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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

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,

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HEM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HEMTHBT

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