電子束曝光技術頁PPT課件

1、第三講：電子束曝光技術中國科學院半導體研究所半導體集成技術工程研究中心半導體納米加工技術研究生課程韓偉華 研究員2009年10月26日Email：weihuasemi.ac7/25/20221摘 要第一節(jié)：納米加工技術概述第二節(jié)：電子束抗蝕劑第三節(jié)：電子束曝光系統(tǒng)原理第四節(jié)：電子束曝光工藝舉例7/25/20222第一節(jié)：納米加工技術概述7/25/20223納米加工技術納米（Nanometer）是一個長度單位，簡寫為nm。 1nm=10-3m=10-9m。納米技術是20世紀80年代末期誕生并在蓬勃發(fā)展的一種高新科學技術。納米不僅是一個空間尺度上的概念，而且是一種新的加工方式，即生產(chǎn)過程越來越細，

2、以至于在納米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定功能的產(chǎn)品。7/25/20224納米加工技術納米技術的含義 納米技術是指納米級（0.1100nm）的材料、設計、制造、測量、控制和產(chǎn)品的技術。它將加工和測量精度從微米級提高到納米級。納米技術的主要內(nèi)容 納米技術是一門多學科交叉的高新技術，從基礎研究角度來看，納米技術包括：納米生物學、納米電子學、 納米化學、納米材料和納米機械學等新學科。7/25/20225在過去的十幾年中，半導體微電子產(chǎn)業(yè)將微納加工技術推進到了亞微米階段。目前已經(jīng)推進到納米階段。在此期間，與半導體微電子產(chǎn)業(yè)相關的微納加工技術得到飛速發(fā)展。在這些相關技術中，圖形曝光技術是微電

3、子制造技術發(fā)展的主要驅(qū)動者。曝光圖形分辨率和套刻精度的不斷提高，促成了器件集成度的提高和成本的下降。在半導體器件的制造中，首先需要在晶片上形成所需要的圖形，這些圖形就是通過曝光工藝來完成的。圖形最小的特征尺寸決定了半導體器件的性能和生產(chǎn)成本。因此，曝光工藝成為半導體器件制造的關鍵技術。微納光刻技術 7/25/20226微納光刻技術傳統(tǒng)光學曝光技術X射線曝光技術極紫外曝光技術離子束曝光技術電子束曝光技術7/25/20227傳統(tǒng)光學曝光技術傳統(tǒng)光學曝光是最早用于半導體集成電路的微細加工技術，是超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)的主要方法。光學曝光是一種平面工藝，器件的三維結構是從襯底片平面開始一層一層做上去的，

4、而不是傳統(tǒng)機械加工的直接三維成型。通常的工藝流程是通過掩模制作工藝將二維圖形刻錄到掩模版上，再由光學曝光把掩模版上的圖形轉(zhuǎn)移到光刻膠上。經(jīng)過曝光顯影之后，光刻膠上就再現(xiàn)了掩模版上的圖形。然后，再用光刻膠做掩模將圖形轉(zhuǎn)移到下一層襯底材料上。傳統(tǒng)光學曝光可基本分為接觸式曝光、接近式曝光和投影式曝光。7/25/20228前烘對準及曝光堅膜曝光后烘?zhèn)鹘y(tǒng)光學曝光技術7/25/20229X射線曝光技術X射線是指波長范圍在0.01nm 10nm內(nèi)的電磁波譜。X射線曝光技術最早是由美國麻省理工學院的Henry Smith 在20 世紀70 年代初開發(fā)的。經(jīng)過將近40年的發(fā)展，已經(jīng)取得了長足進步。通常X 射線曝

