Memahami Proses Pembuatan Peranti Semikonduktor Lengkap

1. Fotolitografi 

Fotolitografi, selalunya sinonim dengan penjanaan corak, adalah salah satu daya penggerak paling kritikal di sebalik kemajuan pesat teknologi semikonduktor, yang berasal daripada proses pembuatan plat fotografi dalam percetakan. Teknik ini membolehkan persembahan sebarang corak pada skala mikro atau nano menggunakan photoresist, dan apabila digabungkan dengan teknologi proses lain, memindahkan corak ini ke bahan, merealisasikan pelbagai reka bentuk dan konsep bahan dan peranti semikonduktor. Sumber cahaya yang digunakan dalam fotolitografi secara langsung mempengaruhi ketepatan corak, dengan pilihan daripada ultraungu, ultraungu dalam, kepada sinar-X, dan pancaran elektron, setiap satu sepadan dengan peningkatan tahap kesetiaan corak dalam susunan yang disebutkan.

Aliran proses fotolitografi standard termasuk penyediaan permukaan, lekatan, bakar lembut, pendedahan, bakar selepas pendedahan, pembangunan, bakar keras dan pemeriksaan.

Rawatan permukaan adalah penting kerana substrat biasanya menyerap molekul H2O dari udara, yang memudaratkan fotolitografi. Oleh itu, substrat pada mulanya menjalani pemprosesan dehidrasi melalui penaik.

Untuk substrat hidrofilik, lekatannya kepada fotoresist hidrofobik tidak mencukupi, berpotensi menyebabkan detasmen fotoresist atau salah penjajaran corak, oleh itu keperluan untuk penganjur lekatan. Pada masa ini, hexamethyl disilazane (HMDS) dan tri-methyl-silyl-diethyl-amine (TMSDEA) digunakan secara meluas sebagai penambah lekatan.

Selepas rawatan permukaan, penggunaan photoresist bermula. Ketebalan photoresist yang digunakan bukan sahaja berkaitan dengan kelikatannya tetapi juga dipengaruhi oleh kelajuan salutan putaran, secara amnya berkadar songsang dengan punca kuasa dua kelajuan putaran. Selepas salutan, bakar lembut dijalankan untuk menyejat pelarut daripada photoresist, meningkatkan lekatan dalam proses yang dikenali sebagai prebake.

Setelah langkah-langkah ini selesai, pendedahan berlaku. Photoresist dikelaskan sebagai positif atau negatif, dengan sifat bertentangan selepas pendedahan.

Ambil photoresist positif sebagai contoh, di mana photoresist yang tidak terdedah tidak larut dalam pembangun, tetapi menjadi larut selepas pendedahan. Semasa pendedahan, sumber cahaya, melalui topeng bercorak, menerangi substrat bersalut, mencorak photoresist. Biasanya, substrat mesti diselaraskan dengan topeng sebelum pendedahan untuk mengawal kedudukan pendedahan dengan tepat. Tempoh pendedahan mesti diuruskan dengan ketat untuk mengelakkan herotan corak. Selepas pendedahan, penaik tambahan mungkin diperlukan untuk mengurangkan kesan gelombang berdiri, walaupun langkah ini adalah pilihan dan boleh dipintas untuk memihak kepada pembangunan langsung. Pembangunan melarutkan fotoresist terdedah, memindahkan corak topeng dengan tepat ke lapisan fotoresist. Masa pembangunan juga kritikal—terlalu singkat membawa kepada pembangunan tidak lengkap, terlalu lama menyebabkan herotan corak.

Selepas itu, pembakar keras menguatkan lampiran filem photoresist pada substrat dan meningkatkan rintangan goresannya. Suhu bakar keras biasanya lebih tinggi sedikit daripada suhu bakar.

Akhir sekali, pemeriksaan mikroskopik mengesahkan jika corak sejajar dengan jangkaan. Selepas corak dipindahkan ke bahan oleh proses lain, photoresist telah memenuhi tujuannya dan mesti dikeluarkan. Kaedah pelucutan termasuk basah (menggunakan pelarut organik yang kuat seperti aseton) dan kering (menggunakan plasma oksigen untuk menghilangkan filem).

2. Teknik Doping 

Doping amat diperlukan dalam teknologi semikonduktor, mengubah sifat elektrik bahan semikonduktor mengikut keperluan. Kaedah doping yang biasa termasuk penyebaran haba dan implantasi ion.

