1、7/28/20221第三讲：电子束曝光技术中国科学院半导体研究所中国科学院半导体研究所半导体集成技术工程研究中心半导体集成技术工程研究中心半导体纳米加工技术研究生课程半导体纳米加工技术研究生课程韩伟华 研究员2009年年10月月26日日Email：weihuasemi.ac7/28/20222摘 要o第一节：纳米加工技术概述o第二节：电子束抗蚀剂o第三节：电子束曝光系统原理o第四节：电子束曝光工艺举例7/28/20223第一节：纳米加工技术概述7/28/20224纳米加工技术o纳米（纳米（Nanometer）是一个长度单位，简写为）是一个长度单位，简写为nm。1nm=10-3m=10-9m。o
2、纳米技术纳米技术是是20世纪世纪80年代末期诞生并在蓬勃发展的一种年代末期诞生并在蓬勃发展的一种高新科学技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而高新科学技术。纳米不仅是一个空间尺度上的概念，而且是一种新的加工方式，即生产过程越来越细，以至于且是一种新的加工方式，即生产过程越来越细，以至于在纳米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定在纳米尺度上直接由原子、分子的排布制造的具有特定功能的产品。功能的产品。7/28/20225纳米加工技术纳米技术的含义纳米技术的含义 纳米技术是指纳米级（纳米技术是指纳米级（0.1100nm）的材料、设计、）的材料、设计、制造、测量、控制和产品的技术。它将加工和测
3、制造、测量、控制和产品的技术。它将加工和测量精度从微米级提高到纳米级。量精度从微米级提高到纳米级。纳米技术的主要内容纳米技术的主要内容 纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从基础纳米技术是一门多学科交叉的高新技术，从基础研究角度来看，纳米技术包括：纳米生物学、纳研究角度来看，纳米技术包括：纳米生物学、纳米电子学、米电子学、纳米化学、纳米材料和纳米机械学等纳米化学、纳米材料和纳米机械学等新学科。新学科。7/28/20226o在过去的十几年中，半导体微电子产业将微纳加工技术推进到了亚微米阶段。目前已经推进到纳米阶段。在此期间，与半导体微电子产业相关的微纳加工技术得到飞速发展。o在这些相关技术中，图
4、形曝光技术是微电子制造技术发展的主要驱动者。曝光图形分辨率和套刻精度的不断提高，促成了器件集成度的提高和成本的下降。o在半导体器件的制造中，首先需要在晶片上形成所需要的图形，这些图形就是通过曝光工艺来完成的。图形最小的特征尺寸决定了半导体器件的性能和生产成本。因此，曝光工艺成为半导体器件制造的关键技术。微纳光刻技术 7/28/20227微纳光刻技术o传统光学曝光技术oX射线曝光技术o极紫外曝光技术o离子束曝光技术o电子束曝光技术7/28/20228传统光学曝光技术o传统光学曝光是最早用于半导体集成电路的微细加工技术，是超大规模集成电路生产的主要方法。o光学曝光是一种平面工艺，器件的三维结构是从
5、衬底片平面开始一层一层做上去的，而不是传统机械加工的直接三维成型。o通常的工艺流程是通过掩模制作工艺将二维图形刻录到掩模版上，再由光学曝光把掩模版上的图形转移到光刻胶上。经过曝光显影之后，光刻胶上就再现了掩模版上的图形。然后，再用光刻胶做掩模将图形转移到下一层衬底材料上。o传统光学曝光可基本分为接触式曝光、接近式曝光和投影式曝光。7/28/20229前烘前烘对准及曝光对准及曝光坚膜坚膜曝光后烘曝光后烘传统光学曝光技术7/28/202210X射线曝光技术oX射线是指波长范围在0.01nm 10nm内的电磁波谱。X射线曝光技术最早是由美国麻省理工学院的Henry Smith 在20 世纪70 年代
6、初开发的。经过将近40年的发展，已经取得了长足进步。通常X 射线曝光都采用接近式曝光。o典型的X 射线掩模版是几个微米厚的碳化硅薄膜。薄膜上的重金属图形作为吸收层。X 射线由等离子体源或者同步辐射源产生。o其曝光分辨率取决于菲涅尔衍射和电子在感光胶中的散射。由于X射线的穿透力很强，所以可以用来在厚的感光胶上制作大深宽比的图形。oX 射线曝光技术真正用到生产线上仍然有一些关键技术需要解决，如掩模版的制作技术、定位对准技术等，但目前它已经做为一种成熟的技术被应用于微纳米加工的各个领域。7/28/202211X射线光刻机射线光刻机（Stepper）X射线曝光技术与LIGA工艺X射线波带板X射线掩模版
