寬帶隙半導(dǎo)體材料和工藝

寬帶隙半導(dǎo)體材料和工藝第一頁(yè)，共30頁(yè)。WBS需求現(xiàn)狀2023/4/18第二頁(yè)，共30頁(yè)。半導(dǎo)體材料的發(fā)展第一代半導(dǎo)體：元素半導(dǎo)體（Si，Ge）第二代半導(dǎo)體：化合物半導(dǎo)體（GaAs）第三代半導(dǎo)體：寬禁帶半導(dǎo)體（SiC，GaN，金剛石）2023/4/18第三頁(yè)，共30頁(yè)。寬禁帶半導(dǎo)體材料寬禁帶半導(dǎo)體的優(yōu)點(diǎn)：1、禁帶寬度大2、電子飄逸飽和速度高3、介電常數(shù)小4、導(dǎo)熱性能好2023/4/18第四頁(yè)，共30頁(yè)。寬禁帶半導(dǎo)體材料2023/4/18第五頁(yè)，共30頁(yè)。SIC材料晶體結(jié)構(gòu)：多型結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)有立方結(jié)構(gòu)的3C-SiC和六方結(jié)構(gòu)的6H-SiC和4H-SiC，目前已被證實(shí)的多型體有200多種。其中6H-SiC最穩(wěn)定。純碳化硅是無(wú)色透明的晶體。工業(yè)碳化硅因所含雜質(zhì)的種類和含量不同，而呈淺黃、綠、藍(lán)乃至黑色能帶結(jié)構(gòu)：間接躍遷型2023/4/18第六頁(yè)，共30頁(yè)。SIC材料SiC多型結(jié)構(gòu)2023/4/18第七頁(yè)，共30頁(yè)。SIC材料硬度、耐磨性

碳化硅具有高硬度，它的莫氏硬度為9.2—9.3，處于金剛石和黃玉之間，可以切割紅寶石。同樣，它還具有高耐磨性。熱穩(wěn)定性

在常壓下不可能熔化SiC，高壓高溫下，碳化硅的熔點(diǎn)溫度在2830（±40）℃，SiC升華分解為碳和含硅的SiC蒸氣化學(xué)性質(zhì)SiC表面易生成SiO2層，SiC具有良好的抗放射性，SiC器件抗輻射能力是硅的10-100倍。2023/4/18第八頁(yè)，共30頁(yè)。GaN材料隨著半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)技術(shù)的突破和P型GaN的成功制備—1991年世界上第一個(gè)藍(lán)光GaNLEDs在日本日亞工業(yè)公司問(wèn)世—標(biāo)志著新一代LEDs的研制、開發(fā)和應(yīng)用進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)期；GaN具有比SiC更高的遷移率，更重要的是GaN可以形成調(diào)制摻雜的GaN結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以在室溫下獲得更高的電子遷移率、極高的峰值電子速度和飽和電子速度2023/4/18第九頁(yè)，共30頁(yè)。GaN材料GaN晶格結(jié)構(gòu)2023/4/18第十頁(yè)，共30頁(yè)。GaN材料GaN室溫電子遷移率可達(dá)1000m2/(V·S)。GaN基系列半導(dǎo)體材料具有強(qiáng)的原子鍵、化學(xué)穩(wěn)定性好，在室溫下不溶于水、酸和堿；

GaN基半導(dǎo)體也是堅(jiān)硬的高熔點(diǎn)材料，熔點(diǎn)高達(dá)約1770℃。

GaN具有高的電離度，在III-V族化合物中是最高的（0.5或0.43）。2023/4/18第十一頁(yè)，共30頁(yè)。GaN材料GaN的應(yīng)用 1、發(fā)光器件（LEDs,LDs); 2、場(chǎng)效應(yīng)晶體管; 3、紫外光探測(cè)器; 4、微波波導(dǎo) 5、光存儲(chǔ)器件2023/4/18第十二頁(yè)，共30頁(yè)。SiC工藝SiC器件制造工藝的重要特點(diǎn)： 1、原料來(lái)源的無(wú)限性； 2、典型的原料純化和加工處理過(guò)程； 3、對(duì)生物圈造成的能量負(fù)荷和生態(tài)負(fù)荷低； 4、可以以基體自身的碳形成本征掩蔽膜，也存在本征氧化物SiO2；