5、光都采用接近式曝光。典型的X 射線掩模版是幾個微米厚的碳化硅薄膜。薄膜上的重金屬圖形作為吸收層。X 射線由等離子體源或者同步輻射源產(chǎn)生。其曝光分辨率取決于菲涅爾衍射和電子在感光膠中的散射。由于X射線的穿透力很強，所以可以用來在厚的感光膠上制作大深寬比的圖形。X 射線曝光技術真正用到生產(chǎn)線上仍然有一些關鍵技術需要解決，如掩模版的制作技術、定位對準技術等，但目前它已經(jīng)做為一種成熟的技術被應用于微納米加工的各個領域。7/25/202210X射線光刻機（Stepper）X射線曝光技術與LIGA工藝X射線波帶板X射線掩模版MEMS7/25/202211極紫外曝光技術（EUV）極紫外是指真空紫外(VUV)

6、到軟X 射線之間那一段波長的輻射線，約在十幾納米附近。極紫外曝光技術通常利用波長為11nm 14nm的輻射線和多層膜反射縮小系統(tǒng)，將反射型掩模圖形投影到襯底面上。極紫外曝光由于極紫外的波長很短，可以獲得很高的分辨率，而且能保持較長的焦深。反射掩模也比薄膜掩模有更高的強度和穩(wěn)定性。這種方法目前仍處于實驗室研究階段，一些關鍵技術還在研究中。7/25/202212極紫外曝光技術（EUV）7/25/202213離子束曝光技術離子束曝光是利用離子束直接在襯底片上描畫圖形或轉(zhuǎn)印圖形的曝光技術。由于離子的質(zhì)量遠遠大于電子，在相同的加速電壓下，離子具有更短的波長，因此離子束曝光比電子束曝光有更高的分辨率。離子

7、射入感光膠材料內(nèi)的射程要比電子的短，入射離子的能量能被感光材料更為充分的吸收，所以對于相同的感光膠，離子束曝光的靈敏度要高于電子束曝光，即曝光速率要高于電子束曝光。離子束在感光膠內(nèi)的散射很小，其作用范圍也很小，它產(chǎn)生的鄰近效應可以忽略不計。聚焦離子束(Focus Ion Beam, FIB)技術可以直接將固體表面的原子濺射剝離。但是，這種工藝對材料的損傷較大，離子束轟擊的深度不容易精確控制，因此不適合用來加工有源器件。7/25/202214 電子束曝光技術是近30年來發(fā)展起來的一門新興技術，它集電子光學、精密機械、超高真空、計算機自動控制等近代高新技術于一體，是推動微電子和微細加工技術進一步發(fā)

8、展的關鍵技術之一。 先進的電子束曝光機主要適用于0.5微米以下的超微細加工，可以實現(xiàn)數(shù)十納米線條的曝光。 電子束曝光技術廣泛地應用于制造新型微納結構器件、高精度光刻掩模版、以及納米壓印的印模等。 電子束曝光技術7/25/202215電子束曝光的定義 什么是電子束曝光？ 電子束曝光是利用電子束在涂有感光膠的晶片上直接描畫或投影復印圖形的技術。VistecJEOL LeicaRaith電子束曝光系統(tǒng) 7/25/2022167/25/2022177/25/202218JEOL和Leica電子束曝光系統(tǒng)對比7/25/202219電子束曝光系統(tǒng)分類按工作方式分 直接曝光 投影式曝光按電子束形狀分 高斯圓

9、形束電子束曝光系統(tǒng) 成形束電子束曝光系統(tǒng)（固定、可變）按掃描方式分 光柵掃描電子束曝光系統(tǒng) 矢量掃描電子束曝光系統(tǒng)7/25/202220電子束曝光系統(tǒng)的重要關注指標最小束直徑加速電壓電子束流掃描速度掃描場大小工作臺移動精度套準精度場拼接精度7/25/202221 中國科學院半導體所：Raith150 中國科學院物理所：Raith150 中國科學院微電子所：JBX 5000LS；JBX 6AII； MEBES4700S 中國科學院光電所：Raith150 中國科學院電工所：基于SEM系統(tǒng)自主研發(fā) 石家莊中電集團13所：Leica VBS 沈陽東北微電子47所：MEBES 4500 無錫華潤華晶：

