宽禁带半导体ppt课件

第六章宽禁带半导体 1 宽禁带半导体 主要包括 碳化硅 氮化镓 氧化锌 金刚石等禁带宽度在3 0ev左右及以上者具有比硅高的临界击穿电场强度 载流子饱和漂移速度 热导率新型电力电子器件研发主流 2 碳化硅 P217 第三代半导体碳化硅 SiC 是用石英砂 石油焦 或煤焦 木屑为原料通过电阻炉高温冶炼而成碳化硅又称碳硅石 金钢砂或耐火砂 在当代C N B等非氧化物高技术耐火原料中 碳化硅为应用最广泛 最经济的一种 3 晶体结构 六方 SiC和立方体的 SiC 称立方碳化硅 SiC由于其晶体结构中碳和硅原子的堆垛序列不同而构成许多不同变体 已发现70余种 SiC于2100 以上时转变为 SiC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同 而呈浅黄 绿 蓝乃至黑色能带结构 间接跃迁型 4 化学性能稳定 导热系数高 热膨胀系数小 硬度大 耐磨性能好耐热震 体积小 重量轻而强度高 节能效果好 5 功能陶瓷高级耐火材料磨料冶金原料 用途 6 作磨料 可用来做磨具 如砂轮 油石 磨头 砂瓦类等以特殊工艺把碳化硅粉末涂布于水轮机叶轮或汽缸体的内壁 可提高其耐磨性用以制成的高级耐火材料低品级碳化硅 含SiC约85 是极好的脱氧剂 用它可加快炼钢速度 并便于控制化学成分 提高钢的质量碳化硅还大量用于制作电热元件硅碳棒 7 氧化及工艺 8 硅的热氧化制备SiO2的方法热氧化法化学气相淀积法热分解淀积法溅射法真空蒸发法阳极氧化法等 9 热氧化法 硅与氧或水汽等氧化剂在高温下生成SiO2的过程 具有很高的重复性优点 质量好 表面态密度小 可很好控制界面陷阱和固定电荷 性质不太受湿度和中等热处理温度的影响 因此是集成电路中最重要的制备SiO2方法 热氧化法 10 干氧氧化 Si O2 SiO2结构致密 干燥 均匀性和重复性好 掩蔽能力强 与光刻胶黏附性好 也是一种理想的钝化膜 高质量SiO2薄膜如MOS栅氧化层一般都采用此法制备水汽氧化 Si 2H2O SiO2 2H2 生长速度快 1200 下 SiO2中水分子扩散比氧快几十倍 也比氧有大得多的溶解度湿氧氧化 氧化剂是通过高纯水 一般被加热到950C左右 的氧气 既有氧又有水 速度介于干氧和水汽氧化之间 具体与氧气流量 水汽含量等有关也可用惰性气体 氮气或氩气 携带水汽进行氧化氢氧合成 氧化剂是由纯氢和纯氧反应生成的水汽反应速度快 所得SiO2质量高 可在很宽的范围内变化H2O的压力 并减少污染 11 氧气或水蒸气与硅反应生长SiO2的过程分别称为干法氧化和湿法氧化 干法氧化主要用于形成器件结构中关键性的绝缘区域 如MOSFET的栅氧化层 原因在于干法氧化可以得到理想的Si SiO2界面态特性 湿法氧化速率快 因此用于形成厚的氧化层 在半导体生产中普遍采用干 湿 干的氧化方法 12 热氧的优点 1 优良的绝缘体 电阻率 1 1020 cm能带宽度 9eV 2 高击穿电场 10MV cm 3 稳定以及可再生的Si SiO2界面 4 在裸露硅表面氧化的保形覆盖好 13 5 除了Ga及一些金属如Cu Au外 氧化硅是很好的扩散掩蔽材料 14 6 硅和氧化硅的腐蚀选择性很好 15 a 关于氧化系统简单的图解说明 b 氧化过程的示意图 16 影响热氧化的因素 温度气体压强氧化氛围 干氧 水汽或HCl 衬底晶向衬底掺杂 17 水汽对氧化的影响水汽有明显增强氧化的作用原因 氧化剂在SiO2中扩散更快对于干氧来说 水汽为杂质 