Forståelse af den komplette fremstillingsproces for halvlederenheder

1. Fotolitografi 

Fotolitografi, ofte synonymt med mønstergenerering, er en af ​​de mest kritiske drivkræfter bag den hurtige udvikling af halvlederteknologi, der stammer fra fotografiske pladefremstillingsprocesser i trykning. Denne teknik gør det muligt at præsentere ethvert mønster på mikro- eller nanoskala ved hjælp af fotoresist, og når de kombineres med andre procesteknologier, overfører de disse mønstre til materialer og realiserer forskellige designs og koncepter af halvledermaterialer og -enheder. Den lyskilde, der bruges i fotolitografi, påvirker direkte præcisionen af ​​mønstrene, med muligheder, der spænder fra ultraviolet, dyb ultraviolet, til røntgenstråler og elektronstråler, som hver svarer til stigende niveauer af mønstertroskab i den nævnte rækkefølge.

Et standard fotolitografi procesflow inkluderer overfladeforberedelse, vedhæftning, blød bagning, eksponering, bagning efter eksponering, udvikling, hård bagning og inspektion.

Overfladebehandling er bydende nødvendigt, da substrater typisk absorberer H2O-molekyler fra luften, hvilket er skadeligt for fotolitografi. Derfor gennemgår substrater i første omgang dehydreringsbehandling gennem bagning.

For hydrofile substrater er deres adhæsion til hydrofob fotoresist utilstrækkelig, hvilket potentielt forårsager fotoresist-løsning eller mønsterforskydning, og dermed behovet for en adhæsionsfremmer. I øjeblikket er hexamethyldisilazan (HMDS) og tri-methyl-silyl-diethyl-amin (TMSDEA) meget anvendte adhæsionsforstærkere.

Efter overfladebehandling begynder påføringen af ​​fotoresist. Tykkelsen af ​​den påførte fotoresist er ikke kun relateret til dens viskositet, men påvirkes også af spin-coating-hastigheden, generelt omvendt proportional med kvadratroden af ​​spin-hastigheden. Efter belægning udføres en blød bagning for at fordampe opløsningsmidlet fra fotoresisten, hvilket forbedrer vedhæftningen i en proces kendt som prebake.

Når disse trin er gennemført, finder eksponering sted. Fotoresister klassificeres som positive eller negative, med modsatte egenskaber efter eksponering.

Tag positiv fotoresist som et eksempel, hvor ueksponeret fotoresist er uopløselig i fremkalder, men bliver opløselig efter eksponering. Under eksponeringen oplyser lyskilden, der passerer gennem en mønstret maske, det coatede substrat og mønstrer fotoresisten. Typisk skal substratet justeres med masken før eksponering for at kontrollere eksponeringspositionen præcist. Eksponeringsvarighed skal styres nøje for at forhindre mønsterforvrængning. Efter eksponering kan yderligere bagning være påkrævet for at afbøde stående bølgeeffekter, selvom dette trin er valgfrit og kan omgås til fordel for direkte udvikling. Fremkaldelse opløser den eksponerede fotoresist og overfører maskemønsteret nøjagtigt til fotoresistlaget. Udviklingstid er også kritisk - for kort fører til ufuldstændig udvikling, for lang forårsager mønsterforvrængning.

Efterfølgende styrker hård bagning vedhæftningen af ​​fotoresistfilmen til substratet og forbedrer dens ætsningsmodstand. Den hårde bagetemperatur er generelt lidt højere end den for forbagningen.

Endelig verificerer mikroskopisk inspektion, om mønsteret stemmer overens med forventningerne. Efter at mønsteret er overført til materialet ved andre processer, har fotoresisten tjent sit formål og skal fjernes. Stripningsmetoder omfatter våd (brug af stærke organiske opløsningsmidler som acetone) og tør (brug af oxygenplasma til at ætse filmen væk).

2. Dopingteknikker 

Doping er uundværligt i halvlederteknologi, og ændrer de elektriske egenskaber af halvledermaterialer efter behov. De almindelige dopingmetoder omfatter termisk diffusion og ionimplantation.