7、MEMS7/28/202212极紫外曝光技术（EUV）o极紫外是指真空紫外(VUV)到软X 射线之间那一段波长的辐射线，约在十几纳米附近。o极紫外曝光技术通常利用波长为11nm 14nm的辐射线和多层膜反射缩小系统，将反射型掩模图形投影到衬底面上。o极紫外曝光由于极紫外的波长很短，可以获得很高的分辨率，而且能保持较长的焦深。反射掩模也比薄膜掩模有更高的强度和稳定性。o这种方法目前仍处于实验室研究阶段，一些关键技术还在研究中。7/28/202213极紫外曝光技术（EUV）7/28/202214离子束曝光技术o离子束曝光是利用离子束直接在衬底片上描画图形或转印图形的曝光技术。o由于离子的质量远远大
8、于电子，在相同的加速电压下，离子具有更短的波长，因此离子束曝光比电子束曝光有更高的分辨率。o离子射入感光胶材料内的射程要比电子的短，入射离子的能量能被感光材料更为充分的吸收，所以对于相同的感光胶，离子束曝光的灵敏度要高于电子束曝光，即曝光速率要高于电子束曝光。o离子束在感光胶内的散射很小，其作用范围也很小，它产生的邻近效应可以忽略不计。o聚焦离子束(Focus Ion Beam,FIB)技术可以直接将固体表面的原子溅射剥离。但是，这种工艺对材料的损伤较大，离子束轰击的深度不容易精确控制，因此不适合用来加工有源器件。7/28/202215o 电子束曝光技术是近30年来发展起来的一门新兴技术，它集
9、电子光学、精密机械、超高真空、计算机自动控制等近代高新技术于一体，是推动微电子和微细加工技术进一步发展的关键技术之一。o 先进的电子束曝光机主要适用于0.5微米以下的超微细加工，可以实现数十纳米线条的曝光。o 电子束曝光技术广泛地应用于制造新型微纳结构器件、高精度光刻掩模版、以及纳米压印的印模等。电子束曝光技术7/28/202216电子束曝光的定义u 什么是电子束曝光？电子束曝光是利用电子束在涂有感光胶的晶片上直接描画或投影复印图形的技术。VistecJEOL LeicaRaithu电子束曝光系统 7/28/2022177/28/2022187/28/202219JEOL和Leica电子束曝光
10、系统对比7/28/202220电子束曝光系统分类o按工作方式分 直接曝光 投影式曝光o按电子束形状分 高斯圆形束电子束曝光系统 成形束电子束曝光系统（固定、可变）o按扫描方式分 光栅扫描电子束曝光系统 矢量扫描电子束曝光系统7/28/202221电子束曝光系统的重要关注指标o最小束直径o加速电压o电子束流o扫描速度o扫描场大小o工作台移动精度o套准精度o场拼接精度7/28/202222 中国科学院半导体所：Raith150 中国科学院物理所：Raith150 中国科学院微电子所：JBX 5000LS；JBX 6AII；MEBES4700S 中国科学院光电所：Raith150 中国科学院电工所：
11、基于SEM系统自主研发 石家庄中电集团13所：Leica VBS 沈阳东北微电子47所：MEBES 4500 无锡华润华晶：ZBA-23；JBX6AII；MEBES5000S清华大学：JEOL JBX-6300FS 北京大学：基于SEM改造基于SEM改造两台，Raith150一台 中国科技大学：Raith150 南京大学：Raith150 国防科技大学：Raith150 中山大学：Raith150 西安交通大学：日本Crestec公司CABL9000系列 山东大学：Raith150国内科研单位的电子束曝光系统7/28/202223第二节：电子束抗蚀剂7/28/202224电子束抗蚀剂电子束抗蚀
12、剂类型分辨率(nm)灵敏度(uC/cm2)PMMA正型10100ZEP520正型1030HSQ负型6100ma-N2400负型8060电子束曝光是利用高分子聚合物对电子敏感反应而形成曝光图形的。电子束对抗蚀剂的曝光与光学曝光本质上是一样的，但电子束可以获得非常高的分辨率，这主要是因为高能量的电子具有极端的波长，如100eV的电子波长仅为0.12nm.nm V226.1e7/28/202225正抗蚀剂正抗蚀剂：入射粒子将聚合物链打断，曝光的区域变得更容易溶解，显影完毕后，曝光图形阴影部分的胶都溶解了。入射粒子将聚合物链打断7/28/202226正抗蚀剂7/28/202227负抗蚀剂负抗蚀剂：入射
13、粒子将聚合物链接起来，曝光的区域变得更不容易溶解，显影完毕后，曝光图形阴影以外部分的胶都溶解了。入射粒子将聚合物链接起来7/28/202228负抗蚀剂7/28/202229化学放大抗蚀剂优势：高灵敏度、高分辨率和对比度，抗干法刻蚀能力强。缺点：对后烘条件要求苛刻，正抗蚀剂的表面易受空气中的化学物质污染。7/28/202230对电子束敏感的聚合物7/28/202231抗蚀剂的分辨率7/28/202232u高分辨率、高对比度、低灵敏度。u灵敏度随着相对分子质量减小而增加。u灵敏度随着显影液MIBK:IPA中MIBK的比例增加而增加。u可以用深紫外或者X射线曝光u抗刻蚀性能差！PMMA抗蚀剂多丙稀酸
