Inzicht in het volledige fabricageproces van halfgeleiderapparaten

1. Fotolithografie 

Fotolithografie, vaak synoniem met het genereren van patronen, is een van de meest kritische drijvende krachten achter de snelle vooruitgang van de halfgeleidertechnologie, die voortkomt uit fotografische plaatproductieprocessen bij het printen. Deze techniek maakt de presentatie mogelijk van elk patroon op micro- of nanoschaal met behulp van fotoresist, en in combinatie met andere procestechnologieën, brengt deze patronen over op materialen, waardoor verschillende ontwerpen en concepten van halfgeleidermaterialen en -apparaten worden gerealiseerd. De lichtbron die bij fotolithografie wordt gebruikt, heeft rechtstreeks invloed op de nauwkeurigheid van de patronen, met opties variërend van ultraviolet, diep ultraviolet tot röntgenstralen en elektronenbundels, die elk overeenkomen met toenemende niveaus van patroongetrouwheid in de genoemde volgorde.

Een standaard processtroom voor fotolithografie omvat oppervlaktevoorbereiding, adhesie, zacht bakken, belichting, bakken na blootstelling, ontwikkeling, hard bakken en inspectie.

Oppervlaktebehandeling is noodzakelijk omdat substraten doorgaans H2O-moleculen uit de lucht absorberen, wat schadelijk is voor fotolithografie. Daarom ondergaan substraten aanvankelijk een dehydratatieverwerking door middel van bakken.

Voor hydrofiele substraten is hun hechting aan hydrofobe fotoresist onvoldoende, waardoor mogelijk het loslaten van de fotoresist of een verkeerde uitlijning van het patroon ontstaat, waardoor er een hechtingspromotor nodig is. Momenteel zijn hexamethyldisilazaan (HMDS) en trimethylsilyldiethylamine (TMSDEA) veelgebruikte hechtingsversterkers.

Na de oppervlaktebehandeling begint het aanbrengen van fotoresist. De dikte van de aangebrachte fotoresist houdt niet alleen verband met de viscositeit ervan, maar wordt ook beïnvloed door de spin-coatingsnelheid, die in het algemeen omgekeerd evenredig is met de vierkantswortel van de spinsnelheid. Na het coaten wordt er zacht gebakken om het oplosmiddel uit de fotoresist te verdampen, waardoor de hechting wordt verbeterd in een proces dat bekend staat als voorbakken.

Zodra deze stappen zijn voltooid, vindt de blootstelling plaats. Fotoresisten worden geclassificeerd als positief of negatief, met tegengestelde eigenschappen na blootstelling.

Neem als voorbeeld positieve fotoresist, waarbij niet-belichte fotoresist onoplosbaar is in de ontwikkelaar, maar na belichting oplosbaar wordt. Tijdens de belichting verlicht de lichtbron, die door een masker met patroon gaat, het gecoate substraat, waardoor de fotoresist van patroon wordt voorzien. Normaal gesproken moet het substraat vóór de belichting met het masker worden uitgelijnd om de belichtingspositie nauwkeurig te kunnen regelen. De belichtingsduur moet strikt worden beheerd om patroonvervorming te voorkomen. Na de blootstelling kan extra bakken nodig zijn om staande golfeffecten te verzachten, hoewel deze stap optioneel is en kan worden omzeild ten gunste van directe ontwikkeling. Door de ontwikkeling wordt de belichte fotoresist opgelost, waardoor het maskerpatroon nauwkeurig op de fotoresistlaag wordt overgebracht. De ontwikkelingstijd is ook van cruciaal belang: te kort leidt tot onvolledige ontwikkeling, te lang veroorzaakt patroonvervorming.

Vervolgens versterkt hard bakken de hechting van de fotoresistfilm aan het substraat en verbetert de etsweerstand ervan. De hardbaktemperatuur is over het algemeen iets hoger dan die van het voorbakken.

Ten slotte verifieert microscopisch onderzoek of het patroon overeenkomt met de verwachtingen. Nadat het patroon via andere processen op het materiaal is overgebracht, heeft de fotoresist zijn doel gediend en moet deze worden verwijderd. Stripmethoden omvatten nat (met behulp van sterke organische oplosmiddelen zoals aceton) en droog (met behulp van zuurstofplasma om de film weg te etsen).

2. Dopingtechnieken 

Doping is onmisbaar in de halfgeleidertechnologie, waarbij de elektrische eigenschappen van halfgeleidermaterialen indien nodig worden gewijzigd. De gebruikelijke dopingmethoden omvatten thermische diffusie en ionenimplantatie.

