Viso puslaidininkinio įrenginio gamybos proceso supratimas

1. Fotolitografija 

Fotolitografija, dažnai sinonimas rašto generavimui, yra viena iš svarbiausių varomųjų jėgų, skatinančių spartų puslaidininkių technologijos pažangą, atsirandančią dėl fotografijos plokščių gamybos spausdinimo procesuose. Ši technika leidžia pateikti bet kokį raštą mikro arba nano masteliu, naudojant fotorezistas, o kartu su kitomis proceso technologijomis perkelia šiuos raštus ant medžiagų, realizuodamas įvairius puslaidininkinių medžiagų ir prietaisų dizainus ir koncepcijas. Fotolitografijoje naudojamas šviesos šaltinis tiesiogiai įtakoja raštų tikslumą – nuo ​​ultravioletinių, gilių ultravioletinių iki rentgeno spindulių ir elektronų pluoštų, kurių kiekvienas atitinka didėjantį rašto tikslumo lygį minėta tvarka.

Standartinis fotolitografijos procesas apima paviršiaus paruošimą, sukibimą, minkštą kepimą, ekspoziciją, kepimą po ekspozicijos, vystymą, kietąjį kepimą ir patikrinimą.

Paviršiaus apdorojimas yra būtinas, nes substratai paprastai sugeria H2O molekules iš oro, o tai kenkia fotolitografijai. Todėl substratai iš pradžių dehidratuojami kepant.

Hidrofiliniams pagrindams jų sukibimas su hidrofobiniu fotorezistu yra nepakankamas, todėl gali atsirasti fotorezisto atsiskyrimas arba rašto nesutapimas, todėl reikia sukibimo skatintojo. Šiuo metu heksametildisilazanas (HMDS) ir tri-metil-silil-dietilaminas (TMSDEA) yra plačiai naudojami sukibimo stiprikliai.

Po paviršiaus apdorojimo pradedamas naudoti fotorezistas. Taikomo fotorezisto storis priklauso ne tik nuo jo klampumo, bet ir nuo sukimosi dangos greičio, paprastai atvirkščiai proporcingam sukimosi greičio kvadratinei šaknei. Po dengimo atliekamas minkštas kepimas, kad iš fotorezisto išgaruotų tirpiklis, pagerinamas sukibimas procese, vadinamame išankstiniu kepimu.

Atlikus šiuos veiksmus, ekspozicija įvyksta. Fotorezistai skirstomi į teigiamus arba neigiamus, po ekspozicijos pasižymi priešingomis savybėmis.

Paimkite teigiamą fotorezistą kaip pavyzdį, kai neeksponuotas fotorezistas netirpus ryškale, bet po ekspozicijos tampa tirpus. Ekspozicijos metu šviesos šaltinis, praeinantis per raštuotą kaukę, apšviečia dengtą pagrindą, formuodamas fotorezistą. Paprastai prieš ekspoziciją substratas turi būti sulygiuotas su kauke, kad būtų galima tiksliai valdyti ekspozicijos padėtį. Ekspozicijos trukmė turi būti griežtai valdoma, kad būtų išvengta modelio iškraipymo. Po ekspozicijos gali prireikti papildomo kepimo, kad būtų sumažintas stovinčios bangos poveikis, nors šis veiksmas yra neprivalomas ir gali būti apeinamas tiesioginiam vystymuisi. Vystymas ištirpina eksponuotą fotorezistą, tiksliai perkeldamas kaukės raštą ant fotorezisto sluoksnio. Kūrimo laikas taip pat labai svarbus – per trumpas vystymasis yra nepilnas, o per ilgas – modelio iškraipymas.

Vėliau kietas kepimas sustiprina fotorezisto plėvelės prisitvirtinimą prie pagrindo ir pagerina jos atsparumą ėsdinimui. Kietojo kepimo temperatūra paprastai yra šiek tiek aukštesnė nei išankstinio kepimo temperatūra.

Galiausiai, mikroskopinis patikrinimas patikrina, ar modelis atitinka lūkesčius. Po to, kai raštas ant medžiagos perkeliamas kitais procesais, fotorezistas atliko savo paskirtį ir turi būti pašalintas. Nuėmimo metodai apima šlapiąjį (naudojant stiprius organinius tirpiklius, tokius kaip acetonas) ir sausą (deguonies plazmos naudojimas plėvelei išėsdinti).

2. Dopingo metodai 

Dopingas yra nepakeičiamas puslaidininkių technologijoje, prireikus keičiantis puslaidininkinių medžiagų elektrines savybes. Įprasti dopingo metodai apima terminę difuziją ir jonų implantavimą.