10、ZBA-23；JBX6AII；MEBES5000S清華大學：JEOL JBX-6300FS 北京大學：基于SEM改造基于SEM改造兩臺，Raith150一臺 中國科技大學：Raith150 南京大學：Raith150 國防科技大學：Raith150 中山大學： Raith150 西安交通大學：日本Crestec公司CABL9000系列 山東大學：Raith150國內(nèi)科研單位的電子束曝光系統(tǒng)7/25/202222第二節(jié)：電子束抗蝕劑7/25/202223電子束抗蝕劑電子束抗蝕劑類型分辨率(nm)靈敏度(uC/cm2)PMMA正型10100ZEP520正型1030HSQ負型6100ma-N2400

11、負型8060電子束曝光是利用高分子聚合物對電子敏感反應而形成曝光圖形的。電子束對抗蝕劑的曝光與光學曝光本質(zhì)上是一樣的，但電子束可以獲得非常高的分辨率，這主要是因為高能量的電子具有極端的波長，如100eV的電子波長僅為0.12nm.7/25/202224正抗蝕劑正抗蝕劑：入射粒子將聚合物鏈打斷，曝光的區(qū)域變得更容易溶解，顯影完畢后，曝光圖形陰影部分的膠都溶解了。入射粒子將聚合物鏈打斷7/25/202225正抗蝕劑7/25/202226負抗蝕劑負抗蝕劑：入射粒子將聚合物鏈接起來，曝光的區(qū)域變得更不容易溶解，顯影完畢后，曝光圖形陰影以外部分的膠都溶解了。入射粒子將聚合物鏈接起來7/25/202227

12、負抗蝕劑7/25/202228化學放大抗蝕劑優(yōu)勢：高靈敏度、高分辨率和對比度，抗干法刻蝕能力強。缺點：對后烘條件要求苛刻，正抗蝕劑的表面易受空氣中的化學物質(zhì)污染。7/25/202229對電子束敏感的聚合物7/25/202230抗蝕劑的分辨率7/25/202231高分辨率、高對比度、低靈敏度。靈敏度隨著相對分子質(zhì)量減小而增加。靈敏度隨著顯影液MIBK:IPA中MIBK的比例增加而增加。可以用深紫外或者X射線曝光抗刻蝕性能差！PMMA抗蝕劑多丙稀酸脂聚合物7/25/202232ZEP520A 兼有高分辨率、高對比度和高靈敏度，抗刻蝕能力也很強7/25/202233HSQ （Hydrogen Sis

13、equioxane) 7/25/202234抗蝕劑曝光圖形對比PMMAZEP520AHSQ7/25/202235影響抗蝕劑圖形質(zhì)量的重要參數(shù)1、抗蝕劑的厚度2、曝光劑量與鄰近效應3、靈敏度與對比度4、分辨率7/25/2022361、抗蝕劑厚度的控制7/25/202237電子束抗蝕劑的旋涂和烘烤儀器名稱：勻膠機Delta80T2制 造 廠：德國Karl Suss主要技術指標： Gyrset 5”, max. 4,000rpm Gyrset 3”,max. 5,000rpm 國產(chǎn)熱板7/25/202238電子束抗蝕劑自動旋涂機 真空系統(tǒng)光阻邊緣球狀物移除法晶圓吸盤水套管排放端排氣7/25/2022

14、39轉(zhuǎn)軸光阻輸配噴嘴吸盤晶圓到真空幫浦電子束抗蝕劑自動旋涂7/25/202240轉(zhuǎn)軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓電子束抗蝕劑自動旋涂7/25/202241電子束抗蝕劑自動旋涂轉(zhuǎn)軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/25/202242電子束抗蝕劑自動旋涂轉(zhuǎn)軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/25/202243電子束抗蝕劑自動旋涂轉(zhuǎn)軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/25/202244電子束抗蝕劑自動旋涂轉(zhuǎn)軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/25/202245電子束抗蝕劑自動旋涂轉(zhuǎn)軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/25/202246電子束抗蝕劑自動

