Razumevanje celotnega postopka izdelave polprevodniške naprave

1. Fotolitografija 

Fotolitografija, ki je pogosto sinonim za ustvarjanje vzorcev, je ena najbolj kritičnih gonilnih sil hitrega napredka polprevodniške tehnologije, ki izvira iz postopkov izdelave fotografskih plošč v tiskarstvu. Ta tehnika omogoča predstavitev katerega koli vzorca na mikro ali nano merilu z uporabo fotorezist in v kombinaciji z drugimi procesnimi tehnologijami prenese te vzorce na materiale, s čimer realizira različne zasnove in koncepte polprevodniških materialov in naprav. Vir svetlobe, ki se uporablja v fotolitografiji, neposredno vpliva na natančnost vzorcev z možnostmi, ki segajo od ultravijoličnega, globokega ultravijoličnega do rentgenskih žarkov in elektronskih žarkov, pri čemer vsaka ustreza naraščajoči stopnji natančnosti vzorca v navedenem vrstnem redu.

Standardni potek postopka fotolitografije vključuje pripravo površine, oprijem, mehko pečenje, osvetlitev, pečenje po osvetlitvi, razvijanje, trdo pečenje in pregled.

Površinska obdelava je nujna, saj substrati običajno absorbirajo molekule H2O iz zraka, kar je škodljivo za fotolitografijo. Zato so substrati najprej podvrženi dehidraciji s pečenjem.

Pri hidrofilnih podlagah je njihov oprijem na hidrofobni fotorezist nezadosten, kar lahko povzroči odstop fotorezista ali neusklajenost vzorca, zato je potreben pospeševalec adhezije. Trenutno sta heksametil disilazan (HMDS) in tri-metil-silil-dietil-amin (TMSDEA) široko uporabljena ojačevalca adhezije.

Po površinski obdelavi se začne nanos fotorezista. Debelina nanesenega fotorezista ni povezana samo z njegovo viskoznostjo, ampak nanjo vpliva tudi hitrost centrifugiranja, ki je na splošno obratno sorazmerna s kvadratnim korenom hitrosti vrtenja. Po nanosu se izvede mehko pečenje, da izhlapi topilo iz fotorezista, kar izboljša oprijem v postopku, znanem kot predhodno pečenje.

Ko so ti koraki končani, pride do izpostavljenosti. Fotorezisti so razvrščeni kot pozitivni ali negativni, z nasprotnimi lastnostmi po izpostavitvi.

Za primer vzemimo pozitivni fotorezist, pri katerem je neosvetljen fotorezist netopen v razvijalcu, po izpostavitvi pa postane topen. Med osvetlitvijo svetlobni vir, ki gre skozi vzorčasto masko, osvetli prevlečeno podlago in oblikuje vzorec fotorezista. Običajno je treba podlago pred osvetlitvijo poravnati z masko, da natančno nadzorujete položaj osvetlitve. Trajanje izpostavljenosti mora biti strogo nadzorovano, da se prepreči popačenje vzorca. Po izpostavitvi bo morda potrebno dodatno pečenje za ublažitev učinkov stoječega vala, čeprav ta korak ni obvezen in ga je mogoče zaobiti v korist neposrednega razvoja. Razvijanje raztopi izpostavljeni fotorezist, pri čemer se vzorec maske natančno prenese na plast fotorezista. Razvojni čas je prav tako kritičen – prekratek vodi do nepopolnega razvoja, predolg povzroči izkrivljanje vzorca.

Pozneje trdo pečenje okrepi pritrditev filma fotorezista na podlago in izboljša njegovo odpornost proti jedkanju. Temperatura trde peke je na splošno nekoliko višja od temperature predpeke.

Končno mikroskopski pregled preveri, ali je vzorec skladen s pričakovanji. Ko je vzorec z drugimi postopki prenesen na material, je fotorezist služil svojemu namenu in ga je treba odstraniti. Metode odstranjevanja vključujejo mokro (z uporabo močnih organskih topil, kot je aceton) in suho (z uporabo kisikove plazme za jedkanje filma).

2. Dopinške tehnike 

Dopiranje je nepogrešljivo v tehnologiji polprevodnikov, saj po potrebi spremeni električne lastnosti polprevodniških materialov. Običajne metode dopinga vključujejo toplotno difuzijo in ionsko implantacijo.