14、脂聚合物7/28/202233ZEP520A 兼有高分辨率、高对比度和高灵敏度，抗刻蚀能力也很强7/28/202234HSQ（Hydrogen Sisequioxane)7/28/202235抗蚀剂曝光图形对比PMMAZEP520AHSQ7/28/202236影响抗蚀剂图形质量的重要参数1、抗蚀剂的厚度2、曝光剂量与邻近效应3、灵敏度与对比度4、分辨率7/28/2022371、抗蚀剂厚度的控制7/28/202238电子束抗蚀剂的旋涂和烘烤仪器名称：匀胶机Delta80T2制 造 厂：德国Karl Suss主要技术指标：Gyrset 5”,max.4,000rpm Gyrset 3”,max.5
15、,000rpm 国产热板7/28/202239电子束抗蚀剂自动旋涂机 真空系統光阻邊緣球狀物移除法晶圓吸盤水套管排放端排氣7/28/202240轉軸光阻輸配噴嘴吸盤晶圓到真空幫浦电子束抗蚀剂自动旋涂7/28/202241轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓电子束抗蚀剂自动旋涂7/28/202242电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/28/202243电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/28/202244电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/28/202245电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴
16、嘴吸盤光阻回收晶圓7/28/202246电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/28/202247电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/28/202248电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/28/202249电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/28/202250电子束抗蚀剂自动旋涂轉軸到真空幫浦光阻輸配噴嘴吸盤光阻回收晶圓7/28/202251光学式边缘球状物移除边缘曝光轉軸吸盤晶圓光阻7/28/202252烘烤系统加熱器加熱器真空真空晶圓晶圓加熱器加熱器熱氮氣熱氮氣晶圓晶圓微波源
17、微波源真空真空晶圓晶圓光阻光阻吸盤吸盤加熱平板加熱平板對流烤箱對流烤箱微波烤箱微波烤箱7/28/202253CCCCCCOOHHHHHHHHHHHHHHHHCCCCOOnCHHHHHHHHCCCHHCCCCCCCCCCCCCCCCCOOHHHHHHHOOOHHHHHHHOOHHHHHHHOHHHCHCCCCHHHHHHHmCHCCCOOHHHHHCOOOCCHHHCOHHHo电子束在PMMA胶上引起的光化学过程7/28/202254电子束扫描方式与曝光 Gaussian beam,vector scan,fixed stages=step sizeAs/cmIbeam =beam curren
18、tTdwell=dwell time2dwellbeamsTI DoseArea exposureWrite field stitchingChip Exposure 7/28/202255u 电子束电压与图形剂量关系（曝光PMMA 950K正胶）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 fCl 工艺方法 显影液 MIBK:IPA=1:3,显影时间 10s-30s 定影液 IPA,定影时间 10s-30s曝光参数 7/28/20