15、旋涂轉(zhuǎn)軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/25/202247電子束抗蝕劑自動旋涂轉(zhuǎn)軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/25/202248電子束抗蝕劑自動旋涂轉(zhuǎn)軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/25/202249電子束抗蝕劑自動旋涂轉(zhuǎn)軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/25/202250光學式邊緣球狀物移除邊緣曝光轉(zhuǎn)軸吸盤晶圓光阻7/25/202251烘烤系統(tǒng)加熱器真空晶圓加熱器熱氮氣晶圓微波源真空晶圓光阻吸盤加熱平板對流烤箱微波烤箱7/25/202252CCCCCCOOHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCOOnCHHHHHHHHCCCHHCCCCCCCCC

16、CCCCCCCCOOHHHHHHHOOOHHHHHHHOOHHHHHHHOHHHCHCCCCHHHHHHHmCHCCCOOHHHHHCOOOCCHHHCOHHHo電子束在PMMA膠上引起的光化學過程7/25/202253電子束掃描方式與曝光 Gaussian beam, vector scan, fixed stages = step sizeAs/cmIbeam = beam currentTdwell = dwell timeArea exposureWrite field stitchingChip Exposure 7/25/202254 電子束電壓與圖形劑量關系（曝光PMMA 950

17、K正膠） EHT 10 kV 20 kV 30 kV Area 100 C/cm200 C/cm300 C/cm Line 300 pC/cm600 pC/cm900 pC/cm Dot 0.1 fC0.2 fC0.3 fC 工藝方法 顯影液 MIBK:IPA=1:3, 顯影時間 10s-30s 定影液 IPA, 定影時間 10s-30s曝光參數(shù) 7/25/202255SUSS全自動顯影機7/25/202256顯影轉(zhuǎn)軸吸盤晶圓曝光的光阻顯影液輸配噴嘴至真空幫浦7/25/202257顯影轉(zhuǎn)軸至真空幫浦吸盤晶圓曝光的光阻7/25/202258顯影轉(zhuǎn)軸至真空幫浦吸盤晶圓圖案化光阻邊緣光阻移除7/25

18、/202259超純水清洗轉(zhuǎn)軸至真空幫浦吸盤晶圓超純水輸配噴嘴7/25/202260旋干轉(zhuǎn)軸至真空幫浦吸盤晶圓7/25/202261準備好到下一步驟轉(zhuǎn)軸吸盤晶圓7/25/2022622、電子束曝光劑量的影響Forward ScatteringExposureBackscatteringPMMA&ZEPSi不同劑量曝光7/25/202263 Increase of dose with voltage for all resists 劑量與加速電壓的關系 EHT 10 kV 20 kV 30 kV Area 100 C/cm200 C/cm300 C/cm Line 300 pC/cm600 pC/

19、cm900 pC/cm Dot 0.1 fC0.2 fC0.3 fC7/25/202264前向電子散射特性：經(jīng)常性小角度散射非彈性產(chǎn)生二次電子電子動能相近7/25/202265背向電子散射特性：隨機性大角度散射彈性電子動能具有空間分布7/25/202266電子能量與散射范圍的關系7/25/202267是哪種電子導致曝光呢?二次電子導致大部分抗蝕劑曝光。 前向電子散射-曝光背向電子散射-偏離入射方向7/25/202268鄰近效應(Proximity Effect) 122nm7/25/202269克服外鄰近效應的圖形補償未補償曝光圖形補償曝光圖形金屬剝離后的SEM照片蒸發(fā)300 Ni300 Ni

20、掩膜電子束曝光7/25/202270PMMA作為負膠使用的工藝高能電子輻照下PMMA中同時發(fā)生的兩個事件： 斷鏈（Chain Scission）反應 大分子由于分子鏈斷裂變?yōu)樾》肿?交聯(lián)（Cross-linking）反應 分子之間形成較強的共價鍵，形成大分子網(wǎng)絡 對于PMMA，在低輻照劑量下，斷鏈反應占主導，PMMA表現(xiàn)出正膠特性；在高輻照劑量下，交聯(lián)反應占主導， PMMA表現(xiàn)出負膠特性。劑量： 100 300 pC/cm30nm Si Nanowire40nm Circle7/25/202271(D. F. Kyser and N. S. Viswanathan, Monte Carlo s

