1.1寬禁帶半導(dǎo)體的概念和發(fā)展
寬禁帶半導(dǎo)體（WBS）是自第一代元素半導(dǎo)體材料（Si）和第二代化合物半導(dǎo)體材料（GaAs、GaP、InP等）之后發(fā)展起來的第三代半導(dǎo)體材料。這類材料主要包括SiC（碳化硅）、C-BN（立方氮化硼）、GaN（氮化鎵、）AlN（氮化鋁）、ZnSe（硒化鋅）以及金剛石等。
第二代半導(dǎo)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(yīng)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(dǎo)體GaN和SiC，它的熱導(dǎo)率和擊穿電場都不高，因此它的功率特性方面的表現(xiàn)不足。為了滿足無線通信、雷達等應(yīng)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(dǎo)體電子器件的研究重心開始轉(zhuǎn)向?qū)捊麕О雽?dǎo)體。
我們一般把禁帶寬度大于2eV的半導(dǎo)體稱為寬禁帶半導(dǎo)體。寬禁帶半導(dǎo)體材料具有寬帶隙、高臨界擊穿電場、高熱導(dǎo)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(yīng)用潛力。
1.2主要的寬禁帶半導(dǎo)體材料
近年來，發(fā)展較好的寬禁帶半導(dǎo)體材料主要是SiC和GaN，其中SiC的發(fā)展更早一些，碳化硅、氮化鎵、硅以及砷化鎵的一些參數(shù)如下圖所示：
如上圖所示，SiC和GaN的禁帶寬度遠大于Si和GaAs，相應(yīng)的本征載流子濃度小于硅和砷化鎵，寬禁帶半導(dǎo)體的最高工作溫度要高于第一、第二代半導(dǎo)體材料。擊穿場強和飽和熱導(dǎo)率也遠大于硅和砷化鎵。
2.1SiC材料
純碳化硅是無色透明的晶體。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、藍乃至黑色，透明度隨其純度不同而異。碳化硅晶體結(jié)構(gòu)分為六方或菱面體的α-SiC和立方體的β-SiC（稱立方碳化硅)。α-SiC由于其晶體結(jié)構(gòu)中碳和硅原子的堆垛序列不同而構(gòu)成許多不同變體，已發(fā)現(xiàn)70余種。β-SiC于2100℃以上時轉(zhuǎn)變?yōu)?/span>α-SiC。
SiC是IV-IV族二元化合物半導(dǎo)體，也是周期表IV族元素中唯一的一種固態(tài)化合物。構(gòu)成元素是Si和C，每種原子被四個異種原子所包圍,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(jié)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(jié)合穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)。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(wěn)定性，在力學、化學方面有優(yōu)越的技術(shù)特性。它的多型結(jié)構(gòu)如圖所示：
碳化硅由于化學性能穩(wěn)定、導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)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壁，可提高其耐磨性而延長使用壽命1～2倍；用以制成的高級耐火材料，耐熱震、體積小、重量輕而強度高，節(jié)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(zhì)量。此外，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(yōu)良的導(dǎo)熱性能，是一種半導(dǎo)體，高溫時能抗氧化。
2.2GaN材料
GaN是一種極穩(wěn)定，堅硬的高熔點材料，熔點約為1700℃。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）。在大氣壓下，GaN晶體一般是六方纖鋅礦結(jié)構(gòu)。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，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(zhì)量差的GaN，這種方法可以用來檢測質(zhì)量不高的GaN晶體。GaN在HCL或H2氣氛高溫下呈現(xiàn)不穩(wěn)定特性，而在N2氣下最為穩(wěn)定。GaN基材料是直接躍遷型半導(dǎo)體材料,具有優(yōu)良的光學性能,可作出高效率的發(fā)光器件,GaN基LED的發(fā)光波長圍可從紫外到綠色光
Ⅲ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、紫和紫外光譜圍。GaN是Ⅲ族氮化物中的基本材料，也是目前研究最多的Ⅲ族氮化物材料。GaN的電學性質(zhì)是決定器件性能的主要因素。目前GaN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(dǎo)體材料存在六方纖鋅礦和立方閃鋅礦兩種不同的晶體結(jié)構(gòu)，如氮化鎵的結(jié)構(gòu)下圖所示：
晶體結(jié)構(gòu)的形成主要由晶體的離子性決定，氮化物的離子性強，所以纖鋅礦是氮化鎵的常見結(jié)構(gòu)，閃鋅礦結(jié)構(gòu)是亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。
GaN材料系列具有低的熱產(chǎn)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(shù)在GaN材料應(yīng)用中的進展和關(guān)鍵薄膜生長技術(shù)的突破，成功地生長出了GaN多種異質(zhì)結(jié)構(gòu)。用GaN材料制備出了金屬場效應(yīng)晶體管（MESFET）、異質(zhì)結(jié)場效應(yīng)晶體管(HFET)、調(diào)制摻雜場效應(yīng)晶體管（MODFET）等新型器件。調(diào)制摻雜的AlGaN/GaN結(jié)構(gòu)具有高的電子遷移率(2000cm2/v·s)、高的飽和速度(1×107cm/s)、較低的介電常數(shù)，是制作微波器件的優(yōu)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(zhì)外延缺陷密度相當高等問題還沒有解決，但是GaN半導(dǎo)體器件的水平已可實用化。InGaN系合金的生成，InGaN/AlGaN雙質(zhì)結(jié)LED，InGaN單量子阱LED，InGaN多量子阱LED等相繼開發(fā)成功。InGaN與AlGaP、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(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)產(chǎn)品，GaN晶體管也將隨材料生長和器件工藝的發(fā)展而迅猛發(fā)展，成為新一代高溫度頻大功率器件。