19、2256SUSS全自动显影机7/28/202257显影轉軸吸盤晶圓曝光的光阻顯影液輸配噴嘴至真空幫浦7/28/202258显影轉軸至真空幫浦吸盤晶圓曝光的光阻7/28/202259显影轉軸至真空幫浦吸盤晶圓圖案化光阻邊緣光阻移除7/28/202260超纯水清洗轉軸至真空幫浦吸盤晶圓超純水輸配噴嘴7/28/202261旋干轉軸至真空幫浦吸盤晶圓7/28/202262准备好到下一步骤轉軸吸盤晶圓7/28/2022632、电子束曝光剂量的影响Forward ScatteringExposureBackscatteringPMMA&ZEPSi不同剂量曝光7/28/2022640510152025300
20、50100150200250300350Area Clearing Dose(uC/cm2)Accelaration Voltage(kV)u Increase of dose with voltage for all resists 剂量与加速电压的关系 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 fC7/28/202265前向电子散射特性：特性：经常性经常性 小角度散射小角度散射 非弹性非弹性 产生二次电子产生二次电子 电子动
21、能相近电子动能相近7/28/202266背向电子散射特性：特性：随机性随机性 大角度散射大角度散射 弹性弹性 电子动能具有空间分布电子动能具有空间分布7/28/202267电子能量与散射范围的关系7/28/202268是哪种电子导致曝光呢?二次电子导致大部分抗蚀剂曝光。二次电子导致大部分抗蚀剂曝光。前向电子散射-曝光p背向电子散射-偏离入射方向7/28/202269邻近效应(Proximity Effect)122nm7/28/202270克服外邻近效应的图形补偿未补偿曝光图形未补偿曝光图形补偿曝光图形补偿曝光图形金属剥离后的SEM照片蒸发蒸发300 Ni300 Ni掩膜掩膜电子束曝光电子束曝
22、光7/28/202271PMMA作为负胶使用的工艺高能电子辐照下PMMA中同时发生的两个事件：断链（Chain Scission）反应 大分子由于分子链断裂变为小分子 交联（Cross-linking）反应 分子之间形成较强的共价键，形成大分子网络 对于PMMA，在低辐照剂量下，断链反应占主导，PMMA表现出正胶特性；在高辐照剂量下，交联反应占主导，PMMA表现出负胶特性。剂量：剂量：100 300 pC/cm30nm Si Nanowire40nm Circle7/28/202272(D.F.Kyser and N.S.Viswanathan,Monte Carlo simulation o
23、f spatially distributed beams inelectron-beam lithography,J.Vac.Sci.Technol.12(6),1305-1308(1975)近邻效应的能量依赖关系7/28/202273Y.Lee,W.Lee,and K.Chun 2019/9,A new 3 D simulator for low energy(1keV)Electron-Beam Systems电子注入深度与能量的关系7/28/2022743、灵敏度和对比度7/28/202275Resist contrast=Slope in resistremaining thickn
24、essremaining thicknesslog(Dose)log(Dose)D0D1D0D1Contrast =log10(D1)-log10(D0)-1正胶正胶负胶负胶剂量与曝光胶沿对比度的关系7/28/202276高对比度o侧壁更陡o工艺宽容度更大o分辨率更高（不一定总是）o对临近效应不敏感7/28/202277影响对比度的因素u电子束扩展u图形坍塌u图形边缘的粗糙度SSPhoto-Acid Generator7/28/202278电子束扩展和注入深度electron scattering simulations20 keV Electrons3 keV Electrons1 keV
25、ElectronsPMMASi500 nm7/28/202279图形坍塌SiO2Developer7/28/202280曝光线条的粗糙度u 曝光线条粗糙度的影响因素主要包括：抗蚀剂的分子量和工艺过程2468102000200520102015Line Edge RoughnessRadius of GyrationLine Edge RoughnessYear02 1044 1046 1048 1041 105Line Edge RoughnessRadius of GyrationMolecular Weight(g/mol)437/28/202281曝光线条粗糙的成因Negative To
