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1、奈米半導體的製備石豫臺 國立彰化師範大學 物理系暨光電科技研究所1奈米半導體的製備l積體電路l半導體技術的演進目標l製程技術的挑戰l奈米材料製備方法的分類l微影術l真空蒸鍍法l濺射鍍膜法l分子束磊晶法l金屬有機化學氣相沈積法2晶圓(wafer)l指矽半導中積體電路所用 之矽晶片，因形狀為圓形 ，故稱為晶圓。l在矽晶片上可加工製作各 種電路元件結構，而成為 有特定功能的積體電路 (IC)。l晶圓按其直徑分為4、5、 6、8、12吋甚至更大規格 。晶圓越大,同一晶片上可 生產的IC就越多,可降低成 本； 但要求材料技術和生 產技術更高 。12吋晶圓3晶圓的製造l純化：以矽石(silica)或矽酸鹽
2、(silicate)為原料，經由電弧爐提煉 、鹽酸氯化，並蒸餾後，得高純度多晶矽。 l長晶：將多晶矽融解，摻入一小粒晶種，慢慢拉出，形成圓柱狀 單晶矽棒。若希望成為摻雜半導體，則可在拉晶程序前摻 入一定比例的雜質。 l整修：將晶柱進行切割、清洗、吹乾、拋光以製成晶圓。 l磊晶在製造互補式金氧半導體(CMOS)元件時，需要一層沈積 的磊晶矽。4柴可歐斯基(Czochralski)長晶法5晶柱6積體電路(Integrated circuit, IC)l就是將電晶體、二極體、 電阻、電容等電子元件， 用微電子的技術將其做在 一片長寬約半公分以內的 晶片上。l特點：體積小、功能多、 可靠性高、價錢便宜
3、。l半導體最大的應用是積體 電路。舉凡電腦、手機、 各種家電與資訊產品一定 有IC存在。 封裝好的IC7積體電路製造流程8IC發展的指標l元件的尺寸以設計時的最小尺寸為代表特徵，稱為特徵尺寸(feature size)l元件的數目依積體程度範圍從小型積體電路(SSI)到超大型積體電路(ULSI) 。9半導體技術的演進目標l改善性能提升速度降低能耗提高可靠度l降低成本改良製作方法，如改善製程、設備等把元件微小化，使晶片上能製造的 IC更多。半導體技術發展的重要趨勢10積體電路有什麼好處？l一個晶片可包含超過六千四百萬個電晶體l集積(integration)的好處：經濟上的誘因l在一個矽晶片上做一
4、百萬個元件與做一個元件費用差不多 ，而且矽晶片上元件之間的連線都一併做好了。l分立的元件必須一個個連結起來，才能成為電路，製程貴 又不可靠。l在晶片上製作愈來愈複雜的電路，才能維持競爭力。電路的性能l尺寸小的電晶體比尺寸大的操作要快。 l半導體業要盡一切可能，讓晶片的集積度不斷的 繼續增加。11摩爾定律(Moores Law)lGordon Moore:英特爾的創始人之一在1965年預測：每一晶片(chip)上的電晶體數量 ，每12個月即會倍增 (之後俢改為每24個月)。l每二年可視為一代一維的線幅減為上一代之0.7 因 0.70.7 0.5，二維面積減為上一代之半。在相同面積上，電晶體數目增
5、加約一倍。12半導體技術進展l130 0.7 = 91 (90 奈米技術節點) 2004 年l 90 0.7 = 63 (65 奈米技術節點) 2007 年l 65 0.7 = 46 (45 奈米技術節點) 2010 年l 45 0.7 = 32 (32 奈米技術節點) 2013 年l 32 0.7 = 22 (22 奈米技術節點) 2016 年l 22 0.7 = 15 (16 奈米技術節點) 2019 年l13進入奈米電子的時代lIC技術：以前稱為微電子技術l電晶體大小 10-6 米 (微米)現稱為奈米電子技術l電晶體大小 0.1 微米 (= 100 奈米)l未來的IC大部分均由奈米技術製
