Pag-unawa sa Kumpletong Proseso ng Paggawa ng Semiconductor Device

1. Photolithography 

Ang photolithography, kadalasang kasingkahulugan ng pagbuo ng pattern, ay isa sa mga pinaka-kritikal na puwersang nagtutulak sa likod ng mabilis na pagsulong ng teknolohiyang semiconductor, na nagmumula sa mga proseso ng paggawa ng photographic plate sa pag-print. photoresist, at kapag pinagsama sa iba pang mga teknolohiya ng proseso, inililipat ang mga pattern na ito sa mga materyales, na napagtatanto ang iba't ibang mga disenyo at konsepto ng mga materyales at device ng semiconductor. Ang pinagmumulan ng liwanag na ginagamit sa photolithography ay direktang nakakaimpluwensya sa katumpakan ng mga pattern, na may mga opsyon mula sa ultraviolet, malalim na ultraviolet, hanggang X-ray, at mga electron beam, bawat isa ay tumutugma sa pagtaas ng mga antas ng pattern fidelity sa pagkakasunud-sunod na nabanggit.

Kasama sa karaniwang daloy ng proseso ng photolithography ang paghahanda sa ibabaw, adhesion, soft bake, exposure, post-exposure bake, development, hard bake, at inspeksyon.

Ang paggamot sa ibabaw ay kinakailangan dahil ang mga substrate ay karaniwang sumisipsip ng mga molekula ng H2O mula sa hangin, na nakakapinsala sa photolithography. Samakatuwid, ang mga substrate sa una ay sumasailalim sa pagproseso ng pag-aalis ng tubig sa pamamagitan ng pagluluto sa hurno.

Para sa mga hydrophilic substrates, ang kanilang pagdirikit sa hydrophobic photoresist ay hindi sapat, na posibleng magdulot ng photoresist detachment o pattern misalignment, kaya kailangan ng isang adhesion promoter. Sa kasalukuyan, ang hexamethyl disilazane (HMDS) at tri-methyl-silyl-diethyl-amine (TMSDEA) ay malawakang ginagamit na mga enhancer ng adhesion.

Kasunod ng paggamot sa ibabaw, magsisimula ang aplikasyon ng photoresist. Ang kapal ng inilapat na photoresist ay hindi lamang nauugnay sa lagkit nito ngunit naaapektuhan din ng bilis ng spin-coating, sa pangkalahatan ay inversely proportional sa square root ng spin speed. Pagkatapos ng coating, ang isang malambot na bake ay isinasagawa upang sumingaw ang solvent mula sa photoresist, pagpapabuti ng pagdirikit sa isang proseso na kilala bilang ang prebake.

Kapag nakumpleto na ang mga hakbang na ito, magaganap ang pagkakalantad. Ang mga photoresist ay inuri bilang positibo o negatibo, na may kabaligtaran na mga katangian pagkatapos ng pagkakalantad.

Kunin ang positibong photoresist bilang isang halimbawa, kung saan ang hindi nakalantad na photoresist ay hindi matutunaw sa developer, ngunit nagiging natutunaw pagkatapos ng pagkakalantad. Sa panahon ng pagkakalantad, ang pinagmumulan ng liwanag, na dumadaan sa isang naka-pattern na maskara, ay nag-iilaw sa pinahiran na substrate, na nagpapa-pattern sa photoresist. Karaniwan, ang substrate ay dapat na nakahanay sa maskara bago ang pagkakalantad upang makontrol ang posisyon ng pagkakalantad nang tumpak. Ang tagal ng pagkakalantad ay dapat na mahigpit na pinamamahalaan upang maiwasan ang pagbaluktot ng pattern. Pagkatapos ng pagkakalantad, maaaring kailanganin ang karagdagang pagbe-bake upang mabawasan ang mga epekto ng standing wave, bagama't opsyonal ang hakbang na ito at maaaring i-bypass pabor sa direktang pag-unlad. Tinutunaw ng pag-unlad ang nakalantad na photoresist, inililipat nang tumpak ang pattern ng maskara sa layer ng photoresist. Ang oras ng pag-unlad ay kritikal din—ang masyadong maikli ay humahantong sa hindi kumpletong pag-unlad, ang masyadong mahaba ay nagdudulot ng pagbaluktot ng pattern.