增加了陷阱密度 应尽量避免氧化过程中的水汽来源主要有 Si片吸附的水氧气中含有的水碳氢化合物中氢元素与氧元素反应生成的水从外界扩散到氧化炉中的水汽在含氯氧化中氢与氧发生反应生成的水 18 压强对氧化的影响 1 在氧化速率一定的条件下 压强增加可以使氧化温度下降 2 在同样温度下生长给定厚度的氧化硅 氧化时间可以减少 19 氧化厚度检测 20 台阶仪 测量台阶高度 21 22 椭偏仪的基本原理 椭偏仪 测量薄膜厚度 23 24 干涉法 测量薄膜厚度通过测量最大光强和最小光强的波长差来给出厚度 测量范围几十埃 几微米 25 光刻技术 26 光刻是集成电路工艺中的关键性技术 最早的构想来源于印刷技术中的照相制版概念 将掩模版上的图形 电路结构 临时 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溯到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集成度的提高 主要归功用于光刻技术的进步 27 光刻的技术概念 光刻胶在受到光辐照之后发生光化学反应 其内部分子结构发生变化 在显影液中光刻胶感光部分与未感光部分的溶解速度相差非常大在硅片表面涂上光刻胶薄层 通过掩模版对光刻胶辐照 从而使某些区域的光刻胶感光之后 再经过显影 在光刻胶薄层上留下掩模版的图形在IC制造中 利用这层剩余的光刻胶图形作为保护膜 可以对硅表面没有被光刻胶覆盖的区域进行刻蚀或者离子注入等 从而把光刻胶薄层上的图形转移到硅表面或其上的薄膜上 由此形成各种器件和电路结构在讨论扩散 离子注入 氧化 淀积 外延等工艺时 涉及到采用SiO2 Si3N4或者其它一些掩模材料来覆盖硅片表面的部分区域 通过光刻 刻蚀 选择性地去除硅片表面限定区域的掩模 就可形成集成电路所需的绝缘层或金属层图形 28 29 集成电路中对光刻的基本要求 高分辩率 通常把线宽作为光刻水平的标志 也用加工图形线宽的能力来代表IC的工艺水平高灵敏度的光刻胶 指胶的感光速度 为了提高IC产量 希望曝光时间越短越好低缺陷 在光刻中引入的缺陷的影响比其它工艺更严重 比如重复导致多数片子都变坏精密的套刻对准 允许的套刻误差为线宽的10 对大尺寸硅片的加工 在大尺寸硅片上满足上述光刻要求的难度更大 30 光刻工艺的主要步骤 I a 涂胶 甩胶 在硅片表面形成厚度均匀 附着性强 没有缺陷的光刻胶薄膜 之前需要脱水烘焙 并且涂上HMDS或TMSDEA用以增加光刻胶与硅片表面的附着能力 b 前烘 去溶剂 减少灰尘污染 保持曝光精确度 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 光刻胶的厚度会减薄10 20 c 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 d 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潜在图形显现出来 图形检查 不合格的返工 用丙酮去胶 31 光刻工艺的主要步骤 II e 坚膜 高温处理过程 除去光刻胶中的剩余溶液 增加附着力 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 表面在表面张力的作用下而圆滑化 减少光刻胶层中的缺陷 并修正光刻胶图形的边缘轮廓 f 刻蚀或注入 h 去胶 将光刻胶从硅片的表面除去 