6、成。14電晶體的奈米化發展l如果電腦運算速度要由10億赫 茲(1 GHz)向上提升，則半導體 元件就要由微米跨入奈米。 l電腦的由中央處理器(CPU)內數 十萬個電晶體處理訊號，運算 速度取決於電晶體的開關速度 。 l場效電晶體的開關速度取決於 源極電子流到汲極時間。若閘 極長度微縮化，則開關速度可 增加，CPU可加快。 l目前半導體技術已由130奈米走 向90奈米，進而到65奈米。若 閘極長度20奈米，電晶體集 積密度10倍，CPU 20 GHZ。15製程技術的挑戰l微影技術：要求在12吋晶圓上曝光顯影的圖形大小幾十奈 米，在下層結構對準的準確度幾奈米。精準程度相當於在中國大陸的面積上，每次
7、都能 精準找到一顆玻璃彈珠。昂貴的曝光機：NT$ 78 億/部。l薄膜厚度：12奈米，在12吋晶圓上的誤差小於5%。相當於在100個足球場的面積上舖上一層1公分厚 的泥土，而且要誤差控制在0.05公分的範圍。16奈米材料的製備17奈米材料製備方法的分類l自上而下(top down)切割 大小將一羣分子由表面挖出， 或加到表面上例：微影蝕刻技術。l自下而上(bottom up)組裝 小大將原子或分子組合成奈米 結構例：奈米結構的自組裝成 長。18光微影術(photolithography)l先將設計的圖形製作成光罩 (photo mask)，應用光學成像原 理，將圖形投影至晶圓上。l晶圓表面事先
8、塗抹光阻(photo resist)。 通過光罩及透鏡的光 線會與光阻劑產生反應，步驟 稱為曝光。l曝光後的晶圓再經顯影 (development)步驟，以化學方 式處理晶圓上曝光與未曝光的 光阻劑，即可將光罩上的圖形 完整地轉移到晶片上，然後接 續其他的製程。l極限100 nm。標準光微影製程：曝光源通過光罩、 透鏡，最後將光罩圖形成像於晶圓上19繞射極限l解析度 ( / 數值孔徑)l聚焦深度 ( / 數值孔徑2)最小線寬 波長 l解決方法：電子束微影(e-beam lithography)波長更小極限50 nm缺點：費時(4 hr/4吋晶片)不適宜大規模工業生產。不同波長的光源，適用於不同
9、的線寬尺寸。 光源的能量越高，波長越短，可製作的線寬越小。 20自組裝(self assembly)l原理：分子會尋求最低的能量狀態。如果相鄰分子鍵結 後，能量最低，則分子會形成鍵結。如果某種排 列會達最低能量，則分子以此方式排列。l在自組裝中，如果將特定的原子或分子放 到表面或預先建造的奈米結構上，則分子 會自己排入特定的位置。l奈米晶體成長即是一種自組裝過程。21奈米半導體薄膜的製備方法22真空蒸鍍法l在高真空中，用加熱蒸發的方式使物質轉化為氣相，然後 凝聚在基板表面的方法稱為蒸鍍。l蒸鍍法包含：電阻加熱蒸鍍、電子束加熱蒸鍍、高頻加熱蒸鍍23濺射鍍膜法l所謂濺射鍍膜是指利用具有高能量的粒子
10、 轟擊固體表面(稱為靶)，使原子或分子從表 面射出，而在基板表面上沈積以形成薄膜 的方法。l濺射鍍膜有下列幾種：直流濺鍍射頻濺鍍磁控濺鍍離子束濺鍍24射頻濺鍍l在濺射靶上有加射頻電源( 頻率13.56 MHz)的濺鍍方 式稱為，射頻濺鍍。l在射頻電場作用下，電子 在陰、陽極間來回振盪， 可有更多機會與氣體分子 產生碰撞，因而產生更多 氣體正離子以轟擊靶材。l特點：可濺射任何固體材 料。25離子束濺鍍l離子束濺射是採用單獨的 離子源產生用於轟擊靶材 的離子。l陰極燈絲發射的電子加速 飛向陽極，並使氣體電離 。l正離子受柵極加速而轟擊 靶材。l優點：能獨立控制轟擊離 子的數量和密度，有利控 制薄膜