26、neCrosslinkingChain ScissionPositive Tone7/28/202282(Mark A.McCord,Introduction to Electron-Beam Lithography,Short Course Notes Microlithography2019,SPIEs International Symposium on Microlithography 14-19 March,2019;p.63)电子束的分辨率电子束的分辨率 厚胶（前向电子散射）厚胶（前向电子散射）薄胶（散射范围：电子波长薄胶（散射范围：电子波长0.5nm）胶的极限胶的极限 Polym
27、er 的尺寸（的尺寸（5-10nm）化学放大胶化学放大胶（酸的扩散范围（酸的扩散范围 50nm）4、影响曝光图像分辨率的因素7/28/202283二次电子的散射范围二次电子的散射范围(5-10nm)曝光图像分辨率的极限如何实现10nm分辨率？7/28/202284请大家休息10分钟！7/28/202285第三节：电子束曝光系统原理7/28/202286电子光学原理 V02.5keV V0 20keV u 电子在不同的电磁场中会产生速度和运动方向的变化，因而也是一种折射。问题：电子束是如何曝光出各种图形的呢？电子透镜:像散磁透镜:聚焦7/28/202287电子束光柱系统电子枪电子枪电子透镜电子透
28、镜电子偏转器电子偏转器束闸束闸真空系统真空系统温控系统温控系统7/28/202288电子光学与光学折射的对比光学折射电子光学折射光从空气进入玻璃透镜，光学介质的折射率是不连续的。与电子能量的平方根成正比，电位在空间是连续分布的。光学折射率在1 2.5之间折射率值较高，取决于空间电位的分布。改变光学介质折面曲率可以消除某些像差（非圆形束斑）。空间电场分布无法任意改变，采用多极透镜的径向场力消除像差。光子聚焦依赖透镜曲率。在聚焦的高密度电子束流中，电子之间具有排斥力，空间电和效应会破坏电子束的聚焦。7/28/202289电子枪电子枪包括：发射电子的热阴极（LaB6等）和对发射电子聚束的电子透镜（阴
29、极透镜）。光阑7/28/202290电子束曝光方式工件台移动和曝光写场曝光图形被分成许多个小区域(field)电子束偏转范围受限工件台移动切换曝光写场(field)7/28/202291矢量扫描&光栅扫描矢量扫描矢量扫描 Vector scan只在曝光图形部分扫描 分辨率高、速度慢分辨率高、速度慢光栅扫描光栅扫描 Raster scan对整个曝光场扫描，束闸（beam blanking）只在图形部分打开速度快、分辨率较低速度快、分辨率较低7/28/202292高斯圆电子束Vs.成形电子束曝光次数 90 10 2高斯圆束固定成形束可变成形束7/28/202293高斯束曝光stage motion
30、beam motion高斯圆形束：常规的电子光学柱产生的圆形束斑其电流密度呈高斯分布，故称高斯圆形束。束斑直径可达几个纳米，因此可以做极细的图形线条。工作原理：电子束在扫描场内逐个对单元图形进行扫描，完成一个扫描场描画后，工作台移动一个距离，再进行第二个场的描画，这样逐场进行描画，直到完成全部图形的描画。7/28/202294电子束的聚焦 u采用尽量高的加速电压采用尽量高的加速电压u采用较小尺寸的光阑孔径采用较小尺寸的光阑孔径u采用小的工作距离采用小的工作距离 u设置小的写场设置小的写场u设置小的曝光步长设置小的曝光步长要获得小的束斑直径要获得小的束斑直径7/28/202295高分辨率曝光的纳
31、米图形线条宽度线条宽度:53.5nm圆孔半径圆孔半径:42.8nm优化曝光参数 甩胶厚度(50nm)束流电压(20keV)光阑孔径(7.5um)束斑聚焦 曝光剂量 显影时间线条宽度线条宽度:10.5nm圆孔半径圆孔半径:11.2nm通常曝光分辨率极限曝光分辨率7/28/202296电子束曝光系统原理图7/28/202297Raith150电子束曝光系统7/28/202298Raith150电子束曝光系统的组成7/28/202299E-Beam ExposureSEM MonitorRaith150电子束曝光系统的组成7/28/2022100Raith150电子束曝光系统的组成7/28/2022
