微电子制造工艺科普（3）• 介电层沉积
评论里有童鞋觉得写浅了的，还有童鞋觉得看不懂的。。。其实我也在把握尺度问题，但本着标题里的“科普”二字，尽可能深入浅出。有些时候，作为懂的人，觉得别人也应该懂的，但其实不然，所以希望大家多多指教啦~ 如果有需求的话，我还可以在【科普文】结束后，再写【进阶篇】。
下面正文开始~
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各位看官，现在假设你手上已经有一片硅了，我们的终极目标是在上面做出薄膜晶体管，且把它的电学性能测出来。从这篇文章开始，我们将按照工艺顺序，一篇文章一个工艺地介绍。工艺顺序是什么？请出门左转，见 微电子制造工艺科普（1）• 晶体管 - 知乎专栏 中 1.3 制造工艺部分。这里补个流程图，回顾一下。
Fig. 10 TFT制造工艺流程简图 （0）完整Si晶圆，晶圆太大了，画不下！（1）切好的Si衬底， （2）镀上SiO2介电层，（3）镀上ZnO沟道层，（4）Channel define（这个中文该怎么翻译，教教我），（5）源极漏极，（6）把栅极，也就是Si，开出来
下面介绍从（0）到（2）的过程，切割、清洗和介电层沉积。
三、切割&清洗 Cutting&Cleaning
清洗和切割就没有必要单独一篇文章叙述了。放在这里和介电层沉积一块讲。原则上，在学校的实验环境中，每一个步骤开始的时候，都是需要清洗的。
3.1 切割 Cutting
首先准备Si衬底。完整的Si晶圆都是很大一块的，比如8寸，10寸，工业界的会更大，因为晶圆越大，单个device的制造成本就越低。而就学术界来说，不需要批量生产，也碍于设备的限制，完全没有必要用大块晶圆，所以我们组一般把sample切成 1.5 X 2 cm 的大小。这个尺寸下，器件数目足够多，而且便于人工操作和机器摆放。切割纯手工，用玻璃刀，说好听点叫钻石笔，笔头确实是金刚石。。。
Fig. 11 钻石笔
3.2 清洗 Cleaning
即便是在超净间（cleanroom）的环境下，Si片表面的污染也是不可能避免的，特别是被镊子夹过的地方。所以在正式开始之前，需要清洗样品。学术界通用的简便方法就是依次用 丙酮 （acetone），甲醇（methanol），和去离子水（DI water）在超声里各振5min就行了，最后氮气吹干。超声就是眼镜店用来洗眼镜的机器。这一步在微电子制造工艺科普（2）• 光刻 - 知乎专栏微电子制造工艺科普（2）• 光刻 - 知乎专栏中有提及。而更严谨一些需要用RCA cleaning，比较复杂，【进阶篇】介绍，如果有【进阶篇】的话，恩。
丙酮：很好的有机溶剂，溶解样品上的有机物
甲醇：也是有机溶剂，且它既溶于丙酮也溶于水，可以把第一步残留的丙酮带走
去离子水：把前一步残留的甲醇和样品上的无机物带走
关于去离子水，去离子这三个字很重要，否则给器件带来的影响是灾难性的，因为电学测量结果会乱跳，毫无规律。比如，2013年我们实验室去离子水中多出了很多Cl-，导致所有工作停滞半年。这半年主要是花在查问题究竟出在哪了，因为谁都想不到会是水出了问题。
四、介电层沉积 Dielectric Layer Deposition
可以做介电层的材料有很多，Si工艺中最常用的就是SiO2。因为你再也找不出其他什么材料可以和Si有这么好的交界面了（自己和自己的氧化物交接嘛）。 除此之外，在工业界，为了适应有效沟道长度（也就是XXnm制程）越来越小的要求，SiO2的厚度已经被迫减薄到几个纳米了。由于量子力学效应，电子会发生隧穿，产生沟道到栅极的漏电，削减源极漏极间的开电流。这是我们不希望看到的。在不牺牲电容的情况下，为了让介电层变厚，只能换用高介电常数(high-k)的材料，比如Al2O3、HfO2、ZrO2等。但是Al3+,Hf4+,Zr4+有很大的可能性在高温工艺下扩散进Si，导致器件栅极天生带正电，影响开启电压和开启速度。所以换用high-k之后，交界面问题是主要聚焦研究的问题。