(1) Implantasi Ion 

Implantasi ion membius substrat semikonduktor dengan membedilnya dengan ion bertenaga tinggi. Berbanding dengan penyebaran haba, ia mempunyai banyak kelebihan. Ion, dipilih oleh penganalisis jisim, memastikan ketulenan doping yang tinggi. Sepanjang implantasi, substrat kekal pada suhu bilik atau sedikit di atas. Banyak filem pelekat boleh digunakan, seperti silikon dioksida (SiO2), silikon nitrida (Si3N4), dan photoresist, memberikan fleksibiliti tinggi dengan teknik topeng sejajar sendiri. Dos implan dikawal dengan tepat, dan pengedaran ion kekotoran yang ditanam adalah seragam dalam satah yang sama, menghasilkan kebolehulangan yang tinggi.

Kedalaman implantasi ditentukan oleh tenaga ion. Dengan mengawal selia tenaga dan dos, pengagihan ion kekotoran dalam substrat selepas implantasi boleh dimanipulasi. Implantasi berbilang dengan skema yang berbeza boleh dilakukan secara berterusan untuk mencapai pelbagai profil kekotoran. Terutama, dalam substrat kristal tunggal, jika arah implantasi selari dengan arah kristalografi, kesan penyaluran berlaku—sesetengah ion akan bergerak di sepanjang saluran, menjadikan kawalan kedalaman mencabar.

Untuk mengelakkan penyaluran, implantasi biasanya dilakukan pada sudut 7° kepada paksi utama substrat kristal tunggal atau dengan menutup substrat dengan lapisan amorf.

Walau bagaimanapun, implantasi ion boleh merosakkan struktur kristal substrat dengan ketara. Ion bertenaga tinggi, apabila berlanggar, memindahkan tenaga kepada nukleus dan elektron substrat, menyebabkan mereka meninggalkan kekisi dan membentuk pasangan kecacatan interstisial-kosong. Dalam kes yang teruk, struktur kristal di sesetengah kawasan mungkin musnah, membentuk zon amorf.

Kerosakan kekisi sangat mempengaruhi sifat elektrik bahan semikonduktor, seperti mengurangkan mobiliti pembawa atau jangka hayat pembawa bukan keseimbangan. Paling penting, majoriti kekotoran yang diimplan menduduki tapak interstisial yang tidak teratur, gagal membentuk doping yang berkesan. Oleh itu, pembaikan kerosakan kekisi selepas implantasi dan pengaktifan elektrik kekotoran adalah penting.

(2)Pemprosesan Terma Pantas (RTP)

 Penyepuhlindapan terma adalah kaedah paling berkesan untuk meminda kerosakan kekisi yang disebabkan oleh implantasi ion dan kekotoran yang mengaktifkan elektrik. Pada suhu tinggi, pasangan kecacatan interstisial-kekosongan dalam kekisi kristal substrat akan bergabung semula dan hilang; kawasan amorf juga akan terhablur semula dari sempadan dengan kawasan kristal tunggal melalui epitaksi fasa pepejal. Untuk mengelakkan bahan substrat daripada teroksida pada suhu tinggi, penyepuhlindapan haba mesti dijalankan dalam suasana vakum atau gas lengai. Penyepuhlindapan tradisional mengambil masa yang lama dan boleh menyebabkan pengagihan semula kekotoran yang ketara akibat resapan.

Kemunculanteknologi RTPmenangani isu ini, sebahagian besarnya mencapai pembaikan kerosakan kekisi dan pengaktifan kekotoran dalam tempoh penyepuhlindapan yang dipendekkan.

Bergantung kepada sumber haba,RTPdikategorikan kepada beberapa jenis: pengimbasan rasuk elektron, rasuk elektron dan ion berdenyut, laser berdenyut, laser gelombang berterusan, dan sumber cahaya tidak koheren jalur lebar (lampu halogen, pemanas grafit, lampu arka), dengan yang kedua adalah yang paling banyak digunakan. Sumber-sumber ini boleh memanaskan substrat kepada suhu yang diperlukan dalam sekelip mata, menyelesaikan penyepuhlindapan dalam masa yang singkat dan dengan berkesan mengurangkan resapan bendasing.

3. Teknik Pemendapan Filem

(1) Pemendapan Wap Kimia Dipertingkat Plasma (PECVD)

PECVD ialah satu bentuk teknik Pemendapan Wap Kimia (CVD) untuk pemendapan filem, dengan dua lagi ialah Atmospheric Pressure CVD (APCVD) dan Low Pressure CVD (LPCVD).

