Quy trình sản xuất chất bán dẫn

Bạn có thể hiểu được ngay cả khi bạn chưa từng học vật lý hoặc toán học, nhưng nó hơi đơn giản và phù hợp với người mới bắt đầu. Nếu bạn muốn biết thêm về CMOS, bạn phải đọc nội dung của vấn đề này, vì chỉ sau khi hiểu được luồng quy trình (tức là quy trình sản xuất diode), bạn mới có thể tiếp tục hiểu nội dung sau. Sau đó, chúng ta hãy tìm hiểu về cách sản xuất CMOS này trong công ty đúc trong vấn đề này (lấy quy trình không tiên tiến làm ví dụ, CMOS của quy trình tiên tiến có cấu trúc và nguyên lý sản xuất khác).

Trước hết, bạn phải biết rằng các tấm wafer mà xưởng đúc nhận được từ nhà cung cấp (tấm siliconnhà cung cấp) là một cái một, với bán kính 200mm (8 inchnhà máy) hoặc 300mm (12 inchnhà máy). Như thể hiện trong hình bên dưới, nó thực sự giống như một chiếc bánh lớn, mà chúng ta gọi là giá thể.

Tuy nhiên, không tiện để chúng ta nhìn theo cách này. Chúng ta nhìn từ dưới lên và nhìn vào mặt cắt ngang, trở thành hình sau.

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

 

 

Tạo lớp giếng và lớp đảo ngược:

Tức là, giếng được cấy vào chất nền bằng phương pháp cấy ion (Ion Implantation, sau đây gọi tắt là imp). Nếu bạn muốn tạo NMOS, bạn cần cấy các giếng loại P. Nếu bạn muốn tạo PMOS, bạn cần cấy các giếng loại N. Để thuận tiện, chúng ta hãy lấy NMOS làm ví dụ. Máy cấy ion cấy các thành phần loại P cần cấy vào chất nền ở độ sâu cụ thể, sau đó nung nóng chúng ở nhiệt độ cao trong ống lò để kích hoạt các ion này và khuếch tán chúng xung quanh. Như vậy là hoàn thành quá trình sản xuất giếng. Đây là hình ảnh sau khi quá trình sản xuất hoàn tất.

Sau khi tạo giếng, có các bước cấy ion khác, mục đích là để kiểm soát kích thước của dòng điện kênh và điện áp ngưỡng. Mọi người có thể gọi đó là lớp đảo ngược. Nếu bạn muốn tạo NMOS, lớp đảo ngược được cấy ion loại P, và nếu bạn muốn tạo PMOS, lớp đảo ngược được cấy ion loại N. Sau khi cấy, đó là mô hình sau.

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

 

Sản xuất SiO2:

Silic dioxit (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 kích thước của điện áp ngưỡng và kích thước của dòng kênh. Do đó, hầu hết các xưởng đúc đều chọn phương pháp oxy hóa ống lò có chất lượng cao nhất, kiểm soát độ dày chính xác nhất và độ đồng đều tốt nhất ở bước này. Trên thực tế, nó rất đơn giản, nghĩa là trong ống lò có oxy, nhiệt độ cao được sử dụng để cho phép oxy và silicon phản ứng hóa học để tạo ra SiO2. Theo cách này, một lớp SiO2 mỏng được tạo ra trên bề mặt Si, như thể hiện trong hình bên dưới.

Tất nhiên, cũng có rất nhiều thông tin cụ thể ở đây, chẳng hạn như cần bao nhiêu độ, cần bao nhiêu nồng độ oxy, cần nhiệt độ cao trong bao lâu, v.v. Đây không phải là những gì chúng ta đang xem xét bây giờ, chúng quá cụ thể.

Hình thành cổng cuối Poly:

Nhưng vẫn chưa kết thúc. SiO2 chỉ tương đương với một sợi chỉ, và cổng thực sự (Poly) vẫn chưa bắt đầu. Vì vậy, bước tiếp theo của chúng ta là đặt một lớp polysilicon lên SiO2 (polysilicon cũng được tạo thành từ một thành phần silicon đơn lẻ, nhưng cách sắp xếp mạng tinh thể thì khác. Đừng hỏi tôi tại sao chất nền sử dụng silicon đơn tinh thể và cổng sử dụng polysilicon. Có một cuốn sách có tên là Vật lý bán dẫn. Bạn có thể tìm hiểu về nó. Thật xấu hổ ~). Poly cũng là một liên kết rất quan trọng trong CMOS, nhưng thành phần của poly là Si và nó không thể được tạo ra bằng phản ứng trực tiếp với chất nền Si như phát triển SiO2. Điều này đòi hỏi CVD (Lắng đọng hơi hóa học) huyền thoại, tức 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, sau đó kết tủa trên tấm wafer (ở đây tôi phải nói rằng poly được tạo ra trong ống lò bằng CVD, vì vậy việc tạo ra poly không được thực hiện bằng máy CVD thuần túy).

Nhưng polysilicon được hình thành theo phương pháp này sẽ được kết tủa trên toàn bộ tấm wafer và trông như thế này sau khi kết tủa.

 

Tiếp xúc với Poly và SiO2:

Ở bước này, cấu trúc thẳng đứng mà chúng ta mong muốn thực sự đã được hình thành, với poly ở trên cùng, SiO2 ở dưới cùng và chất nền ở dưới cùng. Nhưng bây giờ toàn bộ wafer giống như thế này và chúng ta chỉ cần một vị trí cụ thể để trở thành cấu trúc "vòi". Vì vậy, có bước quan trọng nhất trong toàn bộ quá trình - phơi sáng.
Đầu tiên, chúng tôi trải một lớp chất cản quang lên bề mặt của tấm wafer và nó sẽ trông như thế này.

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

Vì lớp cản quang đã hoạt hóa đặc biệt dễ bị rửa trôi bởi một loại dung dịch hóa học cụ thể, trong khi lớp cản quang chưa hoạt hóa không thể bị rửa trôi, sau khi chiếu xạ, người ta dùng một loại dung dịch cụ thể để rửa trôi lớp cản quang đã hoạt hóa, và cuối cùng nó sẽ như thế này, để lại lớp cản quang ở nơi cần giữ lại Poly và SiO2, và loại bỏ lớp cản quang ở nơi không cần giữ lại.