แผนผังกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์

คุณสามารถเข้าใจได้แม้ว่าคุณจะไม่เคยเรียนฟิสิกส์หรือคณิตศาสตร์มาก่อน แต่เนื้อหาค่อนข้างง่ายและเหมาะสำหรับผู้เริ่มต้น หากคุณต้องการเรียนรู้เพิ่มเติมเกี่ยวกับ CMOS คุณต้องอ่านเนื้อหาในฉบับนี้ เพราะหลังจากเข้าใจขั้นตอนการผลิต (นั่นคือ กระบวนการผลิตไดโอด) แล้ว คุณจึงจะสามารถเข้าใจเนื้อหาต่อไปได้ ดังนั้นในฉบับนี้เรามาเรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการผลิต CMOS ในบริษัทผู้ผลิต (โดยยกตัวอย่างกระบวนการผลิตแบบไม่ขั้นสูง ส่วน CMOS ที่ผลิตด้วยกระบวนการขั้นสูงนั้นจะมีโครงสร้างและหลักการผลิตที่แตกต่างกัน)

ก่อนอื่น คุณต้องรู้ว่าแผ่นเวเฟอร์ที่โรงหล่อได้รับจากซัพพลายเออร์ (แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนซัพพลายเออร์) ทีละชิ้น โดยมีรัศมี 200 มม. (8 นิ้วโรงงาน) หรือ 300 มม. (12 นิ้ว(โรงงาน) ดังแสดงในรูปด้านล่าง มันมีลักษณะคล้ายเค้กก้อนใหญ่ ซึ่งเราเรียกว่าวัสดุตั้งต้น

อย่างไรก็ตาม การมองแบบนี้ไม่สะดวกสำหรับเรา เราควรพิจารณาจากด้านล่างขึ้นไป และมองในมุมมองแบบตัดขวาง ซึ่งจะได้เป็นภาพต่อไปนี้

ต่อไป เรามาดูกันว่าโมเดล CMOS มีลักษณะอย่างไร เนื่องจากกระบวนการจริงนั้นต้องใช้ขั้นตอนนับพันขั้นตอน ดังนั้นในที่นี้ผมจะกล่าวถึงขั้นตอนหลักๆ ของเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้วที่ง่ายที่สุดเท่านั้น

 

 

การสร้างบ่อและชั้นผกผัน:

กล่าวคือ มีการฝังไอออนลงในวัสดุรองรับ (การฝังไอออน หรือเรียกย่อว่า imp) หากต้องการสร้าง NMOS จะต้องฝังไอออนชนิด P หากต้องการสร้าง PMOS จะต้องฝังไอออนชนิด N เพื่อความสะดวก เราจะใช้ NMOS เป็นตัวอย่าง เครื่องฝังไอออนจะฝังไอออนชนิด P ลงในวัสดุรองรับที่ความลึกที่กำหนด จากนั้นให้ความร้อนสูงในท่อเตาเพื่อกระตุ้นไอออนและกระจายไปทั่ว ขั้นตอนนี้ทำให้การสร้างบ่อไอออนเสร็จสมบูรณ์ นี่คือลักษณะหลังจากกระบวนการผลิตเสร็จสมบูรณ์

หลังจากสร้างบ่อแล้ว ยังมีขั้นตอนการฝังไอออนอื่นๆ อีก ซึ่งมีจุดประสงค์เพื่อควบคุมขนาดของกระแสช่องสัญญาณและแรงดันเกณฑ์ เราอาจเรียกขั้นตอนนี้ว่าชั้นผกผัน ถ้าต้องการสร้าง NMOS ชั้นผกผันจะถูกฝังด้วยไอออนชนิด P และถ้าต้องการสร้าง PMOS ชั้นผกผันจะถูกฝังด้วยไอออนชนิด N หลังจากฝังไอออนแล้ว จะได้แบบจำลองดังต่อไปนี้

ยังมีเนื้อหาอีกมากมาย เช่น พลังงาน มุม ความเข้มข้นของไอออนระหว่างการฝังไอออน ฯลฯ ซึ่งไม่ได้กล่าวถึงในฉบับนี้ และผมเชื่อว่าหากคุณรู้เรื่องเหล่านั้น คุณต้องเป็นคนวงใน และต้องมีวิธีที่จะเรียนรู้เรื่องเหล่านั้นได้

 

การผลิต SiO2:

ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2 ซึ่งต่อไปนี้จะเรียกว่าออกไซด์) จะถูกสร้างขึ้นในภายหลัง ในกระบวนการผลิต CMOS มีหลายวิธีในการสร้างออกไซด์ ในที่นี้ SiO2 ถูกใช้ใต้เกต และความหนาของมันส่งผลโดยตรงต่อขนาดของแรงดันเกณฑ์และขนาดของกระแสช่องสัญญาณ ดังนั้น โรงงานผลิตส่วนใหญ่จึงเลือกวิธีการออกซิเดชันในท่อเตาเผา เนื่องจากมีคุณภาพสูงสุด ควบคุมความหนาได้แม่นยำที่สุด และมีความสม่ำเสมอดีที่สุดในขั้นตอนนี้ ในความเป็นจริง มันง่ายมาก กล่าวคือ ในท่อเตาเผาที่มีออกซิเจน จะใช้ความร้อนสูงเพื่อให้ออกซิเจนและซิลิคอนทำปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อสร้าง SiO2 ด้วยวิธีนี้ ชั้นบางๆ ของ SiO2 จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของ Si ดังแสดงในรูปด้านล่าง