2023/4/18第十三頁(yè)，共30頁(yè)。SiC工藝制備SiO2的方法熱氧化法化學(xué)氣相淀積法熱分解淀積法濺射法真空蒸發(fā)法陽(yáng)極氧化法等

2023/4/18第十四頁(yè)，共30頁(yè)。熱氧化法熱氧化法：硅與氧或水汽等氧化劑在高溫下生成SiO2的過(guò)程，具有很高的重復(fù)性優(yōu)點(diǎn)：質(zhì)量好，表面態(tài)密度小，可很好控制界面陷阱和固定電荷，性質(zhì)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

2023/4/18第十五頁(yè)，共30頁(yè)。氧化工藝在半導(dǎo)體生產(chǎn)中普遍采用干-濕-干的氧化方法

2023/4/18第十六頁(yè)，共30頁(yè)。氧化工藝熱氧的優(yōu)點(diǎn)：（1）優(yōu)良的絕緣體：電阻率>11020

cm

能帶寬度～9eV（2）高擊穿電場(chǎng)：>10MV/cm（3）穩(wěn)定以及可再生的Si/SiO2界面（4）在裸露硅表面氧化的保形覆蓋好

2023/4/18第十七頁(yè)，共30頁(yè)。光刻技術(shù)光刻是集成電路工藝中的關(guān)鍵性技術(shù)，最早的構(gòu)想來(lái)源于印刷技術(shù)中的照相制版概念：將掩模版上的圖形（電路結(jié)構(gòu)）“臨時(shí)”（嵌套式）轉(zhuǎn)移到硅片上的過(guò)程光刻技術(shù)在半導(dǎo)體器件制造中的應(yīng)用最早可追溯到1958年，實(shí)現(xiàn)了平面晶體管的制作光刻工藝的成本在整個(gè)IC芯片加工成本中幾乎占三分之一IC集成度的提高，主要?dú)w功用于光刻技術(shù)的進(jìn)步

2023/4/18第十八頁(yè)，共30頁(yè)。光刻技術(shù)

2023/4/18第十九頁(yè)，共30頁(yè)。光刻技術(shù)光刻工藝的主要步驟（I）：

2023/4/18第二十頁(yè)，共30頁(yè)。光刻技術(shù)SiC器件制造工藝的重要特點(diǎn)： 1、原料來(lái)源的無(wú)限性； 2、典型的原料純化和加工處理過(guò)程； 3、對(duì)生物圈造成的能量負(fù)荷和生態(tài)負(fù)荷低； 4、可以以基體自身的碳形成本征掩蔽膜，也存在本征氧化物SiO2；

2023/4/18第二十一頁(yè)，共30頁(yè)。光刻技術(shù)在SiO2薄膜上形成圖形為例2023/4/18第二十二頁(yè)，共30頁(yè)。曝光工藝紫外（UV）和深紫外（DUV）光源是目前IC工業(yè)上普遍應(yīng)用的曝光光源UV曝光的主要方法有：接觸式曝光接近式曝光投影式曝光

2023/4/18第二十三頁(yè)，共30頁(yè)。曝光工藝

2023/4/18第二十四頁(yè)，共30頁(yè)。曝光工藝

2023/4/18第二十五頁(yè)，共30頁(yè)。曝光工藝

2023/4/18第二十六頁(yè)，共30頁(yè)?？涛g刻蝕，是指用化學(xué)或物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過(guò)程?？涛g的基本目的，是在涂膠(或有掩膜)的硅片上正確的復(fù)制出掩膜圖形。

在半導(dǎo)體制造中有兩種基本的刻蝕工藝：干法刻蝕和濕法腐蝕。2023/4/18第二十七頁(yè)，共30