Розуміння повного процесу виготовлення напівпровідникових пристроїв

1. Фотолітографія 

Фотолітографія, яку часто асоціюють із створенням візерунків, є однією з найважливіших рушійних сил швидкого розвитку напівпровідникової технології, що походить від процесів виготовлення фотопластин у друкарні. Ця техніка дозволяє представити будь-який візерунок у мікро- чи нанорозмірі за допомогою фоторезист, а в поєднанні з іншими технологічними процесами переносить ці візерунки на матеріали, реалізуючи різні конструкції та концепції напівпровідникових матеріалів і пристроїв. Джерело світла, яке використовується у фотолітографії, безпосередньо впливає на точність візерунків, із варіантами від ультрафіолетового, глибокого ультрафіолетового до рентгенівського та електронного променя, кожен з яких відповідає зростаючим рівням точності візерунків у зазначеному порядку.

Стандартний процес фотолітографії включає підготовку поверхні, адгезію, м’яке випікання, експонування, постекспонування, проявлення, тверде випікання та перевірку.

Обробка поверхні є обов’язковою, оскільки підкладки зазвичай поглинають молекули H2O з повітря, що шкодить фотолітографії. Таким чином, субстрати спочатку піддаються дегідратації шляхом запікання.

Для гідрофільних субстратів їх адгезія до гідрофобного фоторезисту є недостатньою, що потенційно може спричинити відшарування фоторезисту або зміщення візерунка, отже, необхідний промотор адгезії. В даний час гексаметилдисилазан (HMDS) і три-метил-силіл-діетиламін (TMSDEA) є широко використовуваними підсилювачами адгезії.

Після обробки поверхні починається нанесення фоторезисту. Товщина нанесеного фоторезисту залежить не лише від його в’язкості, але також залежить від швидкості нанесення покриття, яка зазвичай обернено пропорційна квадратному кореню зі швидкості обертання. Після нанесення покриття проводиться м’яке випікання для випаровування розчинника з фоторезисту, покращуючи адгезію в процесі, відомому як попереднє випікання.

Після завершення цих кроків відбувається експозиція. Фоторезисти класифікуються як позитивні та негативні, з протилежними властивостями після впливу.

Візьмемо як приклад позитивний фоторезист, де неекспонований фоторезист нерозчинний у проявнику, але стає розчинним після експонування. Під час експонування джерело світла, проходячи через візерункову маску, освітлює покриту підкладку, формуючи візерунок на фоторезисті. Як правило, підкладку необхідно вирівняти з маскою перед експозицією, щоб точно контролювати позицію експозиції. Необхідно суворо контролювати тривалість експозиції, щоб запобігти спотворенню візерунка. Після експозиції може знадобитися додаткове випікання, щоб пом’якшити ефект стоячої хвилі, хоча цей крок є необов’язковим і його можна обійти на користь прямого прояву. Проявка розчиняє експонований фоторезист, точно переносячи малюнок маски на шар фоторезисту. Час розробки також має вирішальне значення — надто короткий призводить до неповного розвитку, надто довгий викликає спотворення шаблону.

Згодом жорстке запікання зміцнює кріплення фоторезистної плівки до основи та покращує її стійкість до травлення. Температура твердого випікання зазвичай трохи вища, ніж температура попереднього випікання.

Нарешті, мікроскопічне дослідження перевіряє, чи відповідає шаблон очікуванням. Після того, як малюнок буде перенесено на матеріал за допомогою інших процесів, фоторезист виконає свою функцію і його необхідно видалити. Методи зачистки включають вологий (з використанням сильних органічних розчинників, таких як ацетон) і сухий (з використанням кисневої плазми для травлення плівки).

2. Методи допінгу 

Допування є незамінним у напівпровідниковій технології, змінюючи електричні властивості напівпровідникових матеріалів за потреби. Загальні методи легування включають термічну дифузію та іонну імплантацію.