(1) Ionenimplantatie 

Ionenimplantatie doteert het halfgeleidersubstraat door het te bombarderen met hoogenergetische ionen. Vergeleken met thermische diffusie heeft het veel voordelen. De ionen, geselecteerd door een massa-analysator, zorgen voor een hoge dopingzuiverheid. Gedurende de implantatie blijft het substraat op kamertemperatuur of iets daarboven. Er kunnen veel maskeerfilms worden gebruikt, zoals siliciumdioxide (SiO2), siliciumnitride (Si3N4) en fotoresist, waardoor een hoge flexibiliteit wordt geboden met zelfuitlijnende maskertechnieken. Implantaatdoses worden nauwkeurig gecontroleerd en de geïmplanteerde verdeling van onzuiverheidionen is uniform binnen hetzelfde vlak, wat resulteert in een hoge herhaalbaarheid.

De implantatiediepte wordt bepaald door de energie van de ionen. Door de energie en dosis te reguleren, kan de verdeling van onzuiverheidionen in het substraat na implantatie worden gemanipuleerd. Meerdere implantaties met gevarieerde schema's kunnen continu worden uitgevoerd om verschillende onzuiverheidsprofielen te bereiken. Met name bij substraten met één kristal treden kanaliseringseffecten op als de implantatierichting evenwijdig is aan de kristallografische richting: sommige ionen zullen zich langs kanalen verplaatsen, wat dieptecontrole een uitdaging maakt.

Om channeling te voorkomen, wordt implantatie doorgaans uitgevoerd onder een hoek van ongeveer 7° ten opzichte van de hoofdas van het monokristallijne substraat of door het substraat te bedekken met een amorfe laag.

Ionenimplantatie kan de kristalstructuur van het substraat echter aanzienlijk beschadigen. Hoogenergetische ionen dragen bij botsing energie over naar kernen en elektronen van het substraat, waardoor ze het rooster verlaten en interstitiële-vacancy-defectparen vormen. In ernstige gevallen kan de kristalstructuur in sommige gebieden worden vernietigd, waardoor amorfe zones ontstaan.

Roosterschade heeft een grote invloed op de elektrische eigenschappen van het halfgeleidermateriaal, zoals het verminderen van de mobiliteit van de dragers of de levensduur van niet-evenwichtsdragers. Het belangrijkste is dat de meerderheid van de geïmplanteerde onzuiverheden zich op onregelmatige interstitiële plaatsen bevindt, waardoor ze geen effectieve doping kunnen vormen. Daarom zijn herstel van roosterschade na implantatie en elektrische activering van onzuiverheden essentieel.

(2)Snelle thermische verwerking (RTP)

 Thermisch uitgloeien is de meest effectieve methode voor het herstellen van roosterschade veroorzaakt door ionenimplantatie en elektrisch activerende onzuiverheden. Bij hoge temperaturen zullen interstitiële-vacancy-defectparen in het kristalrooster van het substraat recombineren en verdwijnen; amorfe gebieden zullen ook herkristalliseren vanaf de grens met eenkristalgebieden via epitaxie in de vaste fase. Om te voorkomen dat het substraatmateriaal bij hoge temperaturen oxideert, moet het thermisch uitgloeien worden uitgevoerd in een vacuüm of in een atmosfeer van inert gas. Traditioneel gloeien duurt lang en kan als gevolg van diffusie een aanzienlijke herverdeling van de onzuiverheden veroorzaken.

De komst vanRTP-technologiepakt dit probleem aan, waarbij het herstel van roosterschade en de activering van onzuiverheden grotendeels wordt bereikt binnen een kortere gloeiduur.

Afhankelijk van de warmtebron,RTPis onderverdeeld in verschillende typen: elektronenbundelscanning, gepulseerde elektronen- en ionenbundels, gepulseerde lasers, continue golflasers en breedband onsamenhangende lichtbronnen (halogeenlampen, grafietverwarmers, booglampen), waarbij de laatste het meest wordt gebruikt. Deze bronnen kunnen het substraat in een mum van tijd tot de vereiste temperatuur verwarmen, waardoor het uitgloeien in korte tijd wordt voltooid en de verspreiding van onzuiverheden effectief wordt verminderd.

3. Technieken voor het afzetten van films

(1) Plasma-verbeterde chemische dampafzetting (PECVD)

PECVD is een vorm van Chemical Vapour Deposition (CVD) -techniek voor filmafzetting, terwijl de andere twee Atmosferische Druk CVD (APCVD) en Lage Druk CVD (LPCVD) zijn.