Pada masa ini, PECVD adalah yang paling banyak digunakan antara tiga jenis. Ia menggunakan plasma frekuensi radio (RF) untuk memulakan dan mengekalkan tindak balas kimia pada suhu yang agak rendah, justeru memudahkan pemendapan filem suhu rendah dengan kadar pemendapan yang tinggi. Skema peralatannya adalah seperti yang digambarkan. 

Filem yang dihasilkan melalui kaedah ini mempamerkan sifat lekatan dan elektrik yang luar biasa, mikroporositi minimum, keseragaman tinggi, dan keupayaan isian skala kecil yang teguh. Faktor yang mempengaruhi kualiti pemendapan PECVD termasuk suhu substrat, kadar aliran gas, tekanan, kuasa RF dan kekerapan.

(2) Sputtering 

Sputtering ialah kaedah Pemendapan Wap Fizikal (PVD). Ion bercas (biasanya ion Argon, Ar+) dipercepatkan dalam medan elektrik, memperoleh tenaga kinetik. Mereka diarahkan ke arah bahan sasaran, berlanggar dengan molekul sasaran dan menyebabkan mereka terkeluar dan tergagap-gagap. Molekul-molekul ini juga mempunyai tenaga kinetik yang ketara dan bergerak ke arah substrat, mengendap di atasnya.

Sumber kuasa sputtering yang biasa digunakan termasuk Arus Terus (DC) dan Frekuensi Radio (RF), di mana sputtering DC digunakan secara langsung pada bahan konduktif seperti logam, manakala bahan penebat memerlukan sputtering RF untuk pemendapan filem.

Sputtering konvensional mengalami kadar pemendapan yang rendah dan tekanan kerja yang tinggi, mengakibatkan kualiti filem yang lebih rendah. Magnetron sputtering menangani isu-isu ini dengan lebih ideal. Ia menggunakan medan magnet luaran untuk mengubah trajektori linear ion kepada laluan heliks di sekeliling arah medan magnet, memanjangkan laluannya dan meningkatkan kecekapan perlanggaran dengan molekul sasaran, dengan itu meningkatkan kecekapan sputtering. Ini menyebabkan kadar pemendapan meningkat, tekanan kerja berkurangan dan kualiti filem bertambah baik dengan ketara.

4. Goresan Teknik

Goresan dikelaskan kepada mod kering dan basah, dinamakan untuk penggunaan (atau kekurangan) penyelesaian khusus masing-masing.

Lazimnya, etsa memerlukan penyediaan lapisan topeng (yang secara langsung boleh menjadi photoresist) untuk melindungi kawasan yang tidak dimaksudkan untuk etsa.

(1) Goresan Kering

Jenis goresan kering biasa termasukGoresan Plasma Berganding Secara Induktif (ICP)., Ion Beam Etching (IBE), dan Reactive Ion Etching (RIE).

Dalam etsa ICP, plasma yang dihasilkan pelepasan cahaya mengandungi banyak radikal bebas yang sangat aktif secara kimia (atom bebas, molekul, atau kumpulan atom), yang bertindak balas secara kimia dengan bahan sasaran untuk membentuk produk yang meruap, sekali gus mencapai etsa.

IBE menggunakan ion bertenaga tinggi (terion daripada gas lengai) untuk terus mengebom permukaan bahan sasaran untuk goresan, mewakili proses fizikal.

RIE dianggap gabungan dua sebelumnya, menggantikan gas lengai yang digunakan dalam IBE dengan gas yang digunakan dalam etsa ICP, dengan itu membentuk RIE.

Untuk goresan kering, kadar goresan menegak jauh melebihi kadar sisi, iaitu, ia mempunyai nisbah aspek yang tinggi, membolehkan replikasi tepat corak topeng. Walau bagaimanapun, goresan kering turut menggores lapisan topeng, menunjukkan selektiviti yang lebih lemah (nisbah kadar goresan bahan sasaran kepada lapisan topeng), terutamanya dengan IBE, yang mungkin terukir secara tidak selektif merentasi permukaan bahan.

(2) Goresan Basah 

Goresan basah menandakan kaedah goresan yang dicapai dengan merendam bahan sasaran dalam larutan (etchant) yang bertindak balas secara kimia dengannya.

Kaedah etsa ini mudah, kos efektif dan menunjukkan selektiviti yang baik tetapi mempunyai nisbah aspek yang rendah. Bahan di bawah tepi topeng boleh terhakis, menjadikannya kurang tepat daripada etsa kering. Untuk mengurangkan kesan negatif nisbah aspek yang rendah, kadar goresan yang sesuai mesti dipilih. Faktor-faktor yang mempengaruhi kadar etsa termasuk kepekatan etsa, masa etsa, dan suhu etsa.**