1、寬禁帶半導體材料與工藝1.1 寬禁帶半導體的概念和發展寬禁帶半導體（WBS）是自第一代元素半導體材料（Si）和第二代化合物半導體材料（GaAs、GaP、InP等）之后發展起來的第三代半導體材料。這類材料主要包括SiC（碳化硅）、C-BN（立方氮化硼）、GaN（氮化錢、）AlN（氮化鋁）、ZnSe（硒化鋅）以及金剛石等。第二代半導體GaAs與Si相比除了禁帶寬度增大外，其電子遷移率與電子飽和速度分別是Si的6倍和2倍，因此其器件更適合高頻工作。GaAs場效應管器件還具有噪聲低、效率高和線性度好的特點但相比第三代半導體GaN和SiC,它的熱導率和擊穿電場都不高，因此它的功率特性方面的表現不足。為了

2、滿足無線通信、雷達等應用對高頻率、寬禁帶、高效率、大功率器件的需要從二十世紀九十年代初開始，化合物半導體電子器件的研究重心開始轉向寬禁帶半導體。我們一般把禁帶寬度大于2eV的半導體稱為寬禁帶半導體。寬禁帶半導體材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導率、高載流子飽和漂移速度等特點，在高溫、高頻、大功率、光電子及抗輻射等方面具有巨大的應用潛力。1.2 主要的寬禁帶半導體材料近年來，發展較好的寬禁帶半導體材料主要是SiC和GaN,其中SiC的發展更早一些，碳化硅、氮化錢、硅以及神化錢的一些參數如下圖所示：SiCGaNSiGaAs4H-SiC6H-SiC3C-SiC賽修寬度13.263.02.23.3

3、91.12本證峨潦子讀度口第011專82XIO-®著3x691闖X1x田1P5X擊穿電場（MV/cna）32.43.30.30.4熱導率*94.91.3L5OJ飽和逮度tcm/fj2KOT2X1UT3乂1cf2.3Xto1ixio12x101介電制數IQ9.7M911.812.92S3O2S30NIOOC升華）14201S1O電子遷林率（cmW*>犀800800Qwi*60perpcaxis400900125012006500空穴遷林宰（cm3/Vi>11590402S0420320圖1-1半導體材料的重要參數如上圖所示，SiC和GaN的禁帶寬度遠大于Si和GaAs,相應

4、的本征載流子濃度小于硅和神化錢，寬禁帶半導體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導體材料。擊穿場強和飽和熱導率也遠大于硅和神化錢。2.1 SiC材料純碳化硅是無色透明的晶體。工業碳化硅因所含雜質的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結構分為六方或菱面體的a-SiC和立方體的B-SiC（稱立方碳化硅）。a-SiC由于其晶體結構中碳和硅原子的堆垛序列不同而構成許多不同變體，已發現70余種。B-SiC于2100c以上時轉變為a-SiC。SiC是IV-IV族二元化合物半導體，也是周期表IV族元素中唯一的一種固態化合物。構成元素是Si和C,每種原子被四個異種原子所包

5、圍，形成四面體單元（圖25a）。原子間通過定向的強四面體SP3鍵（圖25b）結合在一起，并有一定程度的極化。SiC具有很強的離子共價鍵，離子性對鍵合的貢獻約占12%,決定了它是一種結合穩定的結構。SiC具有很高的德拜溫度，達到1200-1430K,決定了該材料對于各種外界作用的穩定性，在力學、化學方面有優越的技術特性。它的多型結構如圖所示:6H4H15R圖2-1碳化硅的多型結構碳化硅由于化學性能穩定、導熱系數高、熱膨脹系數小、耐磨性能好，除作磨料用外，還有很多其他用途，例如：以特殊工藝把碳化硅粉末涂布于水輪機葉輪或汽缸體的內壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命12倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震

6、、體積小、重量輕而強度高，節能效果好。低品級碳化硅（含SiC約85%）是極好的脫氧劑，用它可加快煉鋼速度，并便于控制化學成分，提高鋼的質量。止匕外，碳化硅還大量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），具有優良的導熱性能，是一種半導體，高溫時能抗氧化。2.2 GaN材料GaN是一種極穩定，堅硬的高熔點材料，熔點約為1700CoGaN具有高的電離度，在田一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結構。它在一個晶胞中有4個原子。因為其硬度高，又可以作為良好的涂層保護材料。在室溫下，GaN不溶于水、酸和堿