3.1寬禁帶半導(dǎo)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(dǎo)體（MOS）結(jié)構(gòu)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器件平面工藝相兼容。實現(xiàn)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(shè)備，它們的區(qū)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(yīng)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(yōu)點是結(jié)構(gòu)致密、干燥、均勻性和重復(fù)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(zhì)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(guān)也可用惰性氣體（氮氣或氬氣）攜帶水汽進行氧化熱氧化的優(yōu)點：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。
3.2光刻
光刻是集成電路工藝中的關(guān)鍵性技術(shù)，最早的構(gòu)想來源于印刷技術(shù)中的照相制版。它的概念是將掩模版上的圖形（電路結(jié)構(gòu)）“臨時”（嵌套式）轉(zhuǎn)移到硅片上的過程。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，實現(xiàn)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(shù)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(chǎn)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(fù)導(dǎo)致多數(shù)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%。
（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：
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(zhuǎn)致薄膜應(yīng)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?yōu)橐蚁┩僮優(yōu)轸人幔ㄒ兹苡趬A液）
（4）顯影：正膠的曝光區(qū)和負膠的非曝光區(qū)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(xiàn)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(tài)轉(zhuǎn)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(jīng)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(tài)物質(zhì)叫做光刻膠。將少量液態(tài)光刻膠滴在硅片上，再經(jīng)過高速旋轉(zhuǎn)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(fā)，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。
接下來用UV光通過掩模版的透光區(qū)使光刻膠曝光，如圖（b）所示。掩模版是預(yù)先制備的玻璃或石英版，其上復(fù)制有需要轉(zhuǎn)移到SiO2薄膜上的圖形。掩模版的暗區(qū)可以阻擋UV光線通過。曝光區(qū)域中的光刻膠會發(fā)生光化學反應(yīng)，反應(yīng)的類型與光刻膠的種類有關(guān)。對于負性光刻膠，在經(jīng)過光照的區(qū)域會發(fā)生聚合反應(yīng)，變得難以去除。浸入顯影劑之后，曝光區(qū)域發(fā)生聚合反應(yīng)的負膠保留下來，而沒有曝光的區(qū)域的負膠被分解掉，溶于顯影液中。經(jīng)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(jīng)過曝光之后，感光劑發(fā)生分解，使得曝光區(qū)域的正
膠被優(yōu)先除去，其效果如圖（c）的左圖所示。從應(yīng)用的過程來看，負膠在早期的IC工藝中廣泛應(yīng)用?，F(xiàn)在正膠的應(yīng)用已經(jīng)成為主流，因為正膠可以提供更好的圖形控制。
對準方法：
（1）預(yù)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。另外層間對準，即套刻精度（Overlay），保證圖形與硅片上已經(jīng)存在的圖形之間的對準。曝光中最重要的兩個參數(shù)是：曝光能量（Energy）和焦距（Focus）。如果能量和焦距調(diào)整不好，就不能得到要求的分辨率和大小的圖形。表現(xiàn)為圖形的關(guān)鍵尺寸超出要求的圍。
曝光方法：
（1）接觸式曝光（ContactPrinting）。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(shè)備簡單。缺點：光刻膠污染掩膜板；掩膜板的磨損，壽命很低（只能使用5～25次）；1970前使用，分辨率〉0.5μm。
（2）接近式曝光（ProximityPrinting）。掩膜板與光刻膠層的略微分開，大約為10～50μm。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(yīng)，降低了分辨率。1970后適用，但是其最大分辨率僅為2～4μm。
