Quy trình sản xuất chất bán dẫn

Bạn có thể hiểu được ngay cả khi chưa từng học vật lý hay toán học, nhưng nó khá đơn giản và phù hợp với người mới bắt đầu. Nếu muốn tìm hiểu thêm về CMOS, bạn cần đọc nội dung của số báo này, vì chỉ sau khi hiểu được quy trình sản xuất (tức là quy trình sản xuất diode) bạn mới có thể tiếp tục hiểu được nội dung tiếp theo. Vậy thì, trong số báo này, chúng ta hãy cùng tìm hiểu về cách CMOS được sản xuất tại các công ty đúc (lấy quy trình không tiên tiến làm ví dụ, CMOS của quy trình tiên tiến khác về cấu trúc và nguyên tắc sản xuất).

Trước hết, bạn cần biết rằng các tấm bán dẫn mà xưởng đúc nhận được từ nhà cung cấp (tấm siliconnhà cung cấp) được đặt từng cái một, với bán kính 200mm (8 inchnhà máy) hoặc 300mm (12 inch(nhà máy). Như hình dưới đây cho thấy, nó thực chất tương tự như một chiếc bánh lớn, mà chúng ta gọi là chất nền.

Tuy nhiên, nhìn theo cách này thì không thuận tiện. Ta sẽ nhìn từ dưới lên và xem xét mặt cắt ngang, ta có hình vẽ như sau.

Tiếp theo, chúng ta hãy xem mô hình CMOS trông như thế nào. Vì quy trình thực tế đòi hỏi hàng nghìn bước, nên ở đây tôi sẽ chỉ nói về các bước chính của tấm wafer 8 inch đơn giản nhất.

 

 

Tạo giếng và lớp nghịch đảo:

Tức là, giếng được cấy vào chất nền bằng phương pháp cấy ion (Cấy ion, sau đây gọi tắt là imp). Nếu muốn chế tạo NMOS, cần cấy các giếng loại P. Nếu muốn chế tạo PMOS, cần cấy các giếng loại N. Để tiện cho bạn, chúng ta hãy lấy NMOS làm ví dụ. Máy cấy ion sẽ cấy các nguyên tố loại P cần cấy vào chất nền đến độ sâu nhất định, sau đó nung nóng chúng ở nhiệt độ cao trong ống lò để kích hoạt các ion này và khuếch tán chúng ra xung quanh. Điều này hoàn thành quá trình tạo ra giếng. Đây là hình ảnh sau khi quá trình tạo giếng hoàn tất.

Sau khi tạo giếng, còn có các bước cấy ion khác, mục đích là để kiểm soát kích thước dòng điện kênh và điện áp ngưỡng. Mọi người có thể gọi đó là lớp nghịch đảo. Nếu muốn chế tạo NMOS, lớp nghịch đảo được cấy ion loại P, và nếu muốn chế tạo PMOS, lớp nghịch đảo được cấy ion loại N. Sau khi cấy ion, cấu trúc sẽ như sau.

Có rất nhiều nội dung ở đây, chẳng hạn như năng lượng, góc độ, nồng độ ion trong quá trình cấy ion, v.v., mà không được đề cập trong số báo này, và tôi tin rằng nếu bạn biết những điều đó, bạn hẳn là người trong ngành và phải có cách để tìm hiểu chúng.

 

Sản xuất SiO2:

Silicon dioxide (SiO2, sau đây gọi tắt là oxit) sẽ được tạo ra sau. Trong quy trình sản xuất CMOS, có nhiều cách để tạo ra oxit. Ở đây, SiO2 được sử dụng dưới cổng, và độ dày của nó ảnh hưởng trực tiếp đến điện áp ngưỡng và dòng điện kênh. Do đó, hầu hết các xưởng đúc đều chọn phương pháp oxy hóa trong ống lò nung vì đây là phương pháp có chất lượng cao nhất, kiểm soát độ dày chính xác nhất và độ đồng nhất tốt nhất ở bước này. Trên thực tế, phương pháp này rất đơn giản, đó là sử dụng nhiệt độ cao trong ống lò nung có chứa oxy để cho oxy và silicon phản ứng hóa học tạo ra SiO2. Bằng cách này, một lớp mỏng SiO2 được tạo ra trên bề mặt Si, như hình dưới đây.