7、，而在熱的堿溶液中溶解速度又非常緩慢。但是NaOH、H2SO4和H3PO4能較快地腐蝕質量差的GaN,這種方法可以用來檢測質量不高的GaN晶體。GaN在HCL或H2氣氛高溫下呈現不穩定特性，而在N2氣下最為穩定。GaN基材料是直接躍遷型半導體材料，具有優良的光學性能，可作出高效率的發光器件,GaN基LED的發光波長范圍可從紫外到綠色光田族氮化物主要包括GaN、ALN、InN、ALInN、GaInN、ALInN和ALGaInN等，其禁帶寬度覆蓋了紅、黃、綠、藍、紫和紫外光譜范圍。GaN是田族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的田族氮化物材料。GaN的電學性質是決定器件性能的主要因素。目前GaN

8、的電子室溫遷移率可以達到900cm2/(V*s)。GaN材料所具有的禁帶寬度大、擊穿電場高、電子飽和速度高是制作高溫、大功率器件的最佳材料。氮化物半導體材料存在六方纖鋅礦和立方閃鋅礦兩種不同的晶體結構，如氮化錢的結構下圖所示：圖2-2氮化錢的結構晶體結構的形成主要由晶體的離子性決定，氮化物的離子性強，所以纖鋅礦是氮化錢的常見結構，閃鋅礦結構是亞穩態結構。GaN材料系列具有低的熱產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材料。目前，隨著MBE技術在GaN材料應用中的進展和關鍵薄膜生長技術的突破，成功地生長出了GaN多種異質結構。用GaN材料制備出了金屬場效應晶體管（MES

9、FET）、異質結場效應晶體管（HFET）、調制摻雜場效應晶體管（MODFET）等新型器件。調制摻雜的AlGaN/GaN結構具有高的電子遷移率（2000cm2/vs）、高的飽和速度（1x107cm/s）、較低的介電常數，是制作微波器件的優先材料；GaN較寬的禁帶寬度（3.4eV）及藍寶石等材料作襯底，散熱性能好，有利于器件在大功率條件下工作。對于GaN材料，長期以來還有襯底單晶，異質外延缺陷密度相當高等問題還沒有解決，但是GaN半導體器件的水平已可實用化。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN雙質結LED,InGaN單量子阱LED,InGaN多量子阱LED等相繼開發成功。InGaN與Al

10、GaP、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打開新的應用領域，以高可靠、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所替代。LED將成為主導產品，GaN晶體管也將隨材料生長和器件工藝的發展而迅猛發展，成為新一代高溫度頻大功率器件。3.1 寬禁帶半導體的工藝氧化工藝SiC的氧化層與硅器件制作中的SiO2具有十分相似的作用，例如氧化層作為工藝過程的掩膜，用作金屬-氧化物-半導體（MOS）結構的絕緣層、作為器件表面的電學鈍化層等。外延生長前的氧化過程還可以除去SiC襯底上的拋光損傷。由于SiC可以被氧化成SiO2,因此器件制作中可以與成熟的硅

11、器件平面工藝相兼容。實現熱氧化不需要特殊的不同于在硅上獲得SiO2時所利用的工藝設備，它們的區別僅僅是碳化硅的氧化速度明顯減少，采用干氧氧化和濕氧氧化進行熱氧化，還可以在N2O中獲得SiO2,可使用氮化物或氮氧化物絕緣體應用于高溫器件。熱氧化法主要包括干氧氧化和濕氧氧化，干氧氧化：Si+O2-SiO2,它的優點是結構致密、干燥、均勻性和重復性好，掩蔽能力強，與光刻膠黏附性好，也是一種理想的鈍化膜。高質量SiO2薄膜如MOS柵氧化層一般都采用此法制備。濕氧氧化：氧化劑是通過高純水（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，具體與氧氣流量、水汽含量等有關也可用

12、惰性氣體（氮氣或氮氣）攜帶水汽進行氧化熱氧化的優點：質量好，表面態密度小，可很好控制界面陷阱和固定電荷，性質不太受濕度和中等熱處理溫度的影響，因此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關鍵性技術，最早的構想來源于印刷技術中的照相制版。它的概念是將掩模版上的圖形(電路結構)臨時”(嵌套式)轉移到硅片上的過程。光刻技術在半導體器件制造中的應用最早可追溯到1958年，實現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集成度的提高，主要歸功用于光刻技術的進步。集成電路中對光刻的基本要求：(1)高分辯率。通常把線寬作為光刻水平的標志，也用