(1) Ionska implantacija 

Ionska implantacija dopira polprevodniški substrat tako, da ga obstreljuje z visokoenergijskimi ioni. V primerjavi s toplotno difuzijo ima številne prednosti. Ioni, izbrani z masnim analizatorjem, zagotavljajo visoko čistost dopinga. Ves čas vsaditve ostane substrat pri sobni temperaturi ali malo nad njo. Uporabijo se lahko številni maskirni filmi, kot so silicijev dioksid (SiO2), silicijev nitrid (Si3N4) in fotorezist, ki zagotavljajo visoko prilagodljivost s tehnikami samoporavnanih mask. Odmerki vsadka so natančno nadzorovani, porazdelitev ionov vsadka pa je enakomerna znotraj iste ravnine, kar ima za posledico visoko ponovljivost.

Globina implantacije je določena z energijo ionov. Z uravnavanjem energije in odmerka je mogoče manipulirati s porazdelitvijo ionov nečistoč v substratu po implantaciji. Večkratne implantacije z različnimi shemami se lahko izvajajo neprekinjeno, da se dosežejo različni profili nečistoč. Če je smer implantacije vzporedna s kristalografsko smerjo, se v monokristalnih substratih pojavijo učinki kanaliziranja – nekateri ioni bodo potovali po kanalih, zaradi česar je nadzor globine zahteven.

Da bi preprečili kanaliziranje, se implantacija običajno izvede pod kotom približno 7° glede na glavno os monokristalnega substrata ali s prekrivanjem substrata z amorfno plastjo.

Vendar pa lahko ionska implantacija bistveno poškoduje kristalno strukturo substrata. Visokoenergijski ioni po trčenju prenesejo energijo na jedra in elektrone substrata, zaradi česar ti zapustijo mrežo in tvorijo pare defektov intersticij-prosto mesto. V hudih primerih je lahko kristalna struktura v nekaterih regijah uničena, kar tvori amorfna območja.

Poškodba mreže močno vpliva na električne lastnosti polprevodniškega materiala, kot je zmanjšanje mobilnosti nosilcev ali življenjska doba neravnovesnih nosilcev. Najpomembneje je, da večina implantiranih nečistoč zaseda nepravilna intersticijska mesta in ne tvorijo učinkovitega dopinga. Zato sta bistvenega pomena popravilo poškodb rešetke po implantaciji in električna aktivacija nečistoč.

(2)Hitra toplotna obdelava (RTP)

 Toplotno žarjenje je najučinkovitejša metoda za odpravo poškodb mreže, ki jih povzročijo ionska implantacija in električno aktivirane nečistoče. Pri visokih temperaturah se bodo pari defektov intersticija in praznine v kristalni mreži substrata rekombinirali in izginili; amorfne regije se bodo tudi rekristalizirale z meje z enokristalnimi območji preko epitaksije v trdni fazi. Da bi preprečili oksidacijo substratnega materiala pri visokih temperaturah, je treba toplotno žarjenje izvesti v vakuumu ali atmosferi inertnega plina. Tradicionalno žarjenje traja dolgo in lahko povzroči znatno prerazporeditev nečistoč zaradi difuzije.

PojavRTP tehnologijaobravnava to težavo in v veliki meri doseže popravilo poškodb mreže in aktivacijo nečistoč v skrajšanem trajanju žarjenja.

Odvisno od vira toplote,RTPje razdeljen na več vrst: skeniranje z elektronskim žarkom, impulzni elektronski in ionski žarki, impulzni laserji, laserji z zveznimi valovi in ​​širokopasovni nekoherentni viri svetlobe (halogenske žarnice, grafitni grelniki, obločne žarnice), pri čemer so slednji najpogosteje uporabljeni. Ti viri lahko segrejejo substrat na zahtevano temperaturo v trenutku, zaključijo žarjenje v kratkem času in učinkovito zmanjšajo difuzijo nečistoč.

3. Tehnike nanašanja filma

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

PECVD je ena od oblik tehnike kemičnega naparjevanja (CVD) za nanašanje filma, drugi dve pa sta CVD pri atmosferskem tlaku (APCVD) in CVD pri nizkem tlaku (LPCVD).

Trenutno je PECVD najpogosteje uporabljen med tremi vrstami. Uporablja radiofrekvenčno (RF) plazmo za sprožitev in vzdrževanje kemičnih reakcij pri sorazmerno nizkih temperaturah, s čimer olajša nanašanje filma pri nizkih temperaturah z visokimi stopnjami nanašanja. Shema njegove opreme je taka, kot je prikazano na sliki. 

