[doc] 砷化镓与硅半导体制造工艺的差异分析

砷化镓与硅半导体制造工艺的差异分析

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2003/9

廿田

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(error)情形,因此所制造出来的产品可靠性相对

提高,其稳定性并可解决卫星通讯时暴露于太空

中所招致的辐射问题.

目前砷化镓在通讯IC应用中以手机的应用所

占比率最高,手机内部结构主要可分为基带

(BASEBAND),中频()及射频(RF).高频

通讯信号自天线接收后,首先经过射频电路处理,

射频电路主要器件包含功率放大器(PA),低噪声

放大器(LNA),双工(Diplexer,Duplexer),TR

Switch,声波表面滤波器(SawFilter)等,因为需

直接接触高频信号,这也是移动电话结构中砷化

镓最能着墨的地方.但近来因硅的RFCMOS技术

成熟介入,而使得砷化镓在射频比例逐渐下降,但

在PA的应用上仍是以砷化镓为主要制造材料.

近年来由于无线通讯迅速的发展,许多中国

台湾地区厂商相继投入Ⅲ一V族半导体砷化镓产业, 基于中国台湾地区过去在硅IC制造工艺成功的经验,业者莫不希望能继硅半导体后,砷化镓IC产

业能成为中国台湾地区另一波IC制造业的高峰,

此乃因为二者同为IC产业,在工艺技术方面,有

些硅制造工艺的技术及设备可以直接转移到砷化镓制造工艺上,而中国台湾地区在硅IC产业制造工

艺上已有雄厚的基础.虽是如此,但是由于材料不

同的关系,导致磊晶成长方式,黄光,蚀刻,金属

化制造工艺以及后段背面处理等工艺技术,皆不尽

相同,参考表1,因此以下即以砷化镓制造工艺与

硅制造工艺的技术面差异进行比较,并就中国台湾

地区砷化镓产业的发展进行市场面的分析与探讨.

砷化镶与硅半导体制造工艺差异分析

由于材料不同的关系,砷化镓与硅半导体制

造的工艺技术并不相同.在器件方面,硅1{2器件

绝大部分是金属氧化半导体(MOS)器件,因为

硅最大的优势可以成长出品质良好的氧化层结构,

利用这层氧化层制造出目前我们最常用的MOS晶体管.而砷化镓虽然无法成长出良好的氧化层结

构,但有先天的高电子迁移率的材料特性优势,及

可利用不同的III—V族元素组成不同的能带结构,

而设计出异质接面(heterojunction)器件,这些特

性使得III—V族材料发展出极高速各种不同的电子

器件,如高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质接

面双载子晶体管(HBT)等,目前砷化镓IC产业

即是以此类异质接面器件为最主要产品.

硅MOS制造方式主要是在硅基板上,经由热

氧化形成氧化层,再经离子布植掺杂形成主动层

及殴姆接触,其后经金属化及金属蚀刻~I2艺技术

制作出MOS器件.但砷化镓制造工艺却大不相同,

如砷化镓HEMT器件其主动层主要是以M0CVD

或MBE的磊晶成长方式,成长出所要的磊晶结构

经由离子布植或蚀刻的方式制作绝缘层,再镀上

资料来源:2002年通iK产业研讨会;工业技术研究院mK(2003/05) 奥姆金属,

并经由高

温退火形

成良好的

奥姆接触.

门极制作

是先经门

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极蚀刻,其后镀上萧基接触金属,经由掀离(1ift一主动层,即使是有磊晶成长(如BipolarJunction

off)的方式完成门极电极.金属连接导线是以电镀

传输线及空气桥结构完成,最后使用PECVD成长

氮化硅(SiN)保护层,同时并有极为复杂的后段

背面处理工艺技术,包含半导体磨薄,背面穿孔,

溅镀连接导线等.半导体制造工艺完成后,最后切

割形成IC或单独器件.图1为HEMT器件前端及

Transistor,BJT),皆是以cVD为主,并无精确控制

其接口成分的必要性.另外目前新兴以硅锗(SiGe)

材料为主的BiCMOS制造工艺,其磊晶成长主要以

uHVcVD技术为主,成长时需在工艺技术中使用

选择性成长方式以便与CMOS技术集成,因此并无

像砷化镓磊晶一般有专业代工厂成长磊晶层.

后端工艺技术的流程介绍,以下就各个制造工艺部

...微影制造工艺

分硅和砷化镓IC不同处作简单的探讨.

在一般微影制造工艺方面,砷化镓也有很多

前段工艺技术的差异

主动层的形成

由于目前砷化镓器件市场定位以高性能特性

取胜,因此器件皆以异质接面方式成长为主,以求达到最佳的器件功能,目前器件以HEMT及HBT 为市场主流,主要都是以磊晶成长方式完成.

在磊晶方面,由于砷化

和硅制造工艺不同的地方,目前砷化镓代工以4英寸及6英寸较多,大部分工艺技术是使用步进机(stepper)来曝光形成高分辨率的图案,而有少数

几层制造工艺,如HEMT的0.15微米以下的门极制造工艺,是使用电子束微影工艺技术,此外半导体后段背面处理工艺技术,则是使用接触式曝光

机(contactaligner)完成.在光源方面,目前砷化

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镓是使用I-line的灯源,而在硅IC厂商中小线宽工

艺技术使用的深紫外线(DeepuV)光源,由于目

前造价昂贵,且砷化镓小线宽Ic需求量不是很大,

因此一般砷化镓厂商很少使用此光源.在半导体

载具方面,目前硅基板最大尺寸为12英寸,而砷

化镓最大只有6英寸,且由于砷化镓半导体较硅半导体易碎,所以机台在自动置人砷化镓半导体时,

移动速度需要较慢,才不会导致砷化镓芯片碎裂,

因此虽然砷化镓使用的I—line步进机大致与硅使用者相同,机台的载具仍需经过特殊改装.由于砷化

镓目前只有6英寸厂,因此步进机大半都是选购硅

6英寸厂旧机器改装.

在光学微影部分,最特别的是砷化镓HEMT

器件中的门极(gate)金属,基于器件功能要求线

宽须小于0.2微米,同时需形成T型门极以降低电阻,所以需要用到电子束(e—beam)微影技术.电

子束微影系统的优点在于可以曝出非常精准,高

分辨率及尺寸很小的线宽,约小于0.15微米,同

时重复性及正品率皆高,但是缺点为机台造价昂

贵且量产速度较慢.由于砷化镓目前只有HEMT

这一道门极制造工艺需要用到电子束微影系统,

所以较不会影响到产能.在电子束微影光阻选择

方面,一般是使用PMMA系列,通常需使用多层