(1) Іонна імплантація 

Іонна імплантація легує напівпровідникову підкладку шляхом бомбардування її іонами високої енергії. У порівнянні з термодифузією він має багато переваг. Іони, відібрані мас-аналізатором, забезпечують високу чистоту легування. Під час імплантації підкладка залишається при кімнатній температурі або трохи вище. Можна використовувати багато маскувальних плівок, таких як діоксид кремнію (SiO2), нітрид кремнію (Si3N4) і фоторезист, що забезпечує високу гнучкість методів самовирівнювання масок. Дози імплантату точно контролюються, а розподіл іонів імплантованої домішки рівномірний в одній площині, що забезпечує високу повторюваність.

Глибина імплантації визначається енергією іонів. Шляхом регулювання енергії та дози можна маніпулювати розподілом іонів домішок у підкладці після імплантації. Багаторазові імплантації з різноманітними схемами можуть виконуватися безперервно для досягнення різних профілів домішок. Примітно, що в монокристалічних підкладках, якщо напрямок імплантації паралельний кристалографічному напрямку, виникають ефекти каналізації — деякі іони рухатимуться вздовж каналів, що ускладнює контроль глибини.

Щоб запобігти каналізації, імплантація зазвичай проводиться під кутом приблизно 7° до головної осі монокристалічної підкладки або шляхом покриття підкладки аморфним шаром.

Однак іонна імплантація може істотно пошкодити кристалічну структуру підкладки. Високоенергетичні іони при зіткненні передають енергію ядрам і електронам підкладки, змушуючи їх залишати решітку і утворювати пари дефектів між вузлами і вакансіями. У важких випадках кристалічна структура в окремих областях може бути зруйнована, утворюючи аморфні зони.

Пошкодження решітки сильно впливає на електричні властивості напівпровідникового матеріалу, наприклад, зменшує рухливість носіїв або тривалість життя нерівноважних носіїв. Найважливіше те, що більшість імплантованих домішок займають нерегулярні інтерстиціальні ділянки, не спроможні утворити ефективне легування. Тому постімплантаційне відновлення пошкоджень решітки та електрична активація домішок є важливими.

(2)Швидка термічна обробка (RTP)

 Термічний відпал є найефективнішим методом усунення пошкоджень решітки, викликаних іонною імплантацією та електрично активованими домішками. При високих температурах міжвузлові пари дефектів у кристалічній решітці підкладки рекомбінуються та зникають; аморфні області також перекристалізуються з межі з монокристалічними областями за допомогою твердофазної епітаксії. Щоб запобігти окисленню матеріалу підкладки при високих температурах, термічний відпал необхідно проводити у вакуумі або в атмосфері інертного газу. Традиційний відпал займає тривалий час і може спричинити значний перерозподіл домішок через дифузію.

ПояваТехнологія RTPвирішує цю проблему, значною мірою виправляючи пошкодження решітки та активуючи домішки в межах скороченої тривалості відпалу.

Залежно від джерела тепла,RTPподіляється на кілька типів: сканування електронним пучком, імпульсні електронні та іонні пучки, імпульсні лазери, лазери безперервної хвилі та широкосмугові некогерентні джерела світла (галогенні лампи, графітові нагрівачі, дугові лампи), причому останні є найбільш широко використовуваними. Ці джерела можуть миттєво нагрівати підкладку до необхідної температури, завершуючи відпал за короткий час і ефективно зменшуючи дифузію домішок.

3. Методи осадження плівки

(1) Плазмове хімічне осадження з парової фази (PECVD)

PECVD — це одна з форм техніки хімічного осадження з парової фази (CVD) для осадження плівки, а дві інші — це CVD за атмосферного тиску (APCVD) і CVD при низькому тиску (LPCVD).

В даний час PECVD є найбільш широко застосовуваним серед трьох типів. Він використовує радіочастотну (РЧ) плазму для ініціювання та підтримки хімічних реакцій при відносно низьких температурах, таким чином полегшуючи низькотемпературне осадження плівки з високою швидкістю осадження. Схема його обладнання така, як на малюнку. 