Kasunod nito, pinalalakas ng hard baking ang pagkakabit ng photoresist film sa substrate at pinapabuti nito ang etch resistance. Ang temperatura ng hard bake sa pangkalahatan ay bahagyang mas mataas kaysa sa prebake.

Sa wakas, ang mikroskopikong inspeksyon ay nagpapatunay kung ang pattern ay nakahanay sa mga inaasahan. Matapos mailipat ang pattern sa materyal sa pamamagitan ng iba pang mga proseso, ang photoresist ay nagsilbi sa layunin nito at dapat na alisin. Kasama sa mga paraan ng pagtatalop ang basa (paggamit ng malalakas na organikong solvent tulad ng acetone) at tuyo (paggamit ng oxygen plasma upang maalis ang pelikula).

2. Doping Techniques 

Ang doping ay kailangang-kailangan sa teknolohiya ng semiconductor, na binabago ang mga katangian ng elektrikal ng mga materyales ng semiconductor kung kinakailangan. Ang mga karaniwang paraan ng doping ay kinabibilangan ng thermal diffusion at ion implantation.

(1) Pagtatanim ng Ion 

Ion implantation dopes ang semiconductor substrate sa pamamagitan ng bombarding ito ng mga high-energy ions. Kung ikukumpara sa thermal diffusion, marami itong pakinabang. Ang mga ions, na pinili ng isang mass analyzer, ay nagsisiguro ng mataas na doping na kadalisayan. Sa buong pagtatanim, ang substrate ay nananatili sa temperatura ng silid o bahagyang nasa itaas. Maraming masking film ang maaaring gamitin, tulad ng silicon dioxide (SiO2), silicon nitride (Si3N4), at photoresist, na nagbibigay ng mataas na flexibility sa self-aligned mask techniques. Ang mga dosis ng implant ay tiyak na kinokontrol, at ang nakatanim na impurity ion distribution ay pare-pareho sa loob ng parehong eroplano, na nagreresulta sa mataas na repeatability.

Ang lalim ng pagtatanim ay tinutukoy ng enerhiya ng mga ion. Sa pamamagitan ng pag-regulate ng enerhiya at dosis, ang pamamahagi ng mga impurity ions sa substrate post-implantation ay maaaring manipulahin. Maramihang implantation na may iba't ibang mga scheme ay maaaring isagawa nang tuluy-tuloy upang makamit ang iba't ibang mga profile ng karumihan. Kapansin-pansin, sa mga single-crystal substrates, kung ang direksyon ng pagtatanim ay parallel sa crystallographic na direksyon, nangyayari ang mga channeling effect—ang ilang mga ion ay maglalakbay sa mga channel, na ginagawang mahirap ang depth control.

Upang maiwasan ang channeling, ang pagtatanim ay karaniwang isinasagawa sa humigit-kumulang 7° anggulo sa punong axis ng single-crystal substrate o sa pamamagitan ng pagtakip sa substrate ng isang amorphous na layer.

Gayunpaman, ang pagtatanim ng ion ay maaaring makabuluhang makapinsala sa kristal na istraktura ng substrate. Ang mga high-energy ions, sa pagbangga, ay naglilipat ng enerhiya sa nuclei at mga electron ng substrate, na nagiging sanhi ng mga ito na umalis sa sala-sala at bumuo ng mga pares ng depekto sa interstitial-vacancy. Sa mga malubhang kaso, ang istraktura ng kristal sa ilang mga rehiyon ay maaaring masira, na bumubuo ng mga amorphous zone.

