การไหลของกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์

แม้ว่าคุณจะไม่เคยศึกษาวิชาฟิสิกส์หรือคณิตศาสตร์มาก่อน คุณก็สามารถเข้าใจได้ แต่เรื่องนี้ค่อนข้างง่ายเกินไปและเหมาะสำหรับผู้เริ่มต้น หากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ CMOS คุณต้องอ่านเนื้อหาของฉบับนี้ เนื่องจากคุณจะต้องทำความเข้าใจขั้นตอนการผลิต (นั่นคือกระบวนการผลิตไดโอด) ก่อน จากนั้นเรามาเรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการผลิต CMOS ในบริษัทหล่อในฉบับนี้กัน (โดยยกตัวอย่างกระบวนการที่ไม่ก้าวหน้า CMOS ของกระบวนการขั้นสูงจะมีโครงสร้างและหลักการผลิตที่แตกต่างกัน)

ก่อนอื่นคุณต้องรู้ว่าเวเฟอร์ที่โรงหล่อได้รับจากซัพพลายเออร์ (เวเฟอร์ซิลิคอนซัพพลายเออร์) เป็นแบบชิ้นต่อชิ้น รัศมี 200มม. (ขนาด 8 นิ้วโรงงาน) หรือ 300มม. (ขนาด 12 นิ้วโรงงาน) ตามที่แสดงในภาพด้านล่างนี้ จริงๆ แล้วมันก็คล้ายกับเค้กขนาดใหญ่ ซึ่งเราเรียกว่าพื้นผิว

อย่างไรก็ตาม ไม่สะดวกที่เราจะมองในลักษณะนี้ เราลองมองจากล่างขึ้นบนและมองที่มุมมองหน้าตัดซึ่งจะกลายเป็นรูปต่อไปนี้

ต่อไปเรามาดูกันว่าโมเดล CMOS มีลักษณะอย่างไร เนื่องจากกระบวนการจริงต้องมีขั้นตอนหลายพันขั้นตอน ฉันจะพูดถึงขั้นตอนหลักของเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้วที่ง่ายที่สุดที่นี่

 

 

การทำบ่อน้ำและชั้นการกลับด้าน:

นั่นคือหลุมจะถูกฝังลงในสารตั้งต้นโดยการฝังไอออน (Ion Implantation ต่อไปนี้จะเรียกว่า imp) หากคุณต้องการสร้าง NMOS คุณจะต้องฝังหลุมประเภท P หากคุณต้องการสร้าง PMOS คุณจะต้องฝังหลุมประเภท N เพื่อความสะดวกของคุณ ลองใช้ NMOS เป็นตัวอย่าง เครื่องฝังไอออนจะฝังองค์ประกอบประเภท P ที่จะฝังลงในสารตั้งต้นจนถึงความลึกที่กำหนด จากนั้นจึงให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงในท่อเตาเผาเพื่อกระตุ้นไอออนเหล่านี้และแพร่กระจายไปทั่ว การผลิตหลุมจะเสร็จสมบูรณ์ นี่คือลักษณะหลังจากการผลิตเสร็จสิ้น

หลังจากสร้างบ่อน้ำแล้ว ยังมีขั้นตอนการฝังไอออนอื่นๆ ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อควบคุมขนาดของกระแสช่องและแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์ ทุกคนสามารถเรียกสิ่งนี้ว่าชั้นผกผัน หากคุณต้องการสร้าง NMOS ชั้นผกผันจะถูกฝังด้วยไอออนประเภท P และหากคุณต้องการสร้าง PMOS ชั้นผกผันจะถูกฝังด้วยไอออนประเภท N หลังจากการฝังแล้ว จะเป็นแบบจำลองต่อไปนี้

มีเนื้อหาอีกมากมายที่นี่ เช่น พลังงาน มุม ความเข้มข้นของไอออนในระหว่างการฝังไอออน ฯลฯ ที่ไม่ได้รวมอยู่ในฉบับนี้ และผมเชื่อว่าหากคุณรู้เรื่องเหล่านี้ คุณต้องเป็นคนใน และคุณต้องมีวิธีในการเรียนรู้เกี่ยวกับสิ่งเหล่านี้

 

การทำ SiO2:

ซิลิกอนไดออกไซด์ (SiO2 ต่อไปนี้เรียกว่าออกไซด์) จะถูกผลิตในภายหลัง ในกระบวนการผลิต CMOS มีหลายวิธีในการผลิตออกไซด์ ในที่นี้ SiO2 ถูกใช้ภายใต้เกต และความหนาของมันส่งผลโดยตรงต่อขนาดของแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์และขนาดของกระแสช่อง ดังนั้นโรงหล่อส่วนใหญ่จึงเลือกวิธีการออกซิเดชันของท่อเตาที่มีคุณภาพสูงสุด ควบคุมความหนาได้อย่างแม่นยำที่สุด และความสม่ำเสมอที่ดีที่สุดในขั้นตอนนี้ ในความเป็นจริง มันง่ายมาก นั่นคือ ในท่อเตาที่มีออกซิเจน จะใช้ความร้อนสูงเพื่อให้ออกซิเจนและซิลิกอนทำปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อสร้าง SiO2 ด้วยวิธีนี้ ชั้นบาง ๆ ของ SiO2 จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของ Si ดังที่แสดงในรูปด้านล่าง