Плівки, виготовлені за допомогою цього методу, демонструють виняткову адгезію та електричні властивості, мінімальну мікропористість, високу однорідність і надійну здатність до заповнення невеликих розмірів. Фактори, що впливають на якість осадження PECVD, включають температуру підкладки, швидкість потоку газу, тиск, РЧ-потужність і частоту.

(2) Розпилення 

Напилення — це метод фізичного осадження з парової фази (PVD). Заряджені іони (зазвичай іони аргону, Ar+) прискорюються в електричному полі, отримуючи кінетичну енергію. Вони спрямовуються на цільовий матеріал, стикаючись із цільовими молекулами, змушуючи їх зміщуватися та розпорошуватися. Ці молекули також володіють значною кінетичною енергією і рухаються до субстрату, осідаючи на ньому.

Зазвичай використовувані джерела живлення для напилення включають постійний струм (DC) і радіочастоту (RF), де напилення постійного струму безпосередньо застосовується до провідних матеріалів, таких як метали, тоді як ізоляційні матеріали потребують радіочастотного напилення для осадження плівки.

Звичайне напилення страждає від низьких швидкостей осадження та високого робочого тиску, що призводить до нижчої якості плівки. Магнетронне розпилення краще вирішує ці проблеми. Він використовує зовнішнє магнітне поле для зміни лінійної траєкторії іонів на гвинтову траєкторію навколо напрямку магнітного поля, подовжуючи їхній шлях і покращуючи ефективність зіткнення з цільовими молекулами, тим самим підвищуючи ефективність розпилення. Це призводить до підвищення швидкості осадження, зниження робочого тиску та значного покращення якості плівки.

4. Офорт Техніки

Травлення поділяють на сухий і вологий режими, названі відповідно за використанням (або відсутністю) певних розчинів.

Як правило, травлення вимагає підготовки маскуючого шару (який може бути безпосередньо фоторезистом) для захисту областей, не призначених для травлення.

(1) Сухе травлення

Загальні види сухого травлення включаютьІндуктивно зв'язана плазма (ICP) травлення, іонно-променеве травлення (IBE) і реактивне іонне травлення (RIE).

При ICP травленні плазма, створена тліючим розрядом, містить численні високохімічно активні вільні радикали (вільні атоми, молекули або атомні групи), які хімічно реагують з цільовим матеріалом з утворенням летючих продуктів, таким чином досягаючи травлення.

IBE використовує іони високої енергії (іонізовані з інертних газів) для прямого бомбардування поверхні цільового матеріалу для травлення, що представляє фізичний процес.

RIE вважається поєднанням попередніх двох, замінюючи інертний газ, який використовується в IBE, на газ, який використовується для травлення ICP, таким чином становлячи RIE.

Для сухого травлення швидкість вертикального травлення значно перевищує латеральну швидкість, тобто воно має високе співвідношення сторін, що дозволяє точно відтворювати малюнок маски. Однак сухе травлення також травить шар маски, показуючи гіршу селективність (співвідношення швидкості травлення цільового матеріалу до шару маски), особливо з IBE, який може невибірково травити по всій поверхні матеріалу.

(2) Мокре травлення 

Вологе травлення означає метод травлення, досягнутий зануренням цільового матеріалу в розчин (травитель), який хімічно реагує з ним.

Цей метод травлення є простим, економічно ефективним і демонструє хорошу вибірковість, але має низьке співвідношення сторін. Матеріал під краями маски може піддаватися корозії, що робить його менш точним, ніж сухе травлення. Щоб пом’якшити негативний вплив низького співвідношення сторін, потрібно вибрати відповідну швидкість травлення. Фактори, що впливають на швидкість травлення, включають концентрацію травника, час травлення та температуру травителя.**