(1) Jonų implantacija 

Jonų implantavimas sumaišo puslaidininkinį substratą, bombarduodamas jį didelės energijos jonais. Palyginti su termine difuzija, ji turi daug privalumų. Masės analizatoriumi atrinkti jonai užtikrina aukštą dopingo grynumą. Viso implantavimo metu substratas išlieka kambario temperatūroje arba šiek tiek aukštesnėje temperatūroje. Galima naudoti daug maskuojančių plėvelių, tokių kaip silicio dioksidas (SiO2), silicio nitridas (Si3N4) ir fotorezistas, užtikrinantis didelį lankstumą naudojant savaime išlygintus kaukės metodus. Implantų dozės yra tiksliai kontroliuojamos, o implantuotų priemaišų jonų pasiskirstymas yra vienodas toje pačioje plokštumoje, todėl pakartojamumas yra didelis.

Implantacijos gylį lemia jonų energija. Reguliuojant energiją ir dozę galima manipuliuoti priemaišų jonų pasiskirstymu substrate po implantacijos. Nepertraukiamai gali būti atliekamos kelios implantacijos įvairiomis schemomis, kad būtų pasiekti įvairūs priemaišų profiliai. Pažymėtina, kad vieno kristalo substratuose, jei implantavimo kryptis yra lygiagreti kristalografinei krypčiai, atsiranda nukreipimo efektai – kai kurie jonai keliaus kanalais, todėl gylio valdymas tampa sudėtingas.

Siekiant išvengti kanalizacijos, implantacija paprastai atliekama maždaug 7° kampu pagrindinės vieno kristalo pagrindo ašies atžvilgiu arba padengiant substratą amorfiniu sluoksniu.

Tačiau jonų implantacija gali žymiai pažeisti substrato kristalinę struktūrą. Didelės energijos jonai, susidūrę, perduoda energiją substrato branduoliams ir elektronams, todėl jie palieka gardelę ir sudaro intersticinių laisvų vietų defektų poras. Sunkiais atvejais kristalų struktūra kai kuriuose regionuose gali būti sunaikinta ir susidaro amorfinės zonos.

Grotelių pažeidimai labai paveikia puslaidininkinės medžiagos elektrines savybes, pvz., sumažina nešiklio mobilumą arba nesubalansuotų laikiklių eksploatavimo laiką. Svarbiausia, kad dauguma implantuotų priemaišų užima netaisyklingas intersticines vietas ir nesudaro veiksmingo dopingo. Todėl po implantacijos grotelių pažeidimo taisymas ir priemaišų elektrinis aktyvinimas yra labai svarbūs.

(2)Greitas terminis apdorojimas (RTP)

 Terminis atkaitinimas yra veiksmingiausias būdas pakeisti grotelių pažeidimus, atsiradusius dėl jonų implantacijos ir elektra aktyvuojančių priemaišų. Esant aukštai temperatūrai, tarpinės-laisvos vietos defektų poros substrato kristalinėje gardelėje susijungs ir išnyks; amorfiniai regionai taip pat perkristalizuosis nuo ribos su vienakristalinėmis sritimis per kietosios fazės epitaksiją. Siekiant išvengti pagrindo medžiagos oksidacijos aukštoje temperatūroje, terminis atkaitinimas turi būti atliekamas vakuumo arba inertinių dujų atmosferoje. Tradicinis atkaitinimas užtrunka ilgai ir dėl difuzijos gali smarkiai persiskirstyti priemaišos.

Atėjimas išRTP technologijasprendžia šią problemą, iš esmės pašalindamas grotelių pažeidimus ir suaktyvindamas priemaišas per sutrumpintą atkaitinimo trukmę.

Priklausomai nuo šilumos šaltinio,RTPyra suskirstytas į keletą tipų: elektronų pluošto skenavimas, impulsiniai elektronų ir jonų pluoštai, impulsiniai lazeriai, nuolatinių bangų lazeriai ir plačiajuostės nenuoseklios šviesos šaltiniai (halogeninės lempos, grafito šildytuvai, lankinės lempos), o pastarieji yra plačiausiai naudojami. Šie šaltiniai gali akimirksniu pašildyti substratą iki reikiamos temperatūros, per trumpą laiką užbaigdami atkaitinimą ir efektyviai sumažindami priemaišų difuziją.

3. Plėvelės nusodinimo būdai

(1) Plazma sustiprintas cheminis nusodinimas garais (PECVD)

PECVD yra viena iš cheminio nusodinimo garų (CVD) metodų, skirtų plėvelės nusodinimui, o kitos dvi yra atmosferos slėgio CVD (APCVD) ir žemo slėgio CVD (LPCVD).

Šiuo metu PECVD yra plačiausiai taikomas tarp trijų tipų. Jis naudoja radijo dažnio (RF) plazmą, kad inicijuotų ir palaikytų chemines reakcijas esant santykinai žemai temperatūrai, taigi palengvina žemos temperatūros plėvelės nusodinimą su dideliu nusodinimo greičiu. Jo įrangos schema yra tokia, kaip parodyta. 