32、101Raith150电子束曝光系统的组成7/28/2022102Raith150电子束曝光系统主要特征u 电子枪：热场发射源u 束能量可调：200eV-30keVu 图形直写(WFU,V样品中曝光图形的位置依赖于(U,V)在PLS的坐标 PLS中工作区范围的定义 写场的尺寸坐标变换B2.样品样品(U,V)3.版图版图(u,v)坐标变换坐标变换 B7/28/20221224.电子束电子束(缩放缩放,位移位移,旋转旋转)为什么为什么?样品台的移动样品台的移动2.样品样品(U,V)坐标变换坐标变换 C坐标变换C7/28/20221231.没有激光干涉台没有激光干涉台用样品作为对准的标准2.有激光干
33、涉台有激光干涉台用激光作为对准的标准依赖于硬件本身!坐标变换C4.电子束电子束(缩放缩放,位移位移,旋转旋转)2.样品样品(U,V)坐标变换坐标变换 C7/28/2022124particle坐标变换C：写场对准WF Area:100mparticleSample(U,V)Beam(zoom,shift,rotation)Stage movementby laser interferometerBeam movement(U,V)7/28/2022125坐标系的建立Global变换:样品(U,V)样品台(x,y)写场的对准 图形拼接 样品台移动曝光起点(U,V)写场中心 曝光三点调整缩放因子和
34、倾角的修正w r i t e f i el dUV套刻图形坐标系的建立 Local变换:版图(u,v)样品(U,V)移动和倾角修正坐标系的变换关系UVyxr ot at i onshi f tD esi gn(u,v)VU7/28/2022126电子束曝光系统的操作过程o 设备启动设备启动o 样品传入样品传入o 低倍聚焦低倍聚焦o 定义坐标定义坐标o 高倍聚焦高倍聚焦 o 写场对准写场对准o 测束电流测束电流o 参数设定参数设定o 样品曝光样品曝光o 样品取出样品取出 7/28/2022127第四节：电子束曝光工艺举例7/28/2022128电子束曝光的工艺过程7/28/2022129关键技术
35、1：刻蚀与腐蚀的硅纳米图形ICP刻蚀化学腐蚀20nm边缘粗糙顶部顶部15nm细部细部20nm细部细部11.5 nm7/28/2022130关键技术2：光滑纳米金属电极的制作154.8nm32.15nm135.7nmsubstratePMMA金属单层胶剥离工艺金属电极与胶连接：边缘粗糙、易断substratePMMACopolymer金属不同感光度的双层胶剥离工艺金属电极表面与胶分离：光滑、均匀7/28/2022131n 影响对准精度的因素1.样品台移动带来的写场拼接误差；2.电子束偏转带来的读取误差。通常的套刻范围局限在一个写场尺寸内，例如200 x200m2.n 开发了大面积准确套刻技术1.
36、解决了套刻过程中写场拼接问题;2.解决了套刻区域的坐标对准问题。新方法使套刻范围提高到2x2mm2，增大了100倍，而对准误差小于40nm，仅为套刻面积的十万分之一。关键技术3：较大面积的套刻微纳结构集成工艺中的关键技术E-Beam套刻模板图形(u,v)uv7/28/2022132GaN基高电子迁移率晶体管的制作器件应用举例：7/28/2022133u随着无线通信市场的快速发展，尤其是基站、远距离空间通讯等，对微波功率放大器件在高温、高频、高压及大功率性能方面提出了更高的要求。u宽禁带半导体材料GaN具有禁带宽带大、耐高压、耐高温、电子饱和速度高、击穿场强大等优点。GaN HEMT器件的研究背
37、景GaAsInPGaN禁带宽度(eV)1.431.343.40饱和速度(m/s)击穿电场(MV/m)4050330相对介电常数12.812.58.9热导率(W/mK)506917051050.9 1052.7 107/28/2022134AlGaN/GaN异质结材料的极化作用132210DEGncm 结构不对称：自发极化结构不对称：自发极化 晶格失配：晶格失配：压电极化压电极化u AlGaN/GaN异质结具有较大的导带不连续性，注入效率高，界面处有强烈的自发极化与压电极化效应，感生出很强的界面电荷和电场，二维电子气（2DEG）可达到远高于GaAs/AlGaAs异质结界面的电子密度，因此可以用于
38、制备高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）。7/28/2022135GaN基高电子迁移率场效应晶体管u在GaN基HMET器件中，宽带隙的AlGaN材料将栅与沟道隔开，来自AlGaN势垒层的2DEG沟道电子减少了电离杂质的散射，大大提高了迁移率。1994年APA光学公司的M.Asif Khan 制作出了第一只GaN基HEMT器件：Lg=4um;gm=28mS/mm 300K；gm=46mS/mm 77K7/28/2022136GaN HEMT器件的性能表征o大功率特性n击穿电压n输出功率密度n功率附加效率PAEo直流特性nI-V特性o源漏最大电流密度n转移特性o跨导n自发热现象o脉冲测量模式o交流