แน่นอนว่ายังมีข้อมูลเฉพาะเจาะจงมากมายที่นี่ เช่น ต้องใช้กี่องศา ต้องใช้ออกซิเจนเข้มข้นแค่ไหน ต้องใช้อุณหภูมิสูงเป็นเวลานานเท่าใด ฯลฯ ซึ่งสิ่งเหล่านี้ไม่ใช่สิ่งที่เรากำลังพิจารณาอยู่ในขณะนี้ เพราะมันเจาะจงเกินไป

การก่อตัวของเกตเอนด์โพลี:

แต่ยังไม่จบแค่นั้น SiO2 เป็นเพียงเธรด และเกตจริง (Poly) ยังไม่เริ่มทำงาน ดังนั้นขั้นตอนต่อไปของเราคือการวางชั้นของโพลีซิลิคอนบน SiO2 (โพลีซิลิคอนประกอบด้วยธาตุซิลิคอนเพียงชนิดเดียวเช่นกัน แต่การจัดเรียงโครงตาข่ายนั้นแตกต่างกัน อย่าถามฉันว่าทำไมซับสเตรตจึงใช้ซิลิคอนผลึกเดี่ยวและเกตจึงใช้โพลีซิลิคอน มีหนังสือชื่อว่า Semiconductor Physics คุณสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับเรื่องนี้ได้ น่าอายจัง~) โพลียังเป็นข้อต่อที่สำคัญมากใน CMOS แต่องค์ประกอบของโพลีคือ Si และไม่สามารถสร้างขึ้นได้โดยปฏิกิริยาโดยตรงกับซับสเตรต SiO2 เช่น การเจริญเติบโตของ SiO2 ซึ่งต้องใช้ CVD (Chemical Vapor Deposition) ในตำนาน ซึ่งก็คือการทำปฏิกิริยาทางเคมีในสุญญากาศและตกตะกอนวัตถุที่สร้างขึ้นบนเวเฟอร์ ในตัวอย่างนี้ สารที่สร้างขึ้นคือโพลีซิลิกอน และเกิดการตกตะกอนบนเวเฟอร์ (ในที่นี้ ฉันต้องบอกว่าโพลีถูกสร้างขึ้นในท่อเตาโดย CVD ดังนั้นการสร้างโพลีจึงไม่ได้ทำโดยเครื่อง CVD บริสุทธิ์)

แต่โพลีซิลิกอนที่เกิดจากวิธีนี้จะตกตะกอนบนเวเฟอร์ทั้งหมด และจะมีลักษณะเช่นนี้หลังจากการตกตะกอน

 

การสัมผัสกับโพลีและ SiO2:

ในขั้นตอนนี้ โครงสร้างแนวตั้งที่เราต้องการได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว โดยมีโพลีอยู่ด้านบน ซิลิกอนไดออกไซด์อยู่ด้านล่าง และสารตั้งต้นอยู่ด้านล่าง แต่ตอนนี้ เวเฟอร์ทั้งหมดเป็นแบบนี้ และเราต้องการเพียงตำแหน่งเฉพาะเพื่อให้เป็นโครงสร้าง "ก๊อกน้ำ" ดังนั้น ขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในกระบวนการทั้งหมดคือ การเปิดรับแสง
ขั้นแรกเราจะทาชั้นโฟโตเรซิสต์ลงบนพื้นผิวของเวเฟอร์ แล้วก็จะได้แบบนี้

จากนั้นใส่หน้ากากที่กำหนดไว้ (รูปแบบวงจรได้รับการกำหนดไว้บนหน้ากาก) ลงไป แล้วฉายแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะลงไป โฟโตรีซิสต์จะถูกกระตุ้นในบริเวณที่ถูกฉายแสง เนื่องจากบริเวณที่ถูกปิดกั้นโดยหน้ากากไม่ได้รับแสงจากแหล่งกำเนิดแสง โฟโตรีซิสต์ชิ้นนี้จึงไม่ถูกกระตุ้น

เนื่องจากโฟโตเรซิสต์ที่ถูกกระตุ้นนั้นสามารถถูกชะล้างออกไปได้ง่ายเป็นพิเศษด้วยของเหลวเคมีเฉพาะ ในขณะที่โฟโตเรซิสต์ที่ไม่ได้ถูกกระตุ้นนั้นไม่สามารถถูกชะล้างออกไปได้ หลังจากการฉายรังสี จะมีการใช้ของเหลวเฉพาะเพื่อชะล้างโฟโตเรซิสต์ที่ถูกกระตุ้นออกไป และในที่สุดจะกลายเป็นแบบนี้ โดยปล่อยให้โฟโตเรซิสต์อยู่ตรงที่ต้องคงไว้ซึ่งโพลีและ SiO2 และกำจัดโฟโตเรซิสต์ตรงที่ไม่จำเป็นต้องคงไว้