微電子製造工藝科普（4）? 溝道沉積

本期拿本科母校 電子科技大學 清水河校區 的 品學樓 來鎮樓。求真求實，大氣大為的牌匾貌似是用郭沫若的字拼出來的。類似於《參考消息》的四個字是用毛主席的字拼出來的一樣。如果說錯了，糾正我。（update：好吧，有童鞋說《參考消息》是魯迅的 ）

另外昨天（4/29/17）是Rutgers Day，就是全校的開放日，有很多活動。Rutgers有5個校區，下面是在College Ave和Cook兩個校區拍的。這裡不好意思，感謝同行的上海大學三位學弟學妹的拍攝，我就無恥的盜圖了。再次感謝！

#上面的 http://Dr.Li二狗 說的不是說我 是他是他@李熔遠，我幫你導流，大家快關注他 # 這幾張離題萬里的圖就不編號了

跑題到此為止，下面進入正題。（這期技術上的東西有點多，貌似尺度有點難把握...）

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書接前文，上文說到介電層沉積。介電層沉積有兩種實現方法：熱學氧化（Thermal Oxidation）和等離子體增強型化學氣相沉積（PECVD）。各有各的優缺點，使用哪種工藝取決於設計者對器件性能、生產成本的考量。

這一期講 溝道沉積（Channel Deposition）。再次請出工藝流程圖，上一期已經講完了從（0）到（2）的過程。

Fig. 10 TFT製造工藝流程簡圖 （0）完整Si晶圓，晶圓太大了，畫不下！（1）切好的Si襯底， （2）鍍上SiO2介電層，（3）鍍上ZnO溝道層，（4）Channel define（這個中文該怎麼翻譯，教教我），（5）源極漏極，（6）把柵極，也就是Si，開出來

溝道沉積指的是從（2）到（3）的過程。別看~50nm薄薄的一層ZnO，它可在薄膜晶體管中扮演著舉足輕重的角色。因為這個器件電學性能行不行，就指望著它呢。為什麼這麼說？我們順道回憶一下溝道層在晶體管中的作用。溝道是整個器件中唯一的半導體，電子或者空穴在溝道中流動，產生電流。而這個電流的有無受到柵極（也就是圖中Si）的控制。以上圖（6）為例，ZnO是n型半導體，電子導電，在源極接地的情況下，給柵極正電壓，電子從源極（地）流向溝道，源極漏極間產生開電流；給柵極負電壓，電子從溝道流回源極（地），理想情況下，源極漏極間的電流為零。更多詳情請參見本系列第一篇文章 微電子製造工藝科普（1）? 晶體管 - 知乎專欄，謝謝~

五、溝道沉積 Channel Deposition

可以做ZnO溝道沉積的設備有很多，大體可以分為三類：物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（CVD）、和濕法。每類中又有多種方法：

PVD：濺射（Sputtering），等

CVD：金屬有機物化學氣相沉積（MOCVD），原子層沉積（ALD），等

濕法：溶膠凝膠（Sol-Gel），等

筆者主業是做MOCVD的，可為了文章更加豐滿，這裡同時介紹ALD，以做對比。

5.1 金屬有機物化學氣相沉積 （MOCVD）

MOCVD的原理其實很簡單，就是帶有金屬基團的化學有機物（習慣性叫前驅體，Precursor），與氧化劑，或者其他什麼亂七八糟的氮化劑砷化劑等等，在高溫或者等離子體的幫助下反應，生成半導體，沉積在襯底表面。我們這裡做ZnO，所以以ZnO舉例。

常用Zn的金屬有機物是DeZn，化學簡式(C2H5)2Zn，熔點-28C，所以常溫下呈液態。重點是，這玩意與空氣中的氧氣一經接觸，立即發生劇烈的氧化反應，所以易燃易爆炸！不僅DeZn，所有前驅體都是這個特點，易燃易爆炸！筆者的學長5年前，給MOCVD換前驅體的時候，不慎被噴了一身，還好穿了防護服。重要的事情說三遍，易燃易爆炸！

我們組氧化DeZn用的是O2。在真空腔高溫（~400°C）環境下，DeZn和O2發生氧化反應，方程式有點複雜（見Fig. 11），但不管怎麼說，生成的ZnO沉積在襯底表面。和上期提到的PECVD原理基本一致，畢竟都是CVD。這種反應原理帶來一個通病，PECVD里也講過，就是生成物可以沉積到所有地方，污染反應腔。緩解辦法是只給所在襯底的底面加熱，而其他地方低溫，或者甚至通冷卻水，減慢反應速度。即便這樣，每過一段時間，都需要拆開機器，清理反應腔內壁。否則生長出的薄膜必然受影響（比如有雜物摻在薄膜里）。