(1) Ionimplantation 

Ionimplantation doper halvledersubstratet ved at bombardere det med højenergi-ioner. Sammenlignet med termisk diffusion har det mange fordele. Ionerne, udvalgt af en masseanalysator, sikrer høj dopingrenhed. Under hele implantationen forbliver substratet ved stuetemperatur eller lidt over. Mange maskeringsfilm kan bruges, såsom siliciumdioxid (SiO2), siliciumnitrid (Si3N4) og fotoresist, hvilket giver høj fleksibilitet med selvjusterede masketeknikker. Implantatdoser styres præcist, og den implanterede ionfordeling er ensartet inden for det samme plan, hvilket resulterer i høj repeterbarhed.

Implantationsdybden bestemmes af ionernes energi. Ved at regulere energien og dosis kan fordelingen af ​​urenheder i substratet efter implantation manipuleres. Flere implantationer med forskellige skemaer kan udføres kontinuerligt for at opnå forskellige urenhedsprofiler. Især i enkeltkrystalsubstrater, hvis implantationsretningen er parallel med den krystallografiske retning, opstår der kanaliseringseffekter - nogle ioner vil bevæge sig langs kanaler, hvilket gør dybdekontrol udfordrende.

For at forhindre kanaldannelse udføres implantation typisk i en vinkel på ca. 7° i forhold til hovedaksen af ​​enkeltkrystalsubstratet eller ved at dække substratet med et amorft lag.

Imidlertid kan ionimplantation betydeligt beskadige substratets krystalstruktur. Højenergi-ioner overfører ved kollision energi til kerner og elektroner i substratet, hvilket får dem til at forlade gitteret og danne interstitielle-tomgangsdefektpar. I alvorlige tilfælde kan krystalstrukturen i nogle regioner blive ødelagt og danne amorfe zoner.

Gitterskader påvirker i høj grad halvledermaterialets elektriske egenskaber, såsom at reducere bærermobilitet eller levetiden for ikke-ligevægtsbærere. Vigtigst er det, at størstedelen af ​​implanterede urenheder optager uregelmæssige interstitielle steder og formår ikke at danne effektiv doping. Derfor er reparation af gitterskader efter implantation og elektrisk aktivering af urenheder afgørende.

(2)Hurtig termisk behandling (RTP)

 Termisk udglødning er den mest effektive metode til at ændre gitterskader forårsaget af ionimplantation og elektrisk aktiverende urenheder. Ved høje temperaturer vil interstitielle-tomgangsdefektpar i substratets krystalgitter rekombinere og forsvinde; amorfe områder vil også omkrystallisere fra grænsen med enkeltkrystalområder via fastfase-epitaksi. For at forhindre, at substratmaterialet oxiderer ved høje temperaturer, skal termisk udglødning udføres i et vakuum eller en inert gasatmosfære. Traditionel udglødning tager lang tid og kan forårsage betydelig omfordeling af urenheder på grund af diffusion.

Fremkomsten afRTP-teknologiløser dette problem og udfører i vid udstrækning reparation af gitterskader og aktivering af urenheder inden for en forkortet annealingsvarighed.

Afhængigt af varmekilden,RTPer kategoriseret i flere typer: elektronstrålescanning, pulserende elektron- og ionstråler, pulserende lasere, kontinuerlige bølgelasere og bredbånds inkohærente lyskilder (halogenlamper, grafitvarmere, buelamper), hvor sidstnævnte er den mest udbredte. Disse kilder kan opvarme substratet til den nødvendige temperatur på et øjeblik, afslutte udglødning på kort tid og effektivt reducere urenhedsdiffusion.

3. Filmdeponeringsteknikker

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

PECVD er en form for kemisk dampaflejring (CVD) teknik til filmaflejring, hvor de to andre er atmosfærisk tryk CVD (APCVD) og lavtryks CVD (LPCVD).

