工程師筆記本-亨利

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III/V族半導體元件製程

III/V族半導體元件製程 III/V族半導體元件製程III/V族半導體元件,依其元件結構及功能大致可分成:金屬半導體場效電晶體(MESFET)、JFET、異質接面雙極電晶體(HBT)及二極體(diode)等類型,如圖1所示。微波元件目前最普遍使用的產品包括有MESFET、HBT及假型高移動度場效電晶體(pHEMT)等三種。MESFET是1967年製作出來的III/V族場效電晶體,由於製作容易且可使用離子植入法來形成主動層(active layers),過去MESFET製造並不需要長磊晶,晶圓的成本遠低於pHEMT與HBT,是目前應用最普遍的產品。但MESFET運作時,必須提供兩個電壓源,輸出功率與增益大小的效果較差,目前重要性已不如HBT及pHEMT兩種技術。HBT是III/V族領域較新的技術,是一種雙極電晶體(bipolar transistor),而非場效電晶體。因其結構上的優勢,通道上的電子流呈垂直方向,產生較高的功率密度,且僅需單一電壓源,亦即在同樣的輸出功率下,HBT的線性效果及功率效益較佳,大都應用在手機的功率放大器(PA)及無線區域迴路(WLL)上。pHEMT與MESFET的結構相近,同樣是FET結構,除正向電壓外,必須再加上第二個負向電壓源,但與MESFET相較,它有較高的頻率與較佳的輸出功率與效率,因此適用於1G-100GHz的元件。雖然在手機功率放大器的應用上,pHEMT目前的競爭力較HBT遜色,但pHEMT卻有高頻低雜訊的特點,所以在20GHz以上的高頻微波通訊,如衛星大哥大、全球定位系統(GPS)、區域多點傳輸服務(LMDS)及汽車防撞系統等,可能是未來的主流技術。微波元件(MIC, MMIC)的種類雖有不同,但是主要的元件製程還是有許多共通之處,茲列述如下:(一)元件隔絕(Device Isolation)元件隔絕幾乎是所有III/V族MMIC及單一元件的基本製程,也常是元件製程的第一步驟。所謂隔絕就是將導電的部分(稱為主動區域)局限在晶圓表面的特定區域。元件隔絕之目的包括:在主動元件中,限制電流在要求的路徑移動;不同元件之間互相隔絕;減少電感和阻抗效應(parasitic capacitance and resistance);提供足夠的絕緣區域,以供製作被動元件及導線。元件隔絕的方式包括有蝕刻平台(etched mesa)、離子隔絕(ion bombardment/selective implantation)等方法。目前最常使用的是蝕刻平台的方式,因為有簡單且價格便宜的優點。所謂蝕刻平台,就是利用蝕刻來形成絕緣平台區(Mesa isolation)。此方式可定義出元件的主動區域,並將各個元件間作隔離,接續製程中的源極、汲極和閘極金屬都將鍍在絕緣平台區之上。製程步驟包括清洗晶片、上光阻、曝光、蝕刻、去除光阻等。另外一種是使用離子隔絕的方式來作元件隔絕,其方法是先在晶片上鍍上光阻或氧化矽等材料,沒有被蓋住區域內的晶格會被離子所破壞,因而會具有絕緣的特性。其優點是不會有類似於侵蝕平台的高低不同區域,也不會有因侵蝕平台邊緣產生的問題,且元件的隔絕性較佳。(二)歐姆接觸(Ohmic Contacts)歐姆接觸是III/V族半導體製作中很重要的製程,也就是在源極和汲極鍍上可導電的金屬接點。此部份之金屬和砷化鎵半導體若形成良好的歐姆接觸,須具備:(1)線性的電流-電壓特性--此特點能保持常久的穩定,且不受溫度變化的影響(2)所產生的阻抗愈小愈好。由於III/V族半導體具有的寬能隙特質,大部分金屬與之接觸,都很難形成良好的歐姆接觸,而產生較大的阻抗。對n型砷化鎵而言,Ge/Au/Ni系統是目前最常用且能形成良好歐姆接觸的金屬,Pd/Ge/Au系統則具有更佳的高溫穩定性。將此類金屬系統鍍在晶片的方法大致分為兩種,一種是用固定比例的合金直接鍍在晶片上;另一種是分別鍍上金、鍺、鎳等個別金屬層,然後再作合金化,也是目前最常使用的方法。歐姆接觸的主要製程包括有清洗晶片、上光阻、曝光、鍍金屬、浮離(Lift off)、合金化(Alloy/Sintering)等步驟。