在比人類的“指甲蓋”還小、像紙一樣薄的半導(dǎo) 體芯片上,有著細小的、數(shù)以“百萬計”的層 (layer)。就像高樓大廈一樣高而堅固地堆疊起來, 構(gòu)成復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。 為了形成這種結(jié)構(gòu),在半導(dǎo)體原材料的單晶硅 (Si)晶圓上逐步涂上薄膜,通過繪制電路的光刻 工藝,反復(fù)進行有選擇地去除不必要部分的蝕刻 和清洗過程。 這時,起到電路之間的分隔、連接和保護作用的稱為薄膜(Thin film)。這一次,我們將討論制造這種薄膜的沉積過程,以及使半導(dǎo)體具有電氣特 性的一系列過程。
給晶圓穿上薄衣的沉積工藝(deposition)
詞典中的“薄膜(thin film)”是指僅靠機械加工 無法實現(xiàn)的在1微米(um,百萬分之一米)以下 的薄膜。在晶圓上加入所需分子或原子單位薄膜 的一系列過程叫做沉積(Deposition)。由于厚度 本來就薄,為了在晶圓上均勻地形成薄膜,需要 精巧、細致的技術(shù)。
▲ 半導(dǎo)體沉積結(jié)構(gòu)
沉積的方法大致分為兩種,物理氣相沉積方法 (Physical Vapor Deposition, PVD)和化學(xué)氣相 沉積方法(Chemical Vapor Deposition, CVD)。 物理氣相沉積法主要用于金屬薄膜的沉積,不會產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)。化學(xué)氣相沉積法是通過以蒸氣態(tài)或氣態(tài)的氣體與外部能量發(fā)生化學(xué)反應(yīng),從而形 成沉積的方法。該技術(shù)可用于導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的薄膜沉積。
目前,半導(dǎo)體工藝主要使用的是化學(xué)氣相沉積法。根據(jù)所使用的外部能量不同,化學(xué)氣相沉積可分為熱化學(xué)氣相沉積(thermal chemical vapor deposition, TCVD),等離子體化學(xué)氣相 沉積(plasma chemical vapor deposition, PCVD)和光化學(xué)氣相沉積(photo chemical vapor deposition, Photo-CVD)。由于等離子體 化學(xué)氣相沉積可以在低溫下形成,可控制使其厚度均勻,且可大規(guī)模加工,因此被廣泛使用。 通過沉積工藝形成的薄膜大致分為連接電路間 電信號的金屬膜(導(dǎo)電)層和電氣分離內(nèi)部連接 層或切斷污染源頭的絕緣膜層。
將晶圓轉(zhuǎn)化為半導(dǎo)體的離子注入工程(lon Implantation)
此時,需要可以使半導(dǎo)體具有電特性的工藝。在同時具有導(dǎo)電的導(dǎo)體和不導(dǎo)電的絕緣體的特性 的半導(dǎo)體中,離子注入工藝(lon Implantation)是給硅晶片注入半導(dǎo)體的生命 的過程。純半導(dǎo)體由硅素制成,因此它們不能導(dǎo)電,但通過添加雜質(zhì),可以使其電流流動,具有導(dǎo)電性。 此時將雜質(zhì)稱為離子(ION),將離子變成微小的氣體粒子,均勻地放入晶圓的表面,使其達到想要的深度。這里使用雜質(zhì)有 15 族元素磷(P)、 砷(As)和 13 族元素硼(B)等。如果加入15 族 元素,就會成為n型半導(dǎo)體;如果加入 13 族 元素,就會成為p型半導(dǎo)體。
薄膜的厚度和均勻程度決定半導(dǎo)體的質(zhì)量,所 以沉積工藝非常重要。未來,為了讓只有數(shù)百萬 分之一頭發(fā)絲大小的半導(dǎo)體電路結(jié)構(gòu)具有電特 性,需要采用使薄膜更薄、更均勻的沉積技術(shù)。
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