（3）投影式曝光（ProjectionPrinting）。在掩膜板與光刻膠之間使用透鏡聚集光實現(xiàn)曝光。一般掩膜板的尺寸會以需要轉(zhuǎn)移圖形的4倍制作。優(yōu)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（ScanningProjectPrinting）。70年代末～80年代初，〉1μm工藝；掩膜板1：1，全尺寸步進重復(fù)投影曝光（Stepping-repeatingProjectPrinting或稱作Stepper）。80年代末～90年代，0.35μm（Iline）～0.25μm（DUV）。掩膜板縮小比例（4：1），曝光區(qū)域（ExposureField）22×22mm（一次曝光所能覆蓋的區(qū)域）。增加了棱鏡系統(tǒng)的制作難度。掃描步進投影曝光（Scanning-SteppingProjectPrinting）。90年代末～至今，用于≤0.18μm工藝。采用6英寸的掩膜板按照4：1的比例曝光，曝光區(qū)域（ExposureField）26×33mm。優(yōu)點：增大了每次曝光的視場；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(tǒng)的精度要求。
在曝光過程中，需要對不同的參數(shù)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(jù)不同的檢測控制對象，可以分為以下幾種：
（1）顆?？仄?/span>ParticleMC）：用于芯片上微小顆粒的監(jiān)控，使用前其顆粒數(shù)應(yīng)小于10顆；
（2）卡盤顆?？仄?/span>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(jiān)控焦距監(jiān)控；
（4）關(guān)鍵尺寸控片（CriticalDimensionMC）：用于光刻區(qū)關(guān)鍵尺寸穩(wěn)定性的監(jiān)控；
（5）光刻膠厚度控片（PhotoResistThicknessMC）：光刻膠厚度測量；
（6）光刻缺陷控片（PDM，PhotoDefectMonitor）：光刻膠缺陷監(jiān)控。舉例：0.18μm的CMOS掃描步進光刻工藝。
光源：KrF氟化氪DUV光源（248nm）；數(shù)值孔徑NA：0.6～0.7；焦深DOF：0.7μm分辨率Resolution：0.18～0.25μm（一般采用了偏軸照明OAI_Off-AxisIllumination和相移掩膜板技術(shù)PSM_PhaseShiftMask增強）；套刻精度Overlay：65nm；產(chǎn)能Throughput：30～60wafers/hour（200mm）；視場尺寸FieldSize：25×32mm；
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(xù)噴霧顯影（ContinuousSprayDevelopment）。
自動旋轉(zhuǎn)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(zhuǎn)（100～500rpm）。噴嘴噴霧模式和硅片旋轉(zhuǎn)速度是實現(xiàn)硅片間溶解率和均勻性的可重復(fù)性的關(guān)鍵調(diào)節(jié)參數(shù)。
（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（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(zhuǎn)。一般采用多次旋覆顯影液：第一次涂覆、保持10～30秒、去除；第二次涂覆、保持、去除。然后用去離子水沖洗（去除硅片兩面的所有化學品）并旋轉(zhuǎn)甩干。優(yōu)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銨（TMAH）（標準當量濃度為0.26，溫度15～250C）。在I線光刻膠曝光中會生成羧酸，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(chǎn)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(fā)生反應(yīng)。
（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）。表面還殘留有光刻膠。顯影液不足造成；
（2）顯影不夠（UnderDevelopment）。顯影的側(cè)壁不垂直，由顯影時間不足造成；
（3）過度顯影（OverDevelopment）?？拷砻娴墓饪棠z被顯影液過度溶解，形成臺階。顯影時間太長。
3.3刻蝕
刻蝕是指用化學或物理方法有選擇地從硅片表面去除不需要的材料的過程。刻蝕的基本目的，是在涂膠(或有掩膜)的硅片上正確的復(fù)制出掩膜圖形。通常是在光刻工藝之后進行。我們通常通過刻蝕，在光刻工藝之后，將想要的圖形留在硅片上。從這一角度而言，刻蝕可以被稱之為最終的和最主要的圖形轉(zhuǎn)移工藝步驟。在通常的刻蝕過程中，有圖形的光刻膠層〔或掩膜層)將不受到腐蝕源顯著的侵蝕或刻蝕，可作為掩蔽膜，保護硅片上的部分特殊區(qū)域，而未被光刻膠保護的區(qū)域，則被選擇性的刻蝕掉。
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。
干法刻蝕，是利用氣態(tài)中產(chǎn)生的等離子體，通過經(jīng)光刻而開出的掩蔽層窗口，與暴露于等離子體中的硅片行物理和化學反應(yīng)，刻蝕掉硅片上暴露的表面材料的一種工藝技術(shù)法。該工藝技術(shù)的突出優(yōu)點在于，可以獲得極其精確的特征圖形。超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，要求微細化加工工藝能夠嚴格的控制加工尺寸，要求在硅片上完成極其精確的圖形轉(zhuǎn)移。任何偏離工藝要求的圖形或尺寸，都可能直接影響產(chǎn)品性能或品質(zhì)，給生產(chǎn)帶來無法彌補的損害。由于干法刻蝕技術(shù)在圖形軼移上的突出表現(xiàn)，己成為亞微米尺寸下器件刻蝕的最主要工藝方法。在特征圖形的制作上，已基本取代了濕法腐蝕技術(shù)。
對于濕法腐蝕，就是用液體化學試劑(如酸、堿和溶劑等)以化學的方式去除硅片表面的材料。當然，在通過濕法腐蝕獲得特征圖形時，也要通過經(jīng)光刻開出的掩膜層窗口，腐蝕掉露出的表面材料。但從控制圖形形狀和尺寸的準確性角度而言，在形成特征圖形方面，濕法腐蝕一般只被用于尺寸較大的情況(大于3微米)。由于這一特點，濕法腐蝕遠遠沒有干法刻蝕的應(yīng)用廣泛。但由于它的高選擇比和批量制作模式，濕法腐蝕仍被廣泛應(yīng)用在腐蝕層間膜、去除干法刻蝕殘留物和顆粒等工藝步驟中。