以上是背景介绍，现在以SiO2举例，正式讲讲这一层怎么做。在Si上生长或者沉积SiO2主要有两种方法：热学氧化 （Thermal oxidation）、和等离子体增强型化学气相沉积（Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition, PECVD）。各有各的优缺点，下面分别说明。
4.1 热学氧化 Thermal Oxidation
很直白，就是把清洗后的硅片放进卧式炉里，通氧气，或者通水蒸气，然后千度高温烧，表面的Si就会被氧化成SiO2了。氧化层的深度和时间是非线性关系，越深越难被氧化。
干法（Dry oxidation）：通氧气高温加热。氧化层纯度高，质量好，但是氧化速度慢
湿法（Wet oxidation）：通水高温加热。速度快，但是纯度不高
Fig. 12 卧式炉，把硅片推进去烤就行。注意：用热学氧化方法镀SiO2不要事先切好样品，而是把完整晶圆推进去，之后再切。卧式炉的尺寸是给完整晶圆设计的，切好后样品太小，放不成。再注意：推拉必须缓，否则温差过大，晶圆就炸了。
4.2 等离子体增强的化学气相沉积 PECVD
这中文名字有点绕，一般就叫PECVD了。这是一台真空设备，向真空腔里通入N2，用于产生等离子体。等离子体是继固液气后的第四种物质形态，又叫电浆，说白了就是正负电荷间的化学键被打断，变成一坨各种正负电荷无规律的在一块的“气体”。特点就是带有极性，而且高能，可以降低化学反应的反应温度。在等离子的帮助下，高温加热，再通入硅烷（SiH4）和笑气（N2O），二者反应，生成SiO2和NH3，那SiO2就沉积在样品上了。
这里需要注意的是，二者是气相反应，那是不是说，满真空腔就全是SiO2颗粒了呢？答案：是的。但是可以控制，让样品下方温度最高，而其他地方温度相对较低，或者冷壁，减少SiO2污染。但不管怎么说，PECVD的腔体都是很脏的。
Fig. 13 PlasmaTherm 790 PECVD。本想查一下价格，都得正式询价，没查到，算了。。。
PECVD生成的SiO2在质量上不如烤出来的，原因很显然：
- PECVD SiO2是SiH4和N2O反应生成，沉积在Si表面的。而热学方法的SiO2是氧进硅片生成的。致密度上，明显烤箱做的会比PECVD好。更高的致密度，更加绝缘，更不容易漏电。
- 同一台PECVD设备不仅能长SiO2，还能长其他材料，比如SiNx等。而且放进反应腔的样品也不一定是硅片，可以是玻璃，蓝宝石，甚至是塑料。这些因素都会污染反应腔，那生长出来的氧化物也是很可能被污染的。另一方面，当然可以清洗PECVD，这是PECVD维护的一部分。
那为什么还要用PECVD呢？
- PECVD的SiO2生长速率是非常线性的，所以可以很方便地预估厚度
- PECVD生长速率比烤炉快太多，省时间
- PECVD生长成本低
介电层镀完，产生了一个问题，就是不导电的SiO2把要作为栅极的Si完全覆盖住了，最后测量电性的时候，探针扎不到了，怎么办？这一步在最后一步，也就是Fig. 10（5）-（6）中解决。简而言之，给SiO2挖一个洞就行了。等到了那一步，我们再细讲。
这期结束，下期讲我的老本行 ZnO沉积 了，白白~~