Filmi, proizvedeni s to metodo, imajo izjemno oprijemljivost in električne lastnosti, minimalno mikroporoznost, visoko enotnost in robustne zmožnosti polnjenja v majhnem obsegu. Dejavniki, ki vplivajo na kakovost nanašanja PECVD, vključujejo temperaturo podlage, pretok plina, tlak, moč RF in frekvenco.

(2) Razprševanje 

Razprševanje je metoda fizičnega naparjevanja (PVD). Nabiti ioni (običajno argonovi ioni, Ar+) se pospešijo v električnem polju in pridobijo kinetično energijo. Usmerjeni so proti ciljnemu materialu, trčijo s ciljnimi molekulami in povzročijo, da se izločijo in razpršijo. Te molekule imajo tudi pomembno kinetično energijo in se premikajo proti substratu ter se na njem odlagajo.

Običajno uporabljeni viri energije za razprševanje vključujejo enosmerni tok (DC) in radijsko frekvenco (RF), pri čemer je razprševanje z enosmernim tokom neposredno uporabno za prevodne materiale, kot so kovine, medtem ko izolacijski materiali zahtevajo RF razprševanje za nanašanje filma.

Običajno naprševanje trpi zaradi nizkih stopenj nanašanja in visokih delovnih tlakov, kar ima za posledico nižjo kakovost filma. Magnetronsko razprševanje bolj idealno obravnava ta vprašanja. Uporablja zunanje magnetno polje za spreminjanje linearne trajektorije ionov v spiralno pot okoli smeri magnetnega polja, s čimer podaljša njihovo pot in izboljša učinkovitost trka s ciljnimi molekulami, s čimer poveča učinkovitost razprševanja. Posledica tega so povečane stopnje nanašanja, zmanjšani delovni tlaki in znatno izboljšana kakovost filma.

4. Jedkanica Tehnike

Jedkanje je razvrščeno v suhe in mokre načine, imenovane zaradi uporabe (ali pomanjkanja) posebnih rešitev.

Običajno jedkanje zahteva pripravo sloja maske (ki je lahko neposredno fotorezist), da zaščiti področja, ki niso namenjena jedkanju.

(1) Suho jedkanje

Običajne vrste suhega jedkanja vključujejoJedkanje z induktivno sklopljeno plazmo (ICP)., ionsko jedkanje (IBE) in reaktivno ionsko jedkanje (RIE).

Pri jedkanju ICP plazma, ki jo proizvaja žarilna razelektritev, vsebuje številne zelo kemično aktivne proste radikale (proste atome, molekule ali atomske skupine), ki kemično reagirajo s ciljnim materialom, da tvorijo hlapne produkte in tako dosežejo jedkanje.

IBE uporablja visokoenergijske ione (ionizirane iz inertnih plinov) za neposredno bombardiranje površine ciljnega materiala za jedkanje, kar predstavlja fizični proces.

RIE velja za kombinacijo prejšnjih dveh, ki nadomešča inertni plin, uporabljen v IBE, s plinom, uporabljenim pri jedkanju ICP, in tako predstavlja RIE.

Pri suhem jedkanju navpična hitrost jedkanja daleč presega stransko hitrost, kar pomeni, da ima visoko razmerje stranic, kar omogoča natančno replikacijo vzorca maske. Vendar suho jedkanje tudi jedka plast maske, kar kaže na slabšo selektivnost (razmerje hitrosti jedkanja ciljnega materiala in maske), zlasti pri IBE, ki lahko neselektivno jedka po površini materiala.

(2) Mokro jedkanje 

Mokro jedkanje označuje metodo jedkanja, doseženo s potopitvijo ciljnega materiala v raztopino (jedkalo), ki z njim kemično reagira.

Ta metoda jedkanja je preprosta, stroškovno učinkovita in kaže dobro selektivnost, vendar ima nizko razmerje stranic. Material pod robovi maske je lahko korodiran, zaradi česar je manj natančen kot suho jedkanje. Za ublažitev negativnih učinkov nizkega razmerja stranic je treba izbrati ustrezne stopnje jedkanja. Dejavniki, ki vplivajo na hitrost jedkanja, vključujejo koncentracijo jedkanja, čas jedkanja in temperaturo jedkanja.**