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内容摘要：

熔点较高的金属如钨金属等 ,而电子 束蒸镀则较不易镀高熔点的金属 . 离子布植技术 砷化镓 IC 制造工艺中离子布植 亦是极重要的一环 ,在器件间绝缘 (isolation)方面 ,砷化镓是使用离子 布植的方式打人氦离子等 ,使砷化镓 材料电阻值变大 ,达到器件间绝缘效 果 .而硅制造工艺并不是利用离子布 植的方式绝缘 ,而是用挖沟槽的方 式 ,在洞内成长绝缘介质材料造成绝 缘的效果 .砷化镓的离子布植除了应 用在器件间的绝缘部分外 ,还有用在 MESFET 的信道层 (channe1),形成奥 姆接触的 高掺杂浓度层 ,及 P型缓冲 绝缘层等 .而 HBT 器件由于是属于垂直结构 ,主 动局域 (activeregion)较深 ,所以在作离子布植绝 缘时 ,需要用较高的能量约 200～ 400keY,使用较 轻元素的氦离子 ,才能够植入较深达到绝缘效果 . 一 般砷化镓的离子布植 ,使用能量较高 ,甚至达 400keV,而离子布植机一般使用中 ,低电流为主 , 此与硅 IC 制造工艺使用高电流离子布植机不同 . 蚀刻工艺技术 砷化镓制造工艺中有干式蚀刻和湿式蚀刻 , 其中湿式蚀刻应用在一些砷化镓材料本身的蚀刻 上 ,为制造工艺 上极为关键的步骤 .砷化镓湿式蚀 刻基本上有非等方向的本质 (anisotropic),其使用 的蚀刻化学溶液和硅制造工艺不同 ,如硅是使用 硝酸与氢氟酸的 }昆合溶液来进行蚀刻 ,而砷化镓 可以用磷酸 ,双氧水与水的混合溶液蚀刻 .比较特 49 2020/9 iS 趋势扫描 别的是 ,由于砷化镓为二元化合物 ,在不同面蚀刻 后形状会不一样 ,随着不同平面 ,不同方向 ,不同 溶液侵蚀 ,蚀刻后的形状可能为 V字型 ,亦可能为 底切 (undercut)形状 .不同形状对金属导线连接 会有影响 ,例如跨平台端的导 线是底切那面的话 , 就会发生断线问题 ,另外不同的蚀刻后平面形状 对器件的电性也会有影响 ,所以在光罩金属线路 设计上 ,需要特别注意蚀刻的非等方向性 . 在干式蚀刻方面 ,一般硅 IC在制造过程中会 蚀刻材料层硅 ,氧化层 ,介电层和金属等材料 ,而 砷化镓器件制造工艺中的干式蚀刻主要是以 族半导体材料 ,介电层和光阻等为主 ,一般金属并 不以干式侵蚀 .而使用的机台和硅制造工艺类似 , 通常普遍使用的设备为活性离子反应器 (Reactive IonEtCher,RIE)和感应耦合式电浆蚀刻机 (InductivelyCoupledPlasmaReactor,ICP)等 ,蚀 刻不同材料时所用的反应气体不同 ,如硅制造工 艺中要蚀刻硅或是二氧化硅时 ,使用四氟化碳 (c)和氧气 (o),而砷化镓制造工艺 中蚀刻砷化镓使用三氯化硼 (BCI)或六 氟化硫 (s)等 ,蚀刻光阻则使用氧气 电浆 l其中孔洞 (via— hole)蚀刻及氮化镓 (GaN)材料蚀刻时需要较高的蚀刻速率 , 通常以 ICP 蚀刻为主 . 在砷化镓 HEMT 和 MESFET 器件制 造工艺中 ,需要有门极蚀刻 (gaterecess) 工艺技术 ,可以减少门极和源极间电阻 , 并且增加器件操作时的崩溃电压 (breakdownvoltage),但此制造工艺需要 准确的控制蚀刻深度及蚀刻后表面的平整 度 ,临界电压才会平均 ,也不会有表面状 态而造成漏电流及电流无法截止 (pinch一 5O 2OO3/9 off)的状况 ,硅 IC 并没有此门极蚀刻制造工艺 .图 3为 HEMT 器件门极蚀刻位置图 ,此制造工艺目前 可使用干式和湿式蚀刻的方式来蚀刻门极 ,湿式 蚀刻不会造成表面材料的伤害 ,但是整片蚀刻深 度不均匀 ,且再现性较差 ,较不稳定 ,目前解决办 法可以在中间多成长一层蚀刻停止层 (etchstop layer),可以有效的控制蚀均匀刻深度 . 而干式蚀刻虽有较佳的选择性侵蚀 ,可以均 匀的控制蚀刻深度 ,并且再现性较高 ,但是有可能 造成表面的伤害和污染 ,目前可以在干式蚀刻加 溶液稍湿式蚀刻 ,以减少表面伤害 ,并得较佳的侵 蚀均匀度 .而砷化镓器件中 ,对表面状态较不敏感 的低噪声放大器 (LownoiseAmplifier,LNA) HEMT 可以使用干式蚀刻来蚀刻门极 ,因为器件 信道层 (channe1)在磊晶层内 ,对表面状 态较不影 响 ,而用在高功率的 PowerMESFET,对器件表面 状态较敏感 ,所以必须使用湿式蚀刻 . D 空气桥技术 在金属多层连接导线方面 ,由于硅器件集成 度较砷化镓来的高 ,为了各器件的电路连结 ,5,6 层的金属导线是必备技术 ,目前硅 IC 是使用铝金 属导线及低电阻的铜导线技术。 而金属层间的介 电质材料 ,为使电容变小以降低 Rc 延迟时间 ,因 此会使用 lowk介电材料 .而为使多层导线能顺利 制造 ,硅 IC 还有平坦化制造工艺使表面平坦 ,以 利于聚焦及微影工艺技术 . 而砷化镓为微波器件 ,其 工艺技术的 IC。