21、imulation of spatially distributed beams inelectron-beam lithography, J. Vac. Sci. Technol. 12(6), 1305-1308 (1975)近鄰效應的能量依賴關系7/25/202272Y. Lee, W. Lee, and K. Chun 2019/9, A new 3 D simulator for low energy (1keV) Electron-Beam Systems電子注入深度與能量的關系7/25/2022733、靈敏度和對比度7/25/202274Resist contrast = Slo

22、pe in resistremaining thicknessremaining thicknesslog(Dose)log(Dose)D0D1D0D1Contrast = log10(D1)-log10(D0) -1正膠負膠劑量與曝光膠沿對比度的關系7/25/202275高對比度側壁更陡工藝寬容度更大分辨率更高（不一定總是）對臨近效應不敏感7/25/202276影響對比度的因素電子束擴展圖形坍塌圖形邊緣的粗糙度Photo-Acid Generator7/25/202277電子束擴展和注入深度electron scattering simulations20 keV Electrons3 ke

23、V Electrons1 keV ElectronsPMMASi500 nm7/25/202278圖形坍塌SiO2Developer7/25/202279曝光線條的粗糙度 曝光線條粗糙度的影響因素主要包括： 抗蝕劑的分子量和工藝過程437/25/202280曝光線條粗糙的成因Negative ToneCrosslinkingChain ScissionPositive Tone7/25/202281(Mark A. McCord, Introduction to Electron-Beam Lithography, Short Course Notes Microlithography2019

24、, SPIEs International Symposium on Microlithography 14-19 March, 2019; p.63)電子束的分辨率 厚膠（前向電子散射） 薄膠（散射范圍：電子波長0.5nm ）膠的極限 Polymer 的尺寸（5-10nm） 化學放大膠 （酸的擴散范圍 50nm）4、影響曝光圖像分辨率的因素7/25/202282二次電子的散射范圍 (5-10nm)曝光圖像分辨率的極限如何實現(xiàn)10nm分辨率？ 7/25/202283請大家休息10分鐘！7/25/202284第三節(jié)：電子束曝光系統(tǒng)原理7/25/202285電子光學原理 V02.5keV V0 2

25、0keV 電子在不同的電磁場中會產(chǎn)生速度和運動方向的變化，因而也是一種折射。問題：電子束是如何曝光出各種圖形的呢？ 電子透鏡:像散磁透鏡:聚焦7/25/202286電子束光柱系統(tǒng)電子槍電子透鏡電子偏轉(zhuǎn)器束閘真空系統(tǒng)溫控系統(tǒng)7/25/202287電子光學與光學折射的對比光學折射電子光學折射光從空氣進入玻璃透鏡，光學介質(zhì)的折射率是不連續(xù)的。與電子能量的平方根成正比，電位在空間是連續(xù)分布的。光學折射率在1 2.5之間折射率值較高，取決于空間電位的分布。改變光學介質(zhì)折面曲率可以消除某些像差（非圓形束斑）?？臻g電場分布無法任意改變，采用多極透鏡的徑向場力消除像差。光子聚焦依賴透鏡曲率。在聚焦的高密度電子

26、束流中，電子之間具有排斥力，空間電和效應會破壞電子束的聚焦。7/25/202288電子槍電子槍包括：發(fā)射電子的熱陰極（LaB6等）和對發(fā)射電子聚束的電子透鏡（ 陰極透鏡）。光闌7/25/202289電子束曝光方式工件臺移動和曝光寫場曝光圖形被分成許多個小區(qū)域 (field)電子束偏轉(zhuǎn)范圍受限工件臺移動切換曝光寫場 (field)7/25/202290矢量掃描&光柵掃描矢量掃描 Vector scan只在曝光圖形部分掃描 分辨率高、速度慢光柵掃描 Raster scan對整個曝光場掃描，束閘（beam blanking）只在圖形部分打開速度快、分辨率較低7/25/202291高斯圓電子束Vs.成

