨别率。
1970后合用,但是其最大辨别率仅为2~4μm。
(3)投影式曝光(Projection
在掩膜板与光刻胶之间使用透镜汇集光实现曝光。
普通掩膜板尺寸会以需要转移图形4倍制作。
长处:
提高了辨别率;
掩膜板制作更加容易;
掩膜板上缺陷影响减小。
投影式曝光分类:
扫描投影曝光(Scanning
Project
70年代末~80年代初,〉1μm工艺;
掩膜板1:
1,全尺寸
步进重复投影曝光(Stepping-repeating
Printing或称作Stepper)。
80年代末~90年代,0.35μm(I
line)~0.25μm(DUV)。
掩膜板缩小比例(4:
1),曝光区域(Exposure
Field)22×
22mm(一次曝光所能覆盖区域)。
增长了棱镜系统制作难度。
扫描步进投影曝光(Scanning-Stepping
90年代末~至今,用于≤0.18μm工艺。
采用6英寸掩膜板按照4:
1比例曝光,曝光区域(Exposure
Field)26×
33mm。
增大了每次曝光视场;
提供硅片表面不平整补偿;
提高整个硅片尺寸均匀性。
但是,同步由于需要反向运动,增长了机
械系统精度规定。
在曝光过程中,需要对不同参数和也许缺陷进行跟踪和控制,会用到检测控制芯片/控片
(Monitor
Chip)。
依照不同检测控制对象,可以分为如下几种:
(1)颗粒控片(Particle
MC):
用于芯片上微小颗粒监控,使用前其颗粒数应不大于10颗;
(2)卡盘颗粒控片(Chuck
Particle
测试光刻机上卡盘平坦度专用芯片,其平坦度规定非常高;
(3)焦距控片(Focus
作为光刻机监控焦距监控;
(4)核心尺寸控片(Critical
Dimension
用于光刻区核心尺寸稳定性监控;
(5)光刻胶厚度控片(PhotoResist
Thickness
光刻胶厚度测量;
(6)光刻缺陷控片(PDM,Photo
Defect
Monitor):
光刻胶缺陷监控。
举例:
0.18μmCMOS扫描步进光刻工艺。
光源:
KrF氟化氪DUV光源(248nm)
;
数值孔径NA:
0.6~0.7;
焦深DOF:
0.7μm
辨别率Resolution:
0.18~0.25μm(普通采用了偏轴照明OAI_Off-
Axis
Illumination和相移掩膜板技术PSM_Phase
Shift
Mask增强);
套刻精度Overlay:
65nm;
产能Throughput:
30~60wafers/hour(200mm);
视场尺寸Field
Size:
25×
32mm;
显影办法:
(1)整盒硅片浸没式显影(Batch
Development)。
显影液消耗很大;
显影均匀性差;
(2)持续喷雾显影(Continuous
Spray
自动旋转显影(Auto-rotation
一种或各种喷嘴喷洒显影液在硅片表面,同步硅片低速旋转(100~500rpm)。
喷嘴喷雾模式和硅片旋转速度是实现硅片间溶
解率和均匀性可重复性核心调节参数。
(3)水坑(旋覆浸没)式显影(Puddle
喷覆足够(不能太多,最小化背面湿度)显影液到硅片表面,并形成水坑形状(显影液流动保持较低,以减少边沿显影速率变
化)。
硅片固定或慢慢旋转。
普通采用多次旋覆显影液:
第一次涂覆、保持10~30秒、去除;
第二次涂覆、保持、去除。
然后用去离子水冲洗(去除硅片两面
所有化学品)并旋转甩干。
显影液用量少;
硅片显影均匀;
最小化了温度梯度。
显影液:
(1)正性光刻胶显影液。
正胶显影液位碱性水溶液。
KOH和NaOH由于会带来可
动离子污染(MIC,Movable
Ion
Contamination),因此在IC制造中普通不用。
最普通正胶显影液是四甲基氢氧化铵(TMAH)(原则当量浓度为0.26,温度
15~250C)。
在I线光刻胶曝光中会生成羧酸,TMAH显影液中碱与酸中和使曝光光刻胶溶解于显影液,而未曝光光刻胶没有影响;
在化学放大光刻
胶(CAR,Chemical
Amplified
Resist)中包括酚醛树脂以PHS形式存在。
CAR中PAG产生酸会去除PHS中保护基团(t-BOC),从而使PHS迅速溶解于TMAH显
影液中。
整个显影过程中,TMAH没有同PHS发生反映。
(2)负性光刻胶显影液。
显影液为二甲苯。
清洗液为乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。
显影中常用问题:
(1)显影不完全(Incomplete
表面还残留有光刻胶。
显影液局限性导致;
(2)显影不够(Under
显影侧壁不垂直,由显影时间局限性导致;
(3)过度显影(Over
接近表面光刻胶被显影液过度溶解,形成台阶。
显影时间太长。
3.3刻蚀
刻蚀是指用化学或物理办法有选取地从硅片表面去除不需要材料过程。
刻蚀基本目,是在涂胶(或有掩膜)硅片上对的复制出掩膜图形。
普通是在光刻工艺之后进行。
咱们普通通过刻蚀,在光刻工艺之后,将想要图形留在硅片上。
从这一角度而言,刻蚀可以被称之为最后和最重要图形转移工艺环节。
在普通刻蚀过程中,有图形光刻胶层〔或掩膜层)将不受到腐蚀源明显侵蚀或刻蚀,可作为掩蔽膜,保护硅片上某些特殊区域,而未被光刻胶保护区域,则被选取性刻蚀掉。
在半导体制造中有两种基本刻蚀工艺:
干法刻蚀和湿法腐蚀。
干法刻蚀,是运用气态中产生等离子体,通过经光刻而开出掩蔽层窗口,与暴露于等离子体中硅片行物理和化学反映,刻蚀掉硅片上暴露表面材料一种工艺技术法。
该工艺技术突出长处在于,可以获得极其精准特性图形。
超大规模集成电路发展,规定微细化加工工艺可以严格控制加工尺寸,规定在硅片上完毕极其精准图形转移。
任何偏离工艺规定图形或尺寸,都也许直接影响产品性能或品质,给生产带来无法弥补损害。
由于干法刻蚀技术在图形轶移上突出体现,己成为亚微米尺寸下器件刻蚀最重要工艺办法。
在特性图形制作上,已基本取代了湿法腐蚀技术。
对于湿法腐蚀,就是用液体化学试剂(如酸、碱和溶剂等)以化学方式去除硅片表面材料。
固然,在通过湿法腐蚀获得特性图形时,也要通过经光刻开出掩膜层窗口,腐蚀掉露出表面材料。
但从控制图形形状和尺寸精确性角度而言,在形成特性图形方面,湿法腐蚀普通只被用于尺寸较大状况(不不大于3微米)。
由于这一特点,湿法腐蚀远远没有干法刻蚀应用广泛。
但由于它高选取比和批量制作模式,湿法腐蚀仍被广泛应用在腐蚀层间膜、去除干法刻蚀残留物和颗粒等工艺环节中。
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