包括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 而金属化后必须用有机溶剂去胶 干法去胶和湿法去胶经常搭配进行 32 33 右图以在SiO2薄膜上形成图形为例 描述了光刻工艺的主要步骤 34 首先在有SiO2覆盖的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 再经过高速旋转后 则在硅片表面形成一层均匀的光刻胶薄膜 甩胶之后 在较低的温度 80oC 100oC 下进行一定时间烘焙 其目的是 使光刻胶中的溶剂挥发 从而改善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似 35 接下来用UV光通过掩模版的透光区使光刻胶曝光 如图 b 所示 掩模版是预先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 掩模版的暗区可以阻挡UV光线通过 曝光区域中的光刻胶会发生光化学反应 反应的类型与光刻胶的种类有关 对于负性光刻胶 在经过光照的区域会发生聚合反应 变得难以去除 浸入显影剂之后 曝光区域发生聚合反应的负胶保留下来 而没有曝光的区域的负胶被分解掉 溶于显影液中 经过显影之后的负胶图形如图 c 的右图所示 正性光刻胶中含有大量的感光剂 可以显著地抑制正胶在碱性显影液中的溶解速度 经过曝光之后 感光剂发生分解 使得曝光区域的正胶被优先除去 其效果如图 c 的左图所示 从应用的过程来看 负胶在早期的IC工艺中广泛应用 现在正胶的应用已经成为主流 因为正胶可以提供更好的图形控制 36 最后的步骤是把图形转移到SiO2薄膜上 经过曝光和显影之后 立即将光刻胶在120oC 180oC温度下进行20到30分钟的加热 称为坚膜 坚膜可以增强光刻胶与硅片之间的附着力并且提高光刻胶在后续的刻蚀过程中的抗蚀性 用酸 对SiO2使用缓冲氢氟酸 腐蚀掉没有被光刻胶保护的区域中硅片表面上的SiO2 然后 将剩余的光刻胶去掉 去胶过程可以采用化学溶剂使光刻胶先膨胀再除去 或者通过氧等离子来氧化掉光刻胶 后者也称为灰化 37 下图为生产线上的一种光刻设备 包括一个SSI150涂胶和显影系统 图的中间偏左部分 和一个Nikonstepper系统 图的中间偏右部分 图片由Intel公司提供 38 39 下图是SSI150系统的上部放大图 SSI150系统能自动实现涂胶 前烘 显影 坚膜等操作 中间曝光部分由Nikonstepper来完成 它不需要人为的干预 硅片沿着SSI150的输入路径进入Nikonstepper 然后从Nikonstepper退出 再沿SSI150的两个输出路径中的一个来回移动 图片由Intel公司提供 40 41 光刻胶通常可分为正胶和负胶两类正胶 感光区域显影时可溶 获得的光刻胶图形与掩模版 金属 图形相同 即是掩模版图形的正映像负胶 感光区域显影时不可溶 获得的光刻胶图形与掩模版 金属 图形相反 即是掩模版图形的反 负 映像对于同一掩模版 正胶与负胶经过曝光和显影之后得到的图形是完全相反的正胶的分辨率比负胶高一些显影时 经过曝光的正胶是逐层溶解的 中和反应只在光刻胶的表面进行 因此正胶受显影液的影响相对较小非曝光区的负胶在显影液中首先形成凝胶体 然后再分解掉 这就使得整个负胶层都被显影液浸透 被显影液浸透之后 曝光区的负胶将会膨胀变形 42 紫外 UV 和深紫外 DUV 光源是目前IC工业上普遍应用的曝光光源UV曝光的主要方法有 接触式曝光接近式曝光投影式曝光 