13、加工圖形線寬的能力來代表IC的工藝水平。(2)高靈敏度的光刻膠(指膠的感光速度)。為了提高IC產量，希望曝光時間越短越好。(3)低缺陷。在光刻中引入的缺陷的影響比其它工藝更嚴重，比如重復導致多數片子都變壞。(4)精密的套刻對準。允許的套刻誤差為線寬的10%o(5)對大尺寸硅片的加工。在大尺寸硅片上滿足上述光刻要求的難度更大。光刻工藝的主要步驟圖如下:(1)Startingwa(erwiihlayeftobepatterned(2)Coatwithphotoresist(3)Baketheresisttosetitsdissolutionproperties(4)Exposeresistbysh

14、ininglightihroughaphowia喘DeveloperEtchant(5)ImmerseexposedwaferEtchthefilmindeveloper腳曲則制煙»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均勻、附著性強、沒有缺陷的光刻膠薄膜。之前需要脫水烘焙，并且涂上HMDS或TMSDEA用以增加光刻膠與硅片表面的附著能力(2)前烘：去溶劑，減少灰塵污染，保持曝光精確度，減少顯影溶解致厚度損失，減輕高速旋轉致薄膜應力。由于前烘，光刻膠的厚度會減薄10%20%(3)曝光：光刻膠通過掩模曝光，以正膠為例，感光劑DQ受光變為乙烯酮，再變

15、為竣酸(易溶于堿液)(4)顯影：正膠的曝光區和負膠的非曝光區在顯影液中溶解，使曝光后光刻膠層中形成的潛在圖形顯現出來。圖形檢查，不合格的返工，用丙酮去膠(5)堅膜：高溫處理過程，除去光刻膠中的剩余溶液，增加附著力，提高抗蝕能力。堅膜溫度(光刻膠玻璃態轉變溫度)高于前烘和曝光后烘烤溫度，在這個溫度下，光刻膠將軟化，表面在表面張力的作用下而圓滑化，減少光刻膠層中的缺陷，并修正光刻膠圖形的邊緣輪廓(6)刻蝕或注入(7)去膠：將光刻膠從硅片的表面除去，包括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溶劑(常用丙酮)去膠和無機溶劑(如H2SO4和H2O2)去

16、膠，而金屬化后必須用有機溶劑去膠。干法去膠和濕法去膠經常搭配進行。以在SiO2氧化膜上光刻為例，如下圖，首先在有SiO2覆蓋的硅片表面涂布一層對紫外光敏感材料，這種材料是一種液態物質叫做光刻膠。將少量液態光刻膠滴在硅片上，再經過高速旋轉后，則在硅片表面形成一層均勻的光刻膠薄膜。甩膠之后，在較低的溫度(80oC-100oC)下進行一定時間烘焙，其目的是，使光刻膠中的溶劑揮發，從而改善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似miiniiEiiiiii:nnnniii皿叫SiO;族明*卷/加“明圖3-2光刻圖接下來用UV光通過掩模版的透光區使光刻膠曝光，如圖（b）所示。掩模版是預

17、先制備的玻璃或石英版，其上復制有需要轉移到SiO2薄膜上的圖形。掩模版的暗區可以阻擋UV光線通過。曝光區域中的光刻膠會發生光化學反應，反應的類型與光刻膠的種類有關。對于負性光刻膠，在經過光照的區域會發生聚合反應，變得難以去除。浸入顯影劑之后，曝光區域發生聚合反應的負膠保留下來，而沒有曝光的區域的負膠被分解掉，溶于顯影液中。經過顯影之后的負膠圖形如圖（c）的右圖所示。正性光刻膠中含有大量的感光劑，可以顯著地抑制正膠在堿性顯影液中的溶解速度。經過曝光之后，感光劑發生分解，使得曝光區域的正膠被優先除去，其效果如圖（c）的左圖所示。從應用的過程來看，負膠在早期的IC工藝中廣泛應用。現在正膠的應用已經成

18、為主流，因為正膠可以提供更好的圖形控制對準方法：(1)預對準，通過硅片上的notch或者flat進行激光自動對準；(2)通過對準標志(AlignMark),位于切割槽(ScribeLine)上。另外層問對準，即套刻精度(Overlay),保證圖形與硅片上已經存在的圖形之間的對準。曝光中最重要的兩個參數是：曝光能量(Energy)和焦距(Focus)。如果能量和焦距調整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現為圖形的關鍵尺寸超出要求的范圍。曝光方法：(1)接觸式曝光(ContactPrinting)0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，設備簡單。缺點：光刻膠