I øjeblikket er PECVD den mest anvendte blandt de tre typer. Det bruger radiofrekvensplasma (RF) til at igangsætte og opretholde kemiske reaktioner ved relativt lave temperaturer, hvilket letter lavtemperaturfilmaflejring med høje aflejringshastigheder. Dens udstyrsskema er som illustreret. 

Film fremstillet ved hjælp af denne metode udviser enestående vedhæftning og elektriske egenskaber, minimal mikroporøsitet, høj ensartethed og robuste småskalafyldningsevner. Faktorer, der påvirker kvaliteten af ​​PECVD-aflejring, omfatter substrattemperatur, gasstrømningshastighed, tryk, RF-effekt og frekvens.

(2) Sputtering 

Sputtering er en fysisk dampaflejringsmetode (PVD). Ladede ioner (almindeligvis Argon-ioner, Ar+) accelereres i et elektrisk felt og får kinetisk energi. De er rettet mod målmaterialet, kolliderer med målmolekyler og får dem til at løsne sig og sprøjte væk. Disse molekyler har også betydelig kinetisk energi og bevæger sig mod substratet og aflejrer sig på det.

Typisk anvendte forstøvningsstrømkilder omfatter jævnstrøm (DC) og radiofrekvens (RF), hvor DC-forstøvning er direkte anvendelig til ledende materialer som metaller, mens isoleringsmaterialer kræver RF-forstøvning til filmaflejring.

Konventionel sputtering lider under lave afsætningshastigheder og høje arbejdstryk, hvilket resulterer i lavere filmkvalitet. Magnetronsputtering løser disse problemer mere ideelt. Den anvender et eksternt magnetfelt til at ændre ionernes lineære bane til en spiralformet bane rundt om magnetfeltretningen, forlænge deres vej og forbedre kollisionseffektiviteten med målmolekyler, hvorved sputteringseffektiviteten forbedres. Dette resulterer i øgede aflejringshastigheder, reduceret arbejdstryk og væsentligt forbedret filmkvalitet.

4. Radering Teknikker

Ætsning er klassificeret i tørre og våde tilstande, opkaldt efter deres brug (eller mangel) af specifikke løsninger.

Typisk kræver ætsning forberedelse af et maskelag (som direkte kan være fotoresist) for at beskytte områder, der ikke er beregnet til ætsning.

(1) Tørætsning

Almindelige tørætsningstyper omfatterInductively Coupled Plasma (ICP) ætsning, Ion Beam Etching (IBE) og Reactive Ion Etching (RIE).

Ved ICP-ætsning indeholder det glødeudladningsproducerede plasma adskillige meget kemisk aktive frie radikaler (frie atomer, molekyler eller atomgrupper), som reagerer kemisk med målmaterialet for at danne flygtige produkter og dermed opnå ætsning.

IBE anvender højenergi-ioner (ioniseret fra inerte gasser) til direkte at bombardere målmaterialets overflade til ætsning, hvilket repræsenterer en fysisk proces.

RIE betragtes som en kombination af de to foregående, der erstatter den inerte gas, der anvendes i IBE, med den gas, der anvendes i ICP-ætsning, og udgør derved RIE.

Til tørætsning overstiger den lodrette ætsningshastighed langt den laterale hastighed, dvs. den har et højt billedformat, hvilket tillader præcis replikering af maskemønsteret. Tørætsning ætser dog også maskelaget, hvilket viser dårligere selektivitet (forholdet mellem ætsningshastigheder af målmateriale og maskelaget), især med IBE, som kan ætse ikke-selektivt hen over materialets overflade.

(2) Vådætsning 

Vådætsning betegner metoden til ætsning opnået ved at nedsænke målmaterialet i en opløsning (ætsemiddel), der kemisk reagerer med det.

Denne ætsningsmetode er enkel, omkostningseffektiv og viser god selektivitet, men har et lavt billedformat. Materialet under maskens kanter kan korroderes, hvilket gør det mindre præcist end tørætsning. For at afbøde de negative virkninger af et lavt billedformat skal passende ætsningshastigheder vælges. Faktorer, der påvirker ætsningshastigheden, omfatter ætsemiddelkoncentration, ætsetid og ætsemiddeltemperatur.**