Ang pinsala sa sala-sala ay lubos na nakakaapekto sa mga de-koryenteng katangian ng materyal na semiconductor, tulad ng pagbabawas ng kadaliang kumilos ng carrier o ang buhay ng mga carrier na hindi equilibrium. Ang pinakamahalaga, ang karamihan sa mga itinanim na dumi ay sumasakop sa mga hindi regular na interstitial na site, na hindi nakabuo ng epektibong doping. Samakatuwid, ang pag-aayos ng pinsala sa post-implantation lattice at electrical activation ng mga impurities ay mahalaga.

(2)Rapid Thermal Processing (RTP)

 Ang thermal annealing ay ang pinaka-epektibong paraan para sa pag-amyenda sa pinsala ng sala-sala na dulot ng pagtatanim ng ion at mga impurities na nagpapagana sa kuryente. Sa mataas na temperatura, ang mga pares ng depekto sa interstitial-vacancy sa crystal lattice ng substrate ay muling magsasama at mawawala; magre-recrystallize din ang mga amorphous na rehiyon mula sa hangganan na may mga single-crystal na lugar sa pamamagitan ng solid-phase epitaxy. Upang maiwasan ang pag-oxidize ng materyal na substrate sa mataas na temperatura, ang thermal annealing ay dapat isagawa sa isang vacuum o inert gas na kapaligiran. Ang tradisyunal na pagsusubo ay tumatagal ng mahabang panahon at maaaring magdulot ng makabuluhang muling pamimigay ng karumihan dahil sa diffusion.

Ang pagdating ngteknolohiya ng RTPtinutugunan ang isyung ito, higit sa lahat ay nagagawa ang pagsasaayos ng pinsala sa sala-sala at pag-activate ng karumihan sa loob ng pinaikling tagal ng pagsusubo.

Depende sa pinagmulan ng init,RTPay ikinategorya sa ilang uri: electron beam scanning, pulsed electron at ion beams, pulsed lasers, continuous-wave lasers, at broadband incoherent light sources (halogen lamp, graphite heaters, arc lamp), kung saan ang huli ang pinakamalawak na ginagamit. Ang mga pinagmumulan na ito ay maaaring magpainit ng substrate sa kinakailangang temperatura sa isang iglap, makumpleto ang pagsusubo sa isang maikling panahon at epektibong binabawasan ang diffusion ng impurity.

3. Mga Teknik sa Deposition ng Pelikula

(1) Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)

Ang PECVD ay isang anyo ng Chemical Vapor Deposition (CVD) na pamamaraan para sa film deposition, kasama ang dalawa pang Atmospheric Pressure CVD (APCVD) at Low Pressure CVD (LPCVD).

Sa kasalukuyan, ang PECVD ang pinakamalawak na inilalapat sa tatlong uri. Gumagamit ito ng radio frequency (RF) plasma upang simulan at mapanatili ang mga kemikal na reaksyon sa medyo mababang temperatura, kaya pinapadali ang mababang temperatura na pag-deposito ng pelikula na may mataas na mga rate ng deposition. Ang eskematiko ng kagamitan nito ay tulad ng nakalarawan. 

Ang mga pelikulang ginawa sa pamamagitan ng pamamaraang ito ay nagpapakita ng pambihirang adhesion at electrical properties, minimal microporosity, mataas na pagkakapareho, at matatag na small-scale fill capabilities. Ang mga salik na nakakaapekto sa kalidad ng PECVD deposition ay kinabibilangan ng substrate temperature, gas flow rate, pressure, RF power, at frequency.

(2) Sputtering 

Ang sputtering ay isang paraan ng Physical Vapor Deposition (PVD). Ang mga naka-charge na ion (karaniwang Argon ions, Ar+) ay pinabilis sa isang electric field, na nakakakuha ng kinetic energy. Ang mga ito ay nakadirekta patungo sa target na materyal, nagbabanggaan sa mga target na molekula at nagiging sanhi ng mga ito sa pag-alis at pag-sputter palayo. Ang mga molekulang ito ay nagtataglay din ng makabuluhang kinetic energy at lumilipat patungo sa substrate, na nagdedeposito dito.

