半導体プロセスフロー

物理学や数学を学んだことがなくても理解できますが、少し単純すぎるため、初心者向けです。CMOSについてもっと詳しく知りたい方は、ぜひ本誌の内容を読んでください。プロセスフロー（つまり、ダイオードの製造プロセス）を理解した上で初めて、以降の内容を理解できるからです。続いて、本誌では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のかを学びましょう（非先端プロセスを例に挙げると、先端プロセスのCMOSは構造や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ハ（シリコンウエハーサプライヤー）は、半径200mm（8インチ工場）または300mm（12インチ下の図に示すように、これは実際には大きなケーキのようなもので、これを基板と呼びます。

しかし、このままでは見づらいので、下から上に向かって断面図で見ると、次の図のようになります。

次に、CMOSモデルがどのように見えるかを見てみましょう。実際のプロセスは数千ステップを要するため、ここでは最も単純な8インチウェハの主要なステップについて説明します。

 

 

井戸と逆転層の作成：

つまり、イオン注入（Ion Implantation、以下imp）によって基板にウェルを注入します。NMOSを作成する場合は、P型ウェルを注入する必要があります。PMOSを作成する場合は、N型ウェルを注入する必要があります。便宜上、NMOSを例に挙げましょう。イオン注入機は、注入するP型元素を基板の特定の深さまで注入し、炉管内で高温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。これが製造完了後の様子です。

ウェルを作製した後、さらにイオン注入工程があり、その目的はチャネル電流の大きさと閾値電圧を制御することです。これを反転層と呼ぶことができます。NMOSを作る場合は反転層にP型イオンを注入し、PMOSを作る場合は反転層にN型イオンを注入します。注入後、以下の図のような構造になります。

この号には掲載されていないエネルギー、角度、イオン注入時のイオン濃度など多くの内容があり、それらを知っている人はきっとインサイダーであり、それを学ぶ方法があるはずだと私は信じています。

 

SiO2の製造:

二酸化シリコン（SiO2、以下、酸化物）は後で作られます。CMOS製造プロセスでは、酸化物を作る方法が数多くあります。ここでは、ゲートの下にSiO2が使用され、その厚さはしきい値電圧の大きさ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はこの段階で、最高の品質、最も正確な厚さ制御、そして最高の均一性を備えた炉管酸化法を選択します。実際には、それは非常に単純です。つまり、酸素を含む炉管内で高温を使用して酸素とシリコンを化学反応させてSiO2を生成します。このようにして、下の図に示すように、Siの表面にSiO2の薄い層が生成されます。

もちろん、ここには、必要な温度、必要な酸素濃度、高温がどのくらいの時間必要かなど、具体的な情報もたくさんあります。これらは私たちが今検討していることではありません。あまりに具体的すぎるからです。

ゲートエンドポリの形成：

しかし、まだ終わりではありません。SiO2は単なる糸に相当するもので、実際のゲート（ポリ）はまだ始まっていません。そこで次のステップは、SiO2上にポリシリコンの層を置くことです（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。なぜ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のかは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〜）。ポリはCMOSでも非常に重要なリンクですが、ポリの成分はSiであり、SiO2を成長させるように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、真空中で化学的に反応させて生成物をウェハ上に沈殿させるという伝説のCVD（化学気相成長）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、その後ウェーハ上に沈殿します（ここで、ポリは CVD によって炉管内で生成されるため、ポリの生成は純粋な CVD マシンによって行われるのではないことを述べておきます）。

しかし、この方法で形成されたポリシリコンはウェハ全体に析出することになり、析出後はこのように見えます。

 

ポリとSiO2の露出：

この段階で、私たちが求めている垂直構造、つまり上面にポリシリコン、下面にSiO2、そして下面に基板が既に形成されています。しかし、これでウェーハ全体がこの状態になり、あとは特定の位置を「蛇口」構造にするだけで済みます。つまり、プロセス全体の中で最も重要なステップ、つまり露光工程が残ります。
まず、ウエハの表面にフォトレジストを塗ります。すると、このようになります。

次に、回路パターンが定義されたマスクをその上に置き、特定の波長の光を照射します。照射された部分のフォトレジストは活性化されます。マスクで遮られた部分は光源からの光が当たらないため、このフォトレジストは活性化されません。

特に活性化フォトレジストは特定の薬液で洗い流されやすいのに対し、未活性化フォトレジストは洗い流されないため、照射後、特定の薬液で活性化フォトレジストを洗い流し、最終的にPolyとSiO2を保持する必要のある部分のフォトレジストを残し、保持する必要のない部分のフォトレジストを除去するということになります。