Fig. 14 DeZn和O2的反應方程式

這裡有一個問題，前文說前驅體在空氣中易燃易爆炸，可為什麼在反應腔里，高溫富氧，不爆炸呢？答案文末揭曉。

Fig. 15 長ZnO的MOCVD氣路圖。液體的前驅體（DeZn）在瓶子里，被載氣（Ar）吹，氣化的前驅體隨載氣出來，進入反應腔。O2氧化DeZn，生成ZnO。N2起維持反應腔氣壓，稀釋反應物濃度作用。

全世界生產製造MOCVD的廠家就兩家，Veeco和Aixtron。前段時間鬧得沸沸揚揚的中國計劃收購Aixtron的事情，被奧巴馬明令禁止了，再次凸顯掌握核心科技的重要性。路透社新聞請見這裡。Veeco的總部就在我住的地方旁邊，可惜別人不招非綠卡持有者。順帶說一句，我們組用的MOCVD是近30年前，師兄前輩自己搭出來的。維修維護，沒有任何廠家可以依賴，全憑師兄師弟一代一代傳承下來，至今還能正常工作。這裡隨手拿一款Veeco的MOCVD震貼。

Fig. 16 Veeco MOCVD系統，這一套 ~$1million。這玩意費錢不是一般的，小小一個氣閥，少說￥1000軟妹幣。（注意這裡兩個貨幣的區別...）

關於MOCVD，其實還有很多可以講的，但是與本文科普工藝的角度偏差了。如果有【進階篇】，可以專文介紹。

5.2 原子層沉積 （Atomic Layer Deposition， ALD）

ALD是我最近才接觸的技術，還不是很熟，多多指教。

ALD的原理，字面理解，就是一層原子 一層原子的生長。生長ZnO，需要兩種反應物，DeZn和H2O。反應溫度 ~200°C。DeZn與H2O的反應比與O2的反應簡單的多。反應順序如下：

Fig. 17 摘自台灣大學材料科學與工程學系暨研究所網站

1. H2O：通零點幾秒的水蒸氣。H2O的-H脫掉，形成H2，剩下的-OH附著在襯底上
2. 吹N2：把多餘的H2O清理掉，大概10s
3. DeZn：通零點幾秒的DeZn，Zn（C2H5）2的其中一個-C2H5和襯底上的-OH中的-H生成C2H6氣體飛走，剩下-O-Zn-C2H5留在襯底上

4. 吹N2：把多餘的DeZn和副產品C2H6吹走，大概10s

5. H2O: H2O中的-H和-C2H5生成C2H6被吹走，-OH附到鏈上去
   ...

1到4一個循環稱為一個cycle。反應如此往複進行，一層一層原子堆上去。缺點是，太慢！一個cycle厚度0.1nm，得20s。如果我要鍍50nm，500X20=10,000s，也就是2.8h。而MOCVD長50nm，5min解決。

Fig. 18 Cambridge Fiji 200 ALD

因為ALD是一層原子一層原子鋪上去的，所以均勻性非常好，襯底所有地方都會有一層東西鍍上去。請看下圖，一層ALD的膜非常均勻的鋪在上面。其他技術是非常難做到的，凹陷下去的地方會被架空掉。

Fig. 19 ALD沉積的均勻性

溝道鍍完了，但是不管用什麼技術鍍溝道，溝道都是鋪在整個襯底上的。我們需要的晶體管是一顆一顆的，不是一張大餅。那我們要怎樣把一張大餅變成一顆一顆呢？請出門左轉，見微電子製造工藝科普（2）? 光刻 - 知乎專欄。順道我們就把流程圖中（3）-（4）也解決掉了。光刻這篇文章在以後的文章中還會來回引用，因為光刻是整個微電子工藝的基石。

下一篇文章我們將講講（4）-（5），也就是源極漏極是怎麼做上去的，重點介紹lift-off工藝。

蟹蟹 ~！~

哦對，忘了，前文還挖了個坑。為什麼前驅體在反應腔高溫富氧的環境下不會爆炸？答案其實很簡單，大家查一下爆炸的定義：爆炸是某一物質系統在發生迅速的物理變化或化學反應時，系統本身的能量藉助於氣體的急劇膨脹而轉化為對周圍介質做機械功，通常同時伴隨有強烈放熱、發光和聲響的效應。這裡兩個關鍵詞：迅速的，和急劇膨脹。MOCVD真空腔里氣壓50torr，大氣壓是770torr左右，做不到迅速的劇烈膨脹。。。所以不會爆炸。

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