Dĩ nhiên, ở đây cũng có rất nhiều thông tin cụ thể, chẳng hạn như cần bao nhiêu độ, cần bao nhiêu nồng độ oxy, cần duy trì nhiệt độ cao trong bao lâu, v.v. Nhưng đó không phải là điều chúng ta đang xem xét bây giờ, vì chúng quá cụ thể.

Sự hình thành đầu cổng Poly:

Nhưng mọi chuyện vẫn chưa kết thúc. SiO2 chỉ tương đương với một sợi chỉ, và cổng thực sự (Polysilicon) vẫn chưa bắt đầu. Vì vậy, bước tiếp theo của chúng ta là phủ một lớp polysilicon lên SiO2 (polysilicon cũng được cấu tạo từ một nguyên tố silicon duy nhất, nhưng cấu trúc mạng tinh thể khác nhau. Đừng hỏi tôi tại sao chất nền lại sử dụng silicon đơn tinh thể và cổng lại sử dụng polysilicon. Có một cuốn sách tên là Vật lý Bán dẫn. Bạn có thể tìm hiểu về nó. Thật là xấu hổ!). Polysilicon cũng là một mắt xích rất quan trọng trong CMOS, nhưng thành phần của polysilicon là Si, và nó không thể được tạo ra bằng phản ứng trực tiếp với chất nền Si như việc nuôi cấy SiO2. Điều này đòi hỏi phương pháp CVD (Chemical Vapor Deposition) huyền thoại, đó là phản ứng hóa học trong chân không và kết tủa vật thể được tạo ra trên tấm wafer. Trong ví dụ này, chất được tạo ra là polysilicon, và sau đó được kết tủa trên tấm wafer (ở đây tôi phải nói rằng polysilicon được tạo ra trong ống lò nung bằng CVD, vì vậy việc tạo ra polysilicon không được thực hiện bởi một máy CVD thuần túy).

Nhưng polysilicon được tạo thành bằng phương pháp này sẽ kết tủa trên toàn bộ bề mặt tấm wafer, và sau khi kết tủa sẽ trông như thế này.

 

Tiếp xúc với Poly và SiO2:

Ở bước này, cấu trúc thẳng đứng mà chúng ta mong muốn đã được hình thành, với lớp poly ở trên cùng, lớp SiO2 ở dưới cùng và lớp nền ở dưới cùng. Nhưng giờ toàn bộ tấm wafer đã như thế này, và chúng ta chỉ cần một vị trí cụ thể để tạo thành cấu trúc "vòi nước". Vì vậy, đây là bước quan trọng nhất trong toàn bộ quy trình - chiếu xạ.
Đầu tiên, chúng ta phủ một lớp chất cản quang lên bề mặt của tấm bán dẫn, và nó sẽ trở thành như thế này.

Sau đó, đặt mặt nạ đã định hình (mẫu mạch đã được định hình trên mặt nạ) lên trên, và cuối cùng chiếu sáng bằng ánh sáng có bước sóng xác định. Chất cản quang sẽ được kích hoạt trong vùng được chiếu sáng. Vì vùng bị mặt nạ che khuất không được chiếu sáng bởi nguồn sáng, nên phần chất cản quang này không được kích hoạt.

Vì chất cản quang đã được kích hoạt rất dễ bị rửa trôi bởi một loại dung dịch hóa học đặc biệt, trong khi chất cản quang chưa được kích hoạt thì không thể bị rửa trôi, nên sau khi chiếu xạ, một loại dung dịch đặc biệt được sử dụng để rửa trôi chất cản quang đã được kích hoạt, và cuối cùng nó trở thành như thế này, giữ lại chất cản quang ở những nơi cần giữ lại Poly và SiO2, và loại bỏ chất cản quang ở những nơi không cần giữ lại.