แน่นอนว่ายังมีข้อมูลเฉพาะเจาะจงอีกมากมาย เช่น อุณหภูมิที่ต้องการ ความเข้มข้นของออกซิเจนที่จำเป็น ระยะเวลาที่ต้องคงอุณหภูมิสูง ฯลฯ แต่เราไม่ได้พิจารณาข้อมูลเหล่านั้นในตอนนี้ เพราะมันเฉพาะเจาะจงเกินไป

การสร้างปลายประตูโพลี:

แต่เรื่องยังไม่จบแค่นั้น SiO2 เปรียบเสมือนเส้นใย และเกตจริง (โพลีซิลิคอน) ยังไม่ได้เริ่มต้น ดังนั้นขั้นตอนต่อไปของเราคือการวางชั้นโพลีซิลิคอนลงบน SiO2 (โพลีซิลิคอนก็ประกอบด้วยธาตุซิลิคอนเดี่ยวเช่นกัน แต่การจัดเรียงโครงสร้างผลึกแตกต่างกัน อย่าถามผมว่าทำไมซับสเตรตถึงใช้ซิลิคอนผลึกเดี่ยวและเกตใช้โพลีซิลิคอน มีหนังสือชื่อ Semiconductor Physics คุณสามารถหาข้อมูลเพิ่มเติมได้ มันน่าอายนะ~) โพลีซิลิคอนก็เป็นส่วนประกอบที่สำคัญมากใน CMOS เช่นกัน แต่ส่วนประกอบของโพลีซิลิคอนคือ Si และไม่สามารถสร้างขึ้นได้โดยปฏิกิริยาโดยตรงกับซับสเตรต Si เหมือนกับการปลูก SiO2 ต้องใช้กระบวนการ CVD (Chemical Vapor Deposition) ซึ่งเป็นการทำปฏิกิริยาทางเคมีในสุญญากาศและตกตะกอนวัตถุที่เกิดขึ้นบนเวเฟอร์ ในตัวอย่างนี้ สารที่เกิดขึ้นคือโพลีซิลิคอน จากนั้นจึงตกตะกอนลงบนเวเฟอร์ (ตรงนี้ต้องบอกว่าโพลีซิลิคอนถูกสร้างขึ้นในท่อเตาเผาโดยกระบวนการ CVD ดังนั้นการสร้างโพลีซิลิคอนจึงไม่ได้ทำโดยเครื่อง CVD บริสุทธิ์)

แต่โพลีซิลิคอนที่เกิดขึ้นจากวิธีนี้จะตกตะกอนลงบนแผ่นเวเฟอร์ทั้งหมด และจะมีลักษณะเช่นนี้หลังจากตกตะกอนแล้ว

 

การเปิดเผยโพลีและ SiO2:

ในขั้นตอนนี้ โครงสร้างแนวตั้งที่เราต้องการได้ถูกสร้างขึ้นแล้ว โดยมีโพลีเมอร์อยู่ด้านบน ซิลิกาออกไซด์ (SiO2) อยู่ด้านล่าง และซับสเตรตอยู่ด้านล่างสุด แต่ตอนนี้เวเฟอร์ทั้งหมดเป็นแบบนี้แล้ว และเราต้องการเพียงตำแหน่งเฉพาะที่จะเป็นโครงสร้าง "ก๊อกน้ำ" ดังนั้นขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในกระบวนการทั้งหมดคือ การฉายแสง
ขั้นแรก เราจะเคลือบสารไวแสงลงบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ แล้วมันจะออกมาเป็นแบบนี้

จากนั้นวางแผ่นปิดวงจรที่กำหนดไว้ (รูปแบบวงจรได้ถูกกำหนดไว้บนแผ่นปิดวงจรแล้ว) ลงบนชิ้นงาน และสุดท้ายฉายแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะลงไป สารไวแสงจะทำงานในบริเวณที่ได้รับแสง เนื่องจากบริเวณที่ถูกแผ่นปิดวงจรปิดไว้ไม่ได้รับแสงจากแหล่งกำเนิดแสง สารไวแสงในส่วนนั้นจึงไม่ทำงาน

เนื่องจากโฟโตเรซิสต์ที่ถูกกระตุ้นแล้วสามารถล้างออกได้ง่ายเป็นพิเศษด้วยของเหลวเคมีชนิดพิเศษ ในขณะที่โฟโตเรซิสต์ที่ยังไม่ถูกกระตุ้นนั้นไม่สามารถล้างออกได้ ดังนั้นหลังจากการฉายรังสี จึงใช้ของเหลวชนิดพิเศษในการล้างโฟโตเรซิสต์ที่ถูกกระตุ้นแล้วออกไป และในที่สุดก็จะได้ผลลัพธ์เช่นนี้ โดยคงโฟโตเรซิสต์ไว้ในบริเวณที่ต้องการรักษาโพลีและ SiO2 ไว้ และกำจัดโฟโตเรซิสต์ออกไปในบริเวณที่ไม่จำเป็นต้องรักษาไว้