半導体製造プロセスフロー

物理学や数学を学んだことがなくても理解できますが、少し簡単すぎて初心者向けです。CMOSについてもっと知りたい場合は、この号の内容を読む必要があります。なぜなら、プロセスフロー（つまり、ダイオードの製造プロセス）を理解して初めて、以降の内容を理解できるからです。それでは、この号でファウンドリ企業でこのCMOSがどのように製造されているかを学びましょう（非先進プロセスを例にとり、先進プロセスのCMOSは構造と製造原理が異なります）。

まず、ファウンドリがサプライヤーから入手するウェーハは（シリコンウェハー供給業者) は、半径 200mm で 1 つずつです (8インチ工場) または 300mm (12インチ工場）。下の図に示すように、実際には大きなケーキに似ており、これを基板と呼びます。

しかし、このように見るのは都合が悪い。下から上へと見て、断面図を見ると、次の図のようになる。

次に、CMOSモデルがどのように見えるかを見ていきましょう。実際のプロセスは何千ものステップを必要とするため、ここでは最もシンプルな8インチウェハーの主要なステップについて説明します。

 

 

井戸の形成と逆転層：

つまり、イオン注入（以下、impと略す）によって基板にウェルを注入します。NMOSを作るにはP型ウェルを注入する必要があり、PMOSを作るにはN型ウェルを注入する必要があります。ここでは便宜上、NMOSを例にとります。イオン注入装置は、注入するP型元素を基板に特定の深さまで注入し、炉管内で高温に加熱してこれらのイオンを活性化し、周囲に拡散させます。これでウェルの製造が完了します。製造完了後の様子は以下のようになります。

ウェルを作製した後、チャネル電流としきい値電圧の大きさを制御することを目的としたイオン注入工程が続きます。これを反転層と呼びます。NMOSを作製する場合は反転層にP型イオンを注入し、PMOSを作製する場合は反転層にN型イオンを注入します。注入後の構造は以下のようになります。

エネルギー、角度、イオン注入時のイオン濃度など、この号には含まれていない内容が数多くありますが、それらを知っている人はきっと業界関係者であり、それらを学ぶ方法を持っているはずです。

 

SiO2の製造：

二酸化ケイ素（SiO2、以下酸化物と呼ぶ）は後ほど製造します。CMOS製造プロセスでは、酸化物を製造する方法は数多くあります。ここでは、SiO2はゲートの下に使用され、その厚さはしきい値電圧とチャネル電流の大きさに直接影響します。そのため、ほとんどのファウンドリでは、この工程において、最高品質、最も精密な厚さ制御、そして最高の均一性を実現する炉管酸化法を選択しています。実際には非常にシンプルで、酸素を含む炉管内で高温を用いることで、酸素とシリコンが化学反応を起こし、SiO2を生成します。このようにして、下図に示すように、Si表面に薄いSiO2層が生成されます。

もちろん、ここには必要な温度、必要な酸素濃度、必要な高温時間など、多くの具体的な情報も含まれています。しかし、これらはあまりにも具体的すぎるため、今は検討対象としていません。

ゲートエンドポリの形成:

しかし、これで終わりではありません。SiO2は単なる糸に過ぎず、実際のゲート（ポリシリコン）はまだ始まっていません。そこで、次のステップはSiO2の上にポリシリコン層を形成することです（ポリシリコンも単一のシリコン元素で構成されていますが、格子配列が異なります。基板に単結晶シリコンを使用し、ゲートにポリシリコンを使用する理由については、私に聞かないでください。半導体物理学という本があります。それについて学ぶことができます。恥ずかしいです～）。ポリシリコンもCMOSにおいて非常に重要なリンクですが、ポリシリコンの構成要素はSiであり、SiO2の成長のようにSi基板と直接反応して生成することはできません。これには、真空中で化学反応を起こし、生成された物体をウェーハ上に析出させる、伝説的なCVD（化学気相成長法）が必要です。この例では、生成された物質はポリシリコンであり、それがウェーハ上に析出します（ここで述べておくべきことは、ポリシリコンはCVDによって炉管内で生成されるため、純粋なCVD装置によって生成されるわけではないということです）。

しかし、この方法で形成されたポリシリコンはウェーハ全体に析出し、析出後はこのような状態になります。

 

ポリとSiO2の露出：

この段階で、目的とする垂直構造が実際に形成されています。上部にポリシリコン、下部にSiO2、そして下部に基板が配置されています。しかし、この状態ではウェハー全体がこの状態であり、必要なのは特定の箇所を「蛇口」構造にすることだけです。そこで、全工程の中で最も重要なステップである露光工程が始まります。
まず、ウェハの表面にフォトレジストの層を塗布すると、このようになります。

次に、定義されたマスク（マスク上に回路パターンが定義されている）をその上に置き、最後に特定の波長の光を照射します。照射された領域のフォトレジストが活性化されます。マスクによって遮られた領域は光源からの光が当たらないため、この部分のフォトレジストは活性化されません。

活性化されたフォトレジストは特定の化学液で容易に洗い流せるのに対し、未活性化のフォトレジストは洗い流せないため、照射後、特定の液体を用いて活性化されたフォトレジストを洗い流すことで、最終的にポリとSiO2を保持する必要がある箇所にはフォトレジストを残し、保持する必要のない箇所にはフォトレジストを除去するという状態になる。