所謂〝浮離〞(Lift-off)製程,其過程如圖2所示,就是:(1)在微影製程中,將光阻形成有底切之形狀(2)使用蒸鍍之方式鍍上金屬(3)利用有機溶劑浸泡及高壓噴射沖洗,將光阻及光阻上的金屬層去除,留下所需的金屬圖案。使用浮離製程來形成金屬圖案的原因,是因為在砷化鎵中常使用到金,或是多層金屬結構,若使用和矽相同之蝕刻製程,需要用到較強之侵蝕溶液。由於濺鍍的階梯覆蓋能力很好,不適合做浮離製程,才使用蒸鍍之方式,因為在蒸鍍製程,金屬通常呈垂直方向撞擊至試片表面。(三)閘極製程閘極金屬常使用Ti/Pt/Au的多層結構。因為閘極金屬和砷化鎵之間必須有良好的附著性、導電性和熱穩定性,而金(Au)雖然有極佳的導電性,但金在砷化鎵表面上的附著性很差,而且金又很容易和砷化鎵互相擴散,所以通常會在第一層結構中鍍上一層附著性良好的鈦,但是鈦仍然無法阻擋金的擴散,因此在這兩層中間再加上一層鉑(Pt)或鈀(Pd)來阻擋金的擴散。閘極製程在類比場效電晶體(analog FET)與數位場效電晶體(digital FET)的製作上有很大的差別。類比場效電晶體的閘極製程包含了閘侵蝕(gate recess)及T型閘極兩部份。閘侵蝕是在晶片上蝕刻出一條淺溝槽,當歐姆接觸之金屬鍍上之後,接著上光阻,曝光形成所需要的圖案,接著用蝕刻的方式侵蝕出所需的溝槽。此部份之曝光方式,若以電子束曝光,可輕易達到0.1?m以下,且會自動形成底切的形狀。T型閘極是將閘極之上半部截面積加大,形成T型之形狀,其目的是為了降低閘極電阻值,同時不增加下方的閘極長度。T型閘極的製作方式有很多種,較常使用的是利用三層感光度不同的光阻來達成。最上層和最下層的光阻是對光較不敏感之光阻,因此曝光之後的寬度較小,中間層的光阻對光之敏感性較高,曝光及顯影之後會較寬。完成微影製程後,再利用電子束蒸鍍方法,將閘極金屬鍍在砷化鎵晶片上,接著再利用浮離製程將光阻上面的金屬去除,留下閘極金屬。閘極製程包括有清洗晶片、上光阻、曝光、閘極侵蝕(Gate recess)、蒸鍍金屬(Ti/Pt/Au)、浮離等步驟。(四)金屬化製程及介電材料保護層製作在完成閘極製程以後,一般而言,微波元件的正面製程還有許多步驟待完成,包括:增加歐姆金屬和閘極金屬的導電性及製作傳導線(Transmission line);製作空氣橋(air bridge);沉積介電材料並製作出電感、電容和電阻等被動元件;最後再用氮化矽材料形成保護層(Passivation layer)。傳導線製作:歐姆金屬雖然已經鍍上了一層金,但是在合金化的過程中,其片電阻值會上升很多,因此在歐姆金屬或其他閘極金屬墊的區域再蒸鍍TiAu或CrAu,可以有效的增加導電性。空氣橋製作:空氣橋(Air Bridge)廣泛的使用在砷化鎵元件或單晶石微波積體電路(MMIC)之金屬內連線上,可用於跨越另一層金屬或是連接元件之源極部份。它的特點是導線底下局部的介電層是空氣,具有低寄生電容及可承載較大電流之優點。空氣橋的形狀及腳的寬度都必須小心的設計,因為在背面製程的時候,必須將晶片黏在基板上,且須加壓以使晶片和基板成平行,這會使空氣橋受到一定程度的應力。空氣橋的製程包括清洗晶片、上光阻、曝光、濺鍍薄金屬、電鍍金屬及光阻及薄金屬層去除等步驟。內連線介電材料沉積及介電材料保護層製作:在III/V族製程中,內連線介電材料大多使用氧化矽,以減少串聯電容。氮化矽(Si3N4)則對於鹼金屬離子及水氣的隔絕性很好,因此常被作為元件的保護層(Passivation)。由於電漿式化學氣相沉積法(PECVD)的沉積溫度較低,因此應用逐漸普遍。以PECVD方式沉積的氮化矽,其應力(stress)會比用低壓化學氣相沉積(LPCVD)所沉積的低。因為可以藉由調整離子轟擊(bombardment)的程度,來減輕薄膜的應力,減少薄膜應力過高所造成晶片彎曲或是薄膜剝落的現象。所以,薄膜的厚度可沉積較厚而不致破裂。一般來說,不論使用LPCVD或PECVD,在沉積氮化矽材料的時候,很容易產生均勻成核(Homogeneous Nucleation)的現象,為了避免這些硬度很高的顆粒對幫浦產生損害,通常會在腔體和幫浦之間加裝一個過濾器(Particle Trap)以延長幫浦的壽命。製程包括有清洗晶片、上光阻、曝光、長介電材料、介電材料蝕刻等步驟。
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