Momenteel wordt PECVD van de drie typen het meest toegepast. Het maakt gebruik van radiofrequentie (RF) plasma om chemische reacties bij relatief lage temperaturen te initiëren en in stand te houden, waardoor filmafzetting bij lage temperatuur met hoge depositiesnelheden wordt vergemakkelijkt. Het uitrustingsschema is zoals afgebeeld. 

Films geproduceerd via deze methode vertonen uitzonderlijke hechting en elektrische eigenschappen, minimale microporositeit, hoge uniformiteit en robuuste vulmogelijkheden op kleine schaal. Factoren die de kwaliteit van PECVD-afzetting beïnvloeden, zijn onder meer de substraattemperatuur, de gasstroomsnelheid, de druk, het RF-vermogen en de frequentie.

(2) Sputteren 

Sputteren is een Physical Vapour Deposition (PVD)-methode. Geladen ionen (gewoonlijk argonionen, Ar+) worden versneld in een elektrisch veld, waardoor ze kinetische energie verkrijgen. Ze worden op het doelmateriaal gericht, botsen met doelmoleculen en zorgen ervoor dat ze loskomen en wegsputteren. Deze moleculen bezitten ook aanzienlijke kinetische energie en bewegen zich naar het substraat en zetten zich daarop af.

Typisch gebruikte sputterkrachtbronnen omvatten gelijkstroom (DC) en radiofrequentie (RF), waarbij DC-sputteren rechtstreeks toepasbaar is op geleidende materialen zoals metalen, terwijl isolatiematerialen RF-sputteren vereisen voor filmafzetting.

Conventioneel sputteren heeft te lijden onder lage depositiesnelheden en hoge werkdrukken, wat resulteert in een lagere filmkwaliteit. Magnetronsputteren pakt deze problemen idealiter aan. Het maakt gebruik van een extern magnetisch veld om het lineaire traject van de ionen te veranderen in een spiraalvormig pad rond de richting van het magnetische veld, waardoor hun pad wordt verlengd en de botsingsefficiëntie met doelmoleculen wordt verbeterd, waardoor de sputterefficiëntie wordt verbeterd. Dit resulteert in hogere depositiesnelheden, lagere werkdruk en aanzienlijk verbeterde filmkwaliteit.

4. Etsen Technieken

Het etsen wordt ingedeeld in droge en natte modi, genoemd naar respectievelijk het gebruik (of gebrek) van specifieke oplossingen.

Normaal gesproken vereist etsen de voorbereiding van een maskerlaag (die direct uit fotoresist kan bestaan) om gebieden te beschermen die niet bedoeld zijn om te etsen.

(1) Droog etsen

Veel voorkomende soorten droogetsen zijn onder meerInductief gekoppeld plasma (ICP) etsenionenbundeletsen (IBE) en reactief ionenetsen (RIE).

Bij ICP-etsen bevat het door glimontlading geproduceerde plasma talrijke zeer chemisch actieve vrije radicalen (vrije atomen, moleculen of atoomgroepen), die chemisch reageren met het doelmateriaal om vluchtige producten te vormen, waardoor etsen wordt bereikt.

IBE maakt gebruik van hoogenergetische ionen (geïoniseerd uit inerte gassen) om het oppervlak van het doelmateriaal direct te bombarderen voor het etsen, wat een fysiek proces vertegenwoordigt.

RIE wordt beschouwd als een combinatie van de voorgaande twee, waarbij het inerte gas dat bij IBE wordt gebruikt, wordt vervangen door het gas dat wordt gebruikt bij het ICP-etsen, waardoor RIE wordt gevormd.

Voor droog etsen is de verticale etssnelheid veel groter dan de laterale snelheid, d.w.z. deze heeft een hoge aspectverhouding, waardoor nauwkeurige replicatie van het maskerpatroon mogelijk is. Bij droog etsen wordt echter ook de maskerlaag geëtst, wat een slechtere selectiviteit laat zien (de verhouding tussen de etssnelheid van het doelmateriaal en de maskerlaag), vooral bij IBE, dat niet-selectief over het oppervlak van het materiaal kan etsen.

(2) Nat etsen 

Nat etsen duidt de etsmethode aan die wordt bereikt door het doelmateriaal onder te dompelen in een oplossing (etsmiddel) die er chemisch mee reageert.

Deze etsmethode is eenvoudig, kosteneffectief en vertoont een goede selectiviteit, maar heeft een lage aspectverhouding. Het materiaal onder de maskerranden kan corroderen, waardoor het minder nauwkeurig is dan droog etsen. Om de negatieve gevolgen van een lage aspectverhouding te verzachten, moeten geschikte etssnelheden worden gekozen. Factoren die de etssnelheid beïnvloeden zijn onder meer de etsmiddelconcentratie, de etstijd en de etsmiddeltemperatuur.**