Kasama sa karaniwang ginagamit na sputtering power source ang Direct Current (DC) at Radio Frequency (RF), kung saan ang DC sputtering ay direktang naaangkop sa conductive na materyales tulad ng mga metal, habang ang mga insulating material ay nangangailangan ng RF sputtering para sa film deposition.

Ang conventional sputtering ay dumaranas ng mababang deposition rate at mataas na working pressure, na nagreresulta sa mas mababang kalidad ng pelikula. Ang Magnetron sputtering ay tumutugon sa mga isyung ito nang mas perpektong. Gumagamit ito ng panlabas na magnetic field upang baguhin ang linear na trajectory ng mga ion sa isang helical na landas sa paligid ng direksyon ng magnetic field, pinahaba ang kanilang landas at pagpapabuti ng kahusayan ng banggaan sa mga target na molekula, at sa gayon ay pinahuhusay ang kahusayan sa sputtering. Nagreresulta ito sa tumaas na mga rate ng deposition, nabawasan ang mga pressure sa pagtatrabaho, at makabuluhang pinabuting kalidad ng pelikula.

4. Pag-ukit Mga pamamaraan

Ang pag-ukit ay inuri sa dry at wet mode, na pinangalanan para sa kanilang paggamit (o kakulangan) ng mga partikular na solusyon ayon sa pagkakabanggit.

Karaniwan, ang pag-ukit ay nangangailangan ng paghahanda ng isang layer ng maskara (na maaaring direktang maging photoresist) upang maprotektahan ang mga rehiyon na hindi nilayon para sa pag-ukit.

(1) Dry Etching

Kasama sa mga karaniwang uri ng dry etchingInductively Coupled Plasma (ICP) etching, Ion Beam Etching (IBE), at Reactive Ion Etching (RIE).

Sa ICP etching, ang glow discharge-produced plasma ay naglalaman ng napakaraming high chemically active free radicals (free atoms, molecules, o atomic groups), na chemically reacted sa target na materyal upang bumuo ng volatile na mga produkto, kaya nakakamit ang etching.

Gumagamit ang IBE ng mga high-energy ions (ionized mula sa inert gas) upang direktang bombahin ang ibabaw ng target na materyal para sa pag-ukit, na kumakatawan sa isang pisikal na proseso.

Ang RIE ay itinuturing na kumbinasyon ng naunang dalawa, na pinapalitan ang inert gas na ginamit sa IBE ng gas na ginamit sa ICP etching, at sa gayon ay bumubuo ng RIE.

Para sa dry etching, ang vertical etching rate ay higit na lumalampas sa lateral rate, ibig sabihin, mayroon itong mataas na aspect ratio, na nagbibigay-daan sa tumpak na pagtitiklop ng pattern ng mask. Gayunpaman, nag-uukit din ang dry etching sa layer ng maskara, na nagpapakita ng mas mahinang pagpili (ang ratio ng mga rate ng pag-ukit ng target na materyal sa layer ng maskara), lalo na sa IBE, na maaaring hindi pumipili sa ibabaw ng materyal.

(2) Basang Pag-ukit 

Ang wet etching ay tumutukoy sa paraan ng pag-ukit na nakamit sa pamamagitan ng paglubog ng target na materyal sa isang solusyon (etchant) na may kemikal na reaksyon dito.

Ang paraan ng pag-ukit na ito ay simple, matipid, at nagpapakita ng mahusay na pagpili ngunit may mababang aspect ratio. Ang materyal sa ilalim ng mga gilid ng maskara ay maaaring corroded, na ginagawang mas tumpak kaysa sa dry etching. Upang mabawasan ang mga negatibong epekto ng mababang aspect ratio, dapat pumili ng naaangkop na rate ng pag-ukit. Ang mga salik na nakakaimpluwensya sa rate ng pag-ukit ay kinabibilangan ng konsentrasyon ng etchant, oras ng pag-ukit, at temperatura ng etchant.**