在比人类的“指甲盖”还小、像纸一样薄的半导 体芯片上,有着细小的、数以“百万计”的层 (layer)。就像高楼大厦一样高而坚固地堆叠起来, 构成复杂的结构。

为了形成这种结构,在半导体原材料的单晶硅 (Si)晶圆上逐步涂上薄膜,通过绘制电路的光刻 工艺,反复进行有选择地去除不必要部分的蚀刻 和清洗过程。

这时,起到电路之间的分隔、连接和保护作用的称为薄膜(Thin film)。这一次,我们将讨论制造这种薄膜的沉积过程,以及使半导体具有电气特 性的一系列过程。

给晶圆穿上薄衣的沉积工艺(deposition)

词典中的“薄膜(thin film)”是指仅靠机械加工 无法实现的在1微米(um,百万分之一米)以下 的薄膜。在晶圆上加入所需分子或原子单位薄膜 的一系列过程叫做沉积(Deposition)。由于厚度 本来就薄,为了在晶圆上均匀地形成薄膜,需要 精巧、细致的技术。

▲ 半导体沉积结构

沉积的方法大致分为两种,物理气相沉积方法 (Physical Vapor Deposition, PVD)和化学气相 沉积方法(Chemical Vapor Deposition, CVD)。

物理气相沉积法主要用于金属薄膜的沉积,不会产生化学反应。化学气相沉积法是通过以蒸气态或气态的气体与外部能量发生化学反应,从而形 成沉积的方法。该技术可用于导体、绝缘体和半导体的薄膜沉积。

目前,半导体工艺主要使用的是化学气相沉积法。根据所使用的外部能量不同,化学气相沉积可分为热化学气相沉积(thermal chemical vapor deposition, TCVD),等离子体化学气相 沉积(plasma chemical vapor deposition, PCVD)和光化学气相沉积(photo chemical vapor deposition, Photo-CVD)。由于等离子体 化学气相沉积可以在低温下形成,可控制使其厚度均匀,且可大规模加工,因此被广泛使用。

通过沉积工艺形成的薄膜大致分为连接电路间 电信号的金属膜(导电)层和电气分离内部连接 层或切断污染源头的绝缘膜层。

将晶圆转化为半导体的离子注入工程(lon Implantation)

此时,需要可以使半导体具有电特性的工艺。在同时具有导电的导体和不导电的绝缘体的特性 的半导体中,离子注入工艺(lon Implantation)是给硅晶片注入半导体的生命 的过程。纯半导体由硅素制成,因此它们不能导电,但通过添加杂质,可以使其电流流动,具有导电性。

此时将杂质称为离子(ION),将离子变成微小的气体粒子,均匀地放入晶圆的表面,使其达到想要的深度。这里使用杂质有 15 族元素磷(P)、 砷(As)和 13 族元素硼(B)等。如果加入15 族 元素,就会成为n型半导体;如果加入 13 族 元素,就会成为p型半导体。

薄膜的厚度和均匀程度决定半导体的质量,所 以沉积工艺非常重要。未来,为了让只有数百万 分之一头发丝大小的半导体电路结构具有电特 性,需要采用使薄膜更薄、更均匀的沉积技术。