曝光 43 接近式曝光光刻掩模版与硅片之间有一定间距的曝光方式 44 45 接触式曝光掩模版与硅片紧密接触的曝光方式 46 a 47 投影光刻发展投影光刻是为了获得接触式的高分辨 透镜可以汇聚衍射光 而又不产生缺陷是目前普遍采用的曝光形式 48 a 49 光刻对准及套准偏差接近式和接触式曝光的对准为人工对准 误差大 时间长投影式光刻为自动对准 准确 速度快 50 随着集成电路工艺的发展 目前主流的光学光刻技术已达到0 13mm 接近光学光刻技术的极限下一代的光刻技术 X射线光刻和电子束光刻X射线曝光特点 分辨率高 系统复杂 制版困难 光刻技术趋势 51 经曝光和显影得到的光刻胶上的图形 还需要转移至胶下面的各层材料上去 通过刻 腐 蚀 就是把裸露的部分去除 可以在光刻胶下方的材料上重现出与光刻胶层上相同的图形 实现图形转移 图形转移 52 刻蚀工艺 53 54 湿法腐蚀技术利用特定的溶液与薄膜发生化学反应特点 工艺简单 选择比高 但腐蚀不易控制 且多为各向同性 使线条不易控制 55 通过使用特定的溶液 与需要被腐蚀的薄膜材料进行化学反应 进而去除没有被掩模材料覆盖区域的薄膜材料 56 57 控制湿法腐蚀的主要参数 腐蚀溶液的浓度反应温度腐蚀时间溶液的搅拌 方式 如超声波振荡 58 59 60 湿法腐蚀的优点 可以控制腐蚀液的化学成分 使其对特定薄膜材料的腐蚀速率远大于对其它材料的腐蚀速率 从而提高腐蚀的选择性 61 干法刻蚀技术 62 干法刻蚀技术 当前刻蚀的主流技术 利用等离子体等对需要刻蚀的薄膜进行侵蚀的过程 不用溶液故称为干法 等离子体刻蚀 硅片不接电极 化学反应 气体为刻蚀气体分子 选择性好 各向异性差 用于干法去胶离子铣 相当于溅射 硅片接阴极 选择性差 各向异性好 气体为Ar气 纯物理反应 用于刻蚀金属 如Au反应离子刻蚀 RIE 介于两者之间 硅片接电极 气体为刻蚀气体 各向异性好 选择比高 用于刻蚀硅 氧化硅或氮化硅等特点 可以 控制 各向异性刻蚀 例如纵向速刻蚀率远大于横向 但有的选择性差 刻蚀终点不好选取 63 干法刻蚀是指利用等离子体激活的化学反应或者利用高能离子束轰击完成去除物质的方法 在刻蚀中不使用溶液溅射刻蚀 通过高能离子轰击需要刻蚀的材料表面 使材料表面产生损伤并去除损伤的物理过程完成刻蚀等离子体刻蚀 利用辉光放电产生的活性粒子与需要刻蚀的材料发生化学反应形成挥发性产物完成刻蚀反应离子刻蚀 RIE 上述两种方法的结合 64 65 干法刻蚀中 纵向的刻蚀速率远大于横向的刻蚀速率 所以掩模边缘下面的材料由于受到保护就不会被刻蚀 不过 离子对掩模材料和无保护的薄膜会同时进行轰击刻蚀 导致刻蚀的选择性比湿法腐蚀差溅射刻蚀 几乎是纯物理作用 条件 传递给被撞原子的能量大于其结合能 几个eV到几十个eV 各向异性刻蚀 但选择性相对较差等离子体刻蚀 主要是通过化学反应完成 物理效应很弱 具有比较好的选择性 但各向异性相对较差反应离子刻蚀 同时利用物理溅射和化学反应的刻蚀机制 可以灵活地选取工作条件以获得最佳的刻蚀效果 其缺点在于刻蚀终点难以检测 66 上述三种刻蚀技术都是利用低压状态下 约0 01 133Pa 的气体放电来形成等离子体作为干法刻蚀的基础 其区别是放电条件 使用气体类型和所用反应系统不同溅射刻蚀使用惰性气体RIE使用的不是惰性气体 而是与等离子体刻蚀相同的气体刻蚀反应的模式取决于刻蚀系统的压力 温度 气流 功率和相关的可控参数目前 IC工艺中广泛使用的RIE技术 67 RIE的应用 68 69 70