27、形電子束曝光次數(shù) 90 10 2高斯圓束固定成形束可變成形束7/25/202292高斯束曝光stage motionbeam motion高斯圓形束：常規(guī)的電子光學柱產(chǎn)生的圓形束斑其電流密度呈高斯分布，故稱高斯圓形束。束斑直徑可達幾個納米，因此可以做極細的圖形線條。工作原理：電子束在掃描場內(nèi)逐個對單元圖形進行掃描，完成一個掃描場描畫后，工作臺移動一個距離，再進行第二個場的描畫，這樣逐場進行描畫，直到完成全部圖形的描畫。7/25/202293電子束的聚焦 采用盡量高的加速電壓采用較小尺寸的光闌孔徑采用小的工作距離 設置小的寫場設置小的曝光步長要獲得小的束斑直徑7/25/202294高分辨率曝光的

28、納米圖形線條寬度: 53.5nm圓孔半徑: 42.8nm優(yōu)化曝光參數(shù) 甩膠厚度 (50nm) 束流電壓 (20keV) 光闌孔徑 (7.5um) 束斑聚焦 曝光劑量 顯影時間線條寬度: 10.5nm圓孔半徑: 11.2nm通常曝光分辨率極限曝光分辨率7/25/202295電子束曝光系統(tǒng)原理圖7/25/202296Raith150電子束曝光系統(tǒng)7/25/202297Raith150電子束曝光系統(tǒng)的組成7/25/202298E-Beam ExposureSEM MonitorRaith150電子束曝光系統(tǒng)的組成7/25/202299Raith150電子束曝光系統(tǒng)的組成7/25/2022100Rai

29、th150電子束曝光系統(tǒng)的組成7/25/2022101Raith150電子束曝光系統(tǒng)主要特征 電子槍：熱場發(fā)射源 束能量可調(diào)：200eV-30keV 圖形直寫( WFU,V樣品中曝光圖形的位置依賴于 (U,V)在PLS的坐標 PLS中工作區(qū)范圍的定義 寫場的尺寸坐標變換B2. 樣品 (U,V)3. 版圖 (u,v)坐標變換 B7/25/20221214. 電子束 (縮放,位移,旋轉(zhuǎn))為什么 ?樣品臺的移動2. 樣品 (U,V)坐標變換 C坐標變換C7/25/20221221. 沒有激光干涉臺用樣品作為對準的標準2. 有激光干涉臺用激光作為對準的標準依賴于硬件本身 !坐標變換C4. 電子束 (縮

30、放,位移,旋轉(zhuǎn))2. 樣品 (U,V)坐標變換 C7/25/2022123particle坐標變換C：寫場對準WF Area: 100mparticleSample (U,V) Beam (zoom, shift, rotation)Stage movementby laser interferometerBeam movement(U,V)7/25/2022124坐標系的建立Global變換:樣品(U,V) 樣品臺(x,y)寫場的對準 圖形拼接 樣品臺移動曝光起點(U,V) 寫場中心 曝光三點調(diào)整縮放因子和傾角的修正套刻圖形坐標系的建立 Local變換: 版圖 (u,v) 樣品(U,V)移動

31、和傾角修正坐標系的變換關系VU7/25/2022125電子束曝光系統(tǒng)的操作過程 設備啟動 樣品傳入 低倍聚焦 定義坐標 高倍聚焦 寫場對準 測束電流 參數(shù)設定 樣品曝光 樣品取出 7/25/2022126第四節(jié)：電子束曝光工藝舉例7/25/2022127電子束曝光的工藝過程7/25/2022128關鍵技術1：刻蝕與腐蝕的硅納米圖形ICP刻蝕化學腐蝕20nm邊緣粗糙頂部15nm細部20nm細部11.5 nm7/25/2022129關鍵技術2：光滑納米金屬電極的制作154.8nm32.15nm135.7nmsubstratePMMA金屬單層膠剝離工藝金屬電極與膠連接：邊緣粗糙、易斷substrat