Šiuo metodu pagamintos plėvelės pasižymi išskirtinėmis sukibimo ir elektrinėmis savybėmis, minimaliu mikroporingumu, dideliu vienodumu ir tvirtomis nedidelio masto užpildymo galimybėmis. Veiksniai, turintys įtakos PECVD nusodinimo kokybei, yra substrato temperatūra, dujų srautas, slėgis, RF galia ir dažnis.

(2) Purškimas 

Purškimas yra fizinio garų nusodinimo (PVD) metodas. Įkrauti jonai (dažniausiai argono jonai, Ar+) pagreitėja elektriniame lauke, įgydami kinetinę energiją. Jie nukreipiami į tikslinę medžiagą, susidurdami su tikslinėmis molekulėmis ir priversdami jas pasislinkti ir išpurkšti. Šios molekulės taip pat turi didelę kinetinę energiją ir juda link substrato, nusėddamos ant jo.

Paprastai naudojami dulkinimo energijos šaltiniai apima nuolatinę srovę (DC) ir radijo dažnį (RF), kur nuolatinės srovės purškimas yra tiesiogiai taikomas laidžioms medžiagoms, tokioms kaip metalai, o izoliacinėms medžiagoms reikalingas RF dulkinimas plėvelės nusodinimui.

Įprastas purškimas kenčia dėl mažo nusodinimo greičio ir didelio darbinio slėgio, todėl plėvelės kokybė prastėja. Magnetroninis purškimas šias problemas sprendžia idealiau. Jis naudoja išorinį magnetinį lauką, kad pakeistų jonų linijinę trajektoriją į spiralinį kelią aplink magnetinio lauko kryptį, pailgindamas jų kelią ir pagerindamas susidūrimo su tikslinėmis molekulėmis efektyvumą, taip padidindamas purškimo efektyvumą. Dėl to padidėja nusodinimo greitis, sumažėja darbinis slėgis ir žymiai pagerėja plėvelės kokybė.

4. Ofortas Technikai

Odinimas skirstomas į sausą ir šlapią režimus, pavadintus atitinkamai dėl jų naudojimo (arba nebuvimo) konkrečių tirpalų.

Paprastai ėsdinant reikia paruošti kaukės sluoksnį (kuris gali būti tiesiogiai fotorezistas), kad apsaugotų sritis, kurios nėra skirtos ėsdinti.

(1) Sausas ofortas

Įprasti sauso ėsdinimo tipai apimaInduktyviai susietos plazmos (ICP) ėsdinimas, jonų pluošto ėsdinimas (IBE) ir reaktyvusis jonų ėsdinimas (RIE).

Atliekant ICP ėsdinimą, švytėjimo išlydžio pagamintoje plazmoje yra daug labai chemiškai aktyvių laisvųjų radikalų (laisvųjų atomų, molekulių arba atominių grupių), kurie chemiškai reaguoja su tiksline medžiaga, sudarydami lakius produktus, taip išgaunant ėsdinimą.

IBE naudoja didelės energijos jonus (jonizuotus iš inertinių dujų), kad tiesiogiai bombarduotų tikslinės medžiagos paviršių ėsdinant, o tai reiškia fizinį procesą.

RIE laikomas dviejų ankstesnių deriniu, pakeičiančiu IBE naudojamas inertines dujas dujomis, naudojamomis ICP ėsdinant, ir taip sudaro RIE.

Sauso ėsdinimo atveju vertikalusis ėsdinimo greitis gerokai viršija šoninį greitį, t. y. jis turi didelį kraštinių santykį, leidžiantį tiksliai atkartoti kaukės modelį. Tačiau sausas ėsdinimas taip pat išgraviruoja kaukės sluoksnį, parodydamas prastesnį selektyvumą (tikslinės medžiagos ėsdinimo greičio ir kaukės sluoksnio santykį), ypač naudojant IBE, kuris gali neselektyviai išgraviruoti medžiagos paviršių.

(2) Šlapias ofortas 

Šlapias ėsdinimas reiškia ėsdinimo metodą, pasiekiamą panardinant tikslinę medžiagą į tirpalą (ėsdinimo priemonę), kuris su ja chemiškai reaguoja.

Šis ėsdinimo metodas yra paprastas, ekonomiškas ir pasižymi geru selektyvumu, tačiau turi mažą kraštinių santykį. Medžiaga, esanti po kaukės kraštais, gali būti korozija, todėl ji nėra tokia tiksli nei sausas ėsdinimas. Norint sušvelninti neigiamą mažo formato santykio poveikį, reikia pasirinkti atitinkamą ėsdinimo greitį. Išėsdinimo greitį įtakojantys veiksniai yra ėsdinimo medžiagos koncentracija, ėsdinimo laikas ir ėsdinimo temperatūra.**