IC如何创新

光刻技术

　　我们现在要讨论矽晶圆的表面。首先在一具充满氧气环境的炉管中把矽晶圆的表面氧化。这就在晶圆表面形成了一层二氧化矽，这跟金氧半晶体管的闸极绝缘层是同样的材料。在这上面，再放一层光阻，光阻是一种对紫外光敏感的材料，它的功能像照相机的感光片。把光罩放在晶圆表面，然后用紫外光照射。当这个"照片"显影的时候，那些没有照射到的光阻就会洗掉了，在表面留下这个光罩的图案。

　　这个制图过程的最后一步是选择性的把氧化层腐蚀掉，而把下面的矽表面显露出来。做法是把矽晶圆浸在一种酸液中，这种酸液会侵蚀氧化层，但是不会侵蚀硬化了的光阻。如此一来，这些没有保护的氧化层就被腐蚀掉了，而新显现出来的矽表面就相当于光罩上所定义的面积。这种图形转换的技术就叫做"光刻技术"。这样的制程在集成电路的制作过程中会重复许多次，一般来讲，每个不同的制程就要做一次。

　　掺杂、测试、封装

　　定义过晶圆表面的图形以后，就要进入制程的步骤了。比如说，要把这些区域变成n型区的话，我们必须引进施主原子。因为我们假设晶圆原来有一些受主杂质，有些引进的电子会与已经存在的电洞复合，这个过程叫做"补偿"（compensation）。我们因此必须引进足够的施主原子，才能让电子成为多数。

　　做这一步有两种主要的方法。一种是把晶圆放在炉管中，炉管里充满着由适当施主原子所组成的气体。在大约摄氏一千度左右的温度下，这些施主原子可以缓慢的扩散进入暴露的矽。另外一种方法是"离子布植"，把这些施主杂质加速到很高的速度，然后打入晶圆。在这种情形，这个氧化层必须厚到可以确保这些离子不会穿过氧化层到达下面的硅。

　　可能还会有一些其它的制作过程，每一次都会有一个新的氧化层与新的光阻层。最后一步是在氧化层中开一些小孔，来做电接触。这些接触是用沉积薄层金属来完成的，通常是用铝。氧化层的绝缘性质在此也是很重要的，保证只有在矽暴露的地方才会有电接触。

　　最后完成的晶圆包含几百个相同的集成电路，每个集成电路一般都有几十万个元件。可是，并不是所有的这些集成电路都会正常运作。即使是很小的缺陷在矽晶圆上，也会让一些元件失效。对于制作这些结构来说，干净也是非常重要的。为了获得干净的制作环境，集成电路制造厂付出了巨大的心力，但是即使是这样，只要还留有几微米大小的尘埃也会污染电路。因为尘埃颗粒的尺寸与连结元件的金属联机宽度是差不多的，只要一粒这样的尘埃就可以把联机弄断，使得整个电路失效。

　　因此，每个集成电路都需要用自动程序测试过。那些通过测试的才可以封装起来使用，而那些失效的只有丢掉了，修理这些集成电路是不经济的。

　　双极型晶体管的难题

　　就像我们前面说过的，金氧半晶体管与集成电路元件所需要的平面工艺是最为配合的了。只需要一次掺杂步骤就可以制造两个小n型区，这两个区域就可以做为源极与漏极。再于两者中间区域的氧化层表面做一个电接触，就做成了这个元件的闸极区。与此相比，双极型晶体管的制程比较复杂。我们在后面的章节会看到，这主要是由于双极型晶体管依靠的是少数载子的跃迁。

　　我们自然可以像制作金氧半晶体管一样，简单的做两个小n型区，然后做成一个单独的双极型晶体管。可是当我们要做与这个晶体管接近的其它双极型晶体管的时候，问题就来了：没有办法防止一个晶体管射极的电子，跑到另一个晶体管的集极去。

　　为了防止这样的事，我们要想办法把每个晶体管隔绝起来。一般做成这项工作需要两个或更多的步骤。我们似乎可以先把p型晶圆上一个较大、较深的区域用施主原子来掺杂，然后在这个区域中，引进两个小的p型区来形成射极和集极。（自然这会形成一个pnp晶体管。如果我们要像以前一样做成npn晶体管，那就必须从n型晶圆开始，而且每一步骤都用相反的掺杂原子。）

　　不过，这仍然不是一个很好的安排方式，因为双极型晶体管的基极区必须非常狭窄，两个p型区必须靠得很近。较好的办法是像图5.2所示。在这种情形，需要三次掺杂的制程，得到逐渐减小的岛型区域，而且邻近的掺杂种类要彼此不相同。在这种情形下，中间的小n型区是射极，p型区是基极，而最外面的n型区是集极。这种元件叫做"垂直"式的元件，因为电流的方向与晶圆表面是垂直的。

　　很清楚的，在这种情形，一个晶体管基极的电子不会到达另一个晶体管的集极。不过，这样的结构所需要的表面积比类似的金氧半晶体管要多，而且需要远为复杂的制程。这些因素连起来，使得双极型集成电路比类似的金氧半集成电路价格要贵很多。