39、小信号特性n电流截止频率ftn最高振荡频率fmax7/28/2022137u T栅结构向高频方向发展GaN HEMT器件的发展趋势T-GateGaN Channel LayerAlGaN Barrier LayerSDG4H-SiC AlN Barrier Layer 2019年Khan报道了以SiC为衬底的GaN/AlGaN HEMT的最大震荡频率fmax=155GHz；Lg=0.12um；gm=217mS/mm。IEEE Electron Devices,48(3)2019,581-585 2019年Palacios报道了SiC衬底GaN/AlGaN HEMT中加有InGaN 超薄背势垒后
40、，获得最大震荡频率fmax=230GHz；Lg=0.1-0.2um；gm=380mS/mm。IEEE Electron Devices,27(1)2019,13-157/28/2022138GaN HEMT器件的发展趋势u 板栅结构向高功率方向发展 2019年Wu YF报道了双场栅结构的GaN/AlGaN HEMT on SiC的最大输出功率密度Pmax=41.4W/mm；Lf1=0.3-0.5um,Lf2=0.9-1.2um;fT=30-35GHz。64th Device Research Conf.,2019,151-152 高功率输出的器件结构特点 场板的优化设计分散了电场，大栅宽（1-
41、2um)场板器件的均匀和稳定制作工艺和槽栅工艺的结合，显著抑制了电流崩塌，提高了击穿电压。7/28/2022139器件工艺流程：o制作台面隔离：SiO2掩膜；光刻；ICP刻蚀；o制作源漏电极并退火合金：光刻，蒸发TiAlNiAu；830C氮气退火；o制作钝化结构：SiN淀积；o制作T型栅电极或者板栅电极：EBL曝光三层电子束胶；蒸发NiAu；o开引线孔：光刻，ICP刻蚀SiN；o封装测试。GaN HEMT的关键技术7/28/2022140o高的电荷面密度大的自发极化与压电极化o高的电子迁移率少的位错散射中心o高的电子响应速率短的栅长o低的漏电流低缺陷密度的高阻外延缓冲层o高的击穿电压高质量的材
42、料、合适的器件结构设计和表面钝化o高的热导率迅速地去除器件的发热GaN HEMT的关键技术7/28/2022141短的栅长、低的栅电阻T型栅为提高高频电流截止频率。112()2()gtgpccgdsdccsatLLfCRRv u 通过降低 Lg 和L 来降低栅极渡越时间g.u 通过减小寄生电容 Cgd 和寄生电阻Rs、Rd 来减小寄生延迟时间p.u 通过增大Ids来减小沟道充放电时间cc.结论：T型栅可以有效地降低栅长和栅电阻，提高截止频率和抗噪能力。7/28/2022142GaN基HEMT器件的T形栅工艺1）涂三层电子束曝光胶 PMMA/Copolymer/PMMA2）一次电子束曝光制作T形
43、栅3）电子束蒸发：Ni/Au4）金属剥离（丙酮IPA）根据近邻效应设计的T形栅曝光版图200nmT形金属栅结构7/28/2022143两次两次EBL曝光：曝光：第一次 PMMA；第二次 AZPF514/PMMA。两次的显影液不同。7/28/2022144o两步曝光：优势在于第一步曝光很容易地去除了大部分光刻胶，而难点在于第二步电子束曝光需要精确套刻对准，保证栅足位于中心。7/28/202214522nm的栅足，300nm和900nm的头部22nm ZEP胶栅槽、SiN刻蚀栅槽和Ti/Pt/Au淀积 ZEP（SiN）/PMMA/UVIII7/28/2022146方法一方法二7/28/202214
44、7纳米加工与设备运行模式电子束曝光处于纳米加工工艺的核心位置1.培训一批独立使用设备的所内外用户。培训人数36人人0 02 24 46 68 81010121220192019年年20192019年年20192019年年20192019年年20192019年年2.用户通过网上预约，实现了设备全天候运转。2019.12设备预约日程安排2019年9月组建2019年5月组建7/28/2022148电子束曝光设备运转情况n 设备开放，使用效率逐年提高 2019年年 2019年年 2019年年 2019年年 1.3次次/天天2.4次次/天天4.2次次/天天3.6次次/天天n 每年召开电子束曝光用户研讨会7/28/2022149请大家休息10分钟！