11、的品質。l缺點：鍍膜速率太低，不 適合大面積工作。26分子束磊晶法 (Molecular beam epitaxy, MBE)l分子束磊晶技術是一種可在原子尺度上精 確控制磊晶(epitaxy)厚度、摻雜和界面平整 度的超薄層薄膜製造技術。l常用來生長異質接面(heterojunction)化合物 半導體薄膜。如在GaAs上長AlGaAs, InGaAs, GaAsP, GaSbAs等，可生長高品 質的異質接面。l也是製造半導體超晶格、量子井的重要技 術。27MBE生長原理l所謂磊晶是指在一定單晶體的基板上 ，沿著基板的某晶面向外延伸一層單晶薄 膜。lMBE是在超高真空條件下，精確控制原材 料
12、的分子束強度，把分子束射入被加熱的 基板上而進行磊晶成長。l由於其蒸發源、監控系統和分析系統的高 性能，和真空環境的改善，能夠得到極高 品質的單晶薄膜。28MBE裝置示意圖l將製造薄膜所需物質如Al, Ga等放入噴射源的坩堝內 ，加熱使物質昇華。l噴射源出來的分子束在基 板相交。選擇合適的噴射 源爐溫和基板溫度可成長 所希望的磊晶層。l噴射源和基板間的擋板可 瞬間開關以控制分子束的 種類與強度。29GaAs的MBE成長模式lAs2分子先以物理吸附方 式吸附於基板表面，並在 表面上移動。l當As2分子遇到一對Ga的 格位時，即發生解離。l當表面沒有自由的Ga吸附 原子時， As2不會冷凝。l當表
13、面的溫度小於330 C 時，表面上As2成對結合 成As4而脫附。l故可分別控制As爐與Ga爐 的溫度，以調整As2的到 達率大於Ga，就有可能成 長按化學當量比的GaAs。30異質接面磊晶成長模式l異質接面的磊晶成長過程中，根據材料體系的晶格失配度與表面、界面 能的不同，存在三種成長模式：lFrank-van der Merwe (F-vdM)模式晶格匹配材料體系的二維層狀(平面)成長lVolmer-Weber (VW)模式具有較大的晶格失配與表面能的材料體系的三維島狀成長lStranski-Krastanow (SK)模式介於上述二者之間，先層狀成長，進而過渡到島狀成長31Stranski
14、-Krastanow (SK)成長模式l用於描述具有較大晶格失配，而界面能較 小的異質結構材料成長行為。l成長初始階段是二維平面成長，通常有幾 個原子層厚，稱之為浸潤層(wetting layer) 。l隨著浸潤層厚度增加，應變不斷累積，當 達臨界厚度時，成長過程由二維平面成長 向三維島狀成長過渡。32自組裝(self-assembled)量子點結構 成長技術l利用SK模式成長異質結構。l在三維島狀成長初期，形成的奈米尺寸的小島周圍無位錯 。l若用較大能隙的材料將其包圍，則小島中的載子將受三維 的限制。l小島直徑約十幾奈米，高約幾奈米，通稱為量子點。33能成功控制量子點尺寸與位置的技術l利用此
15、技術可製造直徑最小為20 nm的量子點，甚到可將量子點 依照所期望的位置排列。34金屬有機化學氣相沈積法 (Metal-organic Chemical Vapor Deposition, MOCVD)l本法為主要用於化合物半 導體(如III-V族或II-VI族半 導體)薄膜的氣相成長。l本法利用氫氣將III族或II族 金屬元素的有機化合物蒸 氣和V族或VI族的氣態非 金屬氫化物經過開關網絡 送入反應室加熱的基板上 ，通過熱分解反應而最終 在基板上生長磊晶層。l一般的反應式35MOCVD的優點l適合成長各種單質和化合物薄膜材料。lMOCVD用於成長化合物的各組成分和摻雜 都是氣態源，便於精確控制及換源無需將 系統暴露於大氣。l成長速率較MBE高， 需要控制的參數少， 有利於大面積、多片的工業規模生產。36MOCVD的缺點lMO源和氫化物易燃、毒性大，化學污染需 加倍防範。l較高的成長溫度，會使材料純度和界面品 質與MBE相比要差。37