19、污染掩膜板；掩膜板的磨損，壽命很低(只能使用525次)；1970前使用，分辨率0.5小m。(2)接近式曝光(ProximityPrinting)0掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為1050叩。可以避免與光刻膠直接接觸而引起的掩膜板損傷。但是同時引入了衍射效應，降低了分辨率。1970后適用，但是其最大分辨率僅為24叩。(3)投影式曝光(ProjectionPrinting)0在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實現曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉移圖形的4倍制作。優點：提高了分辨率；掩膜板的制作更加容易；掩膜板上的缺陷影響減小。投影式曝光分類：掃描投影曝光(ScanningProjectPrint

20、ing)。70年代末80年代初，1叩工藝；掩膜板1:1,全尺寸步進重復投影曝光(Stepping-repeatingProjectPrinting或稱作Stepper)。80年代末90年代,0.35師(Iline)0.25師(DUV)。掩膜板縮小比例(4:1),曝光區域(ExposureField)22X22mm(一次曝光所能覆蓋的區域)。增加了棱鏡系統的制作難度。掃描步進投影曝光(Scanning-SteppingProjectPrinting)。90年代末至今，用于00.18即工藝。采用6英寸的掩膜板按照4:1的比例曝光，曝光區域(ExposureField)26X33mm。優點：增大了每

21、次曝光的視場；提供硅片表面不平整的補償；提高整個硅片的尺寸均勻性。但是，同時因為需要反向運動，增加了機械系統的精度要求。在曝光過程中，需要對不同的參數和可能缺陷進行跟蹤和控制，會用到檢測控制芯片/控片(MonitorChip)。根據不同的檢測控制對象，可以分為以下幾種：(1)顆粒控片(ParticleMC):用于芯片上微小顆粒的監控，使用前其顆粒數應小于10顆；(2)卡盤顆粒控片(ChuckParticleMC):測試光刻機上的卡盤平坦度的專用芯片，其平坦度要求非常高；(3)焦距控片(FocusMC):作為光刻機監控焦距監控；(4)關鍵尺寸控片(CriticalDimensionMC)：用于光

22、刻區關鍵尺寸穩定性的監控；(5)光刻膠厚度控片(PhotoResistThicknessMC):光刻膠厚度測量；(6)光刻缺陷控光(PDM,PhotoDefectMonitor)：光刻膠缺陷監控。舉例：0.18g的CMOS掃描步進光刻工藝。光源：KrF氟化氮DUV光源(248nm);數值孔徑NA:0.60.7;焦深DOF:0.7師分辨率Resolution:0.180.25師(一般采用了偏軸照明OAI_Off-AxisIllumination和相移掩膜板技術PSM_PhaseShiftMask增強)；套刻精度Overlay:65nm；產能Throughput:3060wafers/hour(2

23、00mm)；視場尺寸FieldSize：25X32mm；顯影方法：(1)整盒硅片浸沒式顯影(BatchDevelopment)。缺點：顯影液消耗很大；顯影的均勻性差；(2)連續噴霧顯影(ContinuousSprayDevelopment)。自動旋轉顯影(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(100500rpm)。噴嘴噴霧模式和硅片旋轉速度是實現硅片間溶解率和均勻性的可重復性的關鍵調節參數。(3)水坑(旋覆浸沒)式顯影(PuddleDevelopment)。噴覆足夠(不能太多，最小化背面濕度)的顯影液到硅片表面，并形成水坑形狀

24、(顯影液的流動保持較低，以減少邊緣顯影速率的變化)。硅片固定或慢慢旋轉。一般采用多次旋覆顯影液：第一次涂覆、保持1030秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去離子水沖洗(去除硅片兩面的所有化學品)并旋轉甩干。優點：顯影液用量少；硅片顯影均勻；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。最普通的正膠顯影液是四甲基氫氧化俊(TMAH)(標準當量濃度為0.26,溫度15250C)。在I線光刻膠曝光中會生成竣酸，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產生的酸會去除PHS中的保護基團(t-BOC),從而使PHS快速溶解于TMAH顯影液中。整個顯影過程中，TMAH沒有同PHS發生反應。(2)負性光刻膠的顯影液。顯影液為二甲苯。清洗液為乙酸丁脂或乙醇、三氯乙烯。顯影中的常見問題：(1)顯影不完全(IncompleteDevelopment)0表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成；(2)顯影不夠(U