32、ePMMACopolymer金屬不同感光度的雙層膠剝離工藝金屬電極表面與膠分離：光滑、均勻7/25/2022130影響對準精度的因素1. 樣品臺移動帶來的寫場拼接誤差；2. 電子束偏轉(zhuǎn)帶來的讀取誤差。通常的套刻范圍局限在一個寫場尺寸內(nèi)，例如200 x200m2 . 開發(fā)了大面積準確套刻技術1. 解決了套刻過程中寫場拼接問題;2. 解決了套刻區(qū)域的坐標對準問題。新方法使套刻范圍提高到2x2mm2，增大了100倍，而對準誤差小于40nm，僅為套刻面積的十萬分之一。關鍵技術3：較大面積的套刻微納結構集成工藝中的關鍵技術E-Beam套刻模板圖形(u,v)uv7/25/2022131GaN基高電子遷移率

33、晶體管的制作器件應用舉例：7/25/2022132隨著無線通信市場的快速發(fā)展，尤其是基站、遠距離空間通訊等，對微波功率放大器件在高溫、高頻、高壓及大功率性能方面提出了更高的要求。寬禁帶半導體材料GaN具有禁帶寬帶大、耐高壓、耐高溫、電子飽和速度高、擊穿場強大等優(yōu)點。GaN HEMT器件的研究背景GaAsInPGaN禁帶寬度(eV)1.431.343.40飽和速度(m/s)擊穿電場(MV/m)4050330相對介電常數(shù)12.812.58.9熱導率(W/mK)50691707/25/2022133AlGaN/GaN異質(zhì)結材料的極化作用 結構不對稱：自發(fā)極化 晶格失配： 壓電極化 AlGaN/GaN

34、異質(zhì)結具有較大的導帶不連續(xù)性，注入效率高，界面處有強烈的自發(fā)極化與壓電極化效應，感生出很強的界面電荷和電場，二維電子氣（2DEG）可達到遠高于GaAs/AlGaAs異質(zhì)結界面的電子密度，因此可以用于制備高電子遷移率場效應晶體管（HEMT）。7/25/2022134GaN基高電子遷移率場效應晶體管在GaN基HMET器件中，寬帶隙的AlGaN材料將柵與溝道隔開，來自AlGaN勢壘層的2DEG溝道電子減少了電離雜質(zhì)的散射，大大提高了遷移率。1994年APA光學公司的M. Asif Khan 制作出了第一只GaN基HEMT器件：Lg=4um; gm=28mS/mm 300K； gm=46mS/mm 7

35、7K7/25/2022135GaN HEMT器件的性能表征大功率特性擊穿電壓輸出功率密度功率附加效率PAE直流特性I-V特性源漏最大電流密度轉(zhuǎn)移特性跨導自發(fā)熱現(xiàn)象脈沖測量模式交流小信號特性電流截止頻率ft最高振蕩頻率fmax7/25/2022136T柵結構向高頻方向發(fā)展GaN HEMT器件的發(fā)展趨勢T-GateGaN Channel LayerAlGaN Barrier LayerSDG4H-SiC AlN Barrier Layer 2019年Khan報道了以SiC為襯底的GaN/AlGaN HEMT的最大震蕩頻率fmax=155GHz；Lg=0.12um ；gm=217mS/mm。 IEE

36、E Electron Devices, 48(3) 2019,581-585 2019年Palacios報道了SiC襯底GaN/AlGaN HEMT中加有InGaN 超薄背勢壘后，獲得最大震蕩頻率fmax=230GHz；Lg=0.1-0.2um ；gm=380mS/mm。 IEEE Electron Devices, 27(1) 2019,13-157/25/2022137GaN HEMT器件的發(fā)展趨勢板柵結構向高功率方向發(fā)展 2019年Wu YF報道了雙場柵結構的GaN/AlGaN HEMT on SiC的最大輸出功率密度Pmax=41.4W/mm；Lf1=0.3-0.5um , Lf2=0.9-1.2um; fT=30-35GHz 。 64t