Halbleiterprozessablauf

Man kann es auch ohne Vorkenntnisse in Physik oder Mathematik verstehen, aber es ist etwas zu einfach gehalten und eignet sich daher eher für Anfänger. Wer mehr über CMOS erfahren möchte, sollte den Inhalt dieser Ausgabe lesen, denn erst nach dem Verständnis des Prozessablaufs (also des Herstellungsprozesses der Diode) kann man die folgenden Inhalte nachvollziehen. In dieser Ausgabe erfahren wir, wie CMOS in der Foundry hergestellt wird (am Beispiel eines einfachen Prozesses; moderne CMOS-Prozesse unterscheiden sich in Struktur und Produktionsprinzip).

Zunächst einmal müssen Sie wissen, dass die Wafer, die die Gießerei vom Lieferanten bezieht (Siliziumwafervom Lieferanten) werden nacheinander mit einem Radius von 200 mm (8 ZollWerk) oder 300 mm (12 ZollFabrik). Wie in der Abbildung unten dargestellt, ähnelt es tatsächlich einem großen Kuchen, den wir als Substrat bezeichnen.

Diese Betrachtungsweise ist jedoch für uns nicht praktikabel. Wir betrachten das Ganze von unten nach oben und sehen uns den Querschnitt an, der die folgende Abbildung ergibt.

Als Nächstes sehen wir uns an, wie das CMOS-Modell aussieht. Da der eigentliche Prozess Tausende von Schritten umfasst, werde ich hier die wichtigsten Schritte des einfachsten 8-Zoll-Wafers erläutern.

 

 

Brunnenbildung und Inversionsschicht:

Das heißt, die Vertiefung wird mittels Ionenimplantation (im Folgenden kurz .imp.) in das Substrat eingebracht. Für NMOS-Transistoren werden P-dotierte Vertiefungen benötigt, für PMOS-Transistoren N-dotierte. Zur Veranschaulichung betrachten wir NMOS als Beispiel. Die Ionenimplantationsanlage implantiert die zu implantierenden P-dotierten Elemente bis zu einer bestimmten Tiefe in das Substrat und erhitzt sie anschließend im Ofenrohr auf hohe Temperatur, um die Ionen zu aktivieren und ihre Diffusion zu ermöglichen. Damit ist die Herstellung der Vertiefung abgeschlossen. So sieht sie nach der Herstellung aus.

Nach der Herstellung der Vertiefung folgen weitere Ionenimplantationsschritte, die der Steuerung des Kanalstroms und der Schwellenspannung dienen. Diese Schicht wird allgemein als Inversionsschicht bezeichnet. Für NMOS-Transistoren wird die Inversionsschicht mit p-leitenden Ionen implantiert, für PMOS-Transistoren hingegen mit n-leitenden Ionen. Nach der Implantation ergibt sich folgendes Modell.

Es gibt hier viele Inhalte, wie zum Beispiel die Energie, den Winkel, die Ionenkonzentration während der Ionenimplantation usw., die in dieser Ausgabe nicht behandelt werden, und ich glaube, dass man, wenn man diese Dinge weiß, ein Insider sein muss und einen Weg haben muss, sie zu lernen.

 

Herstellung von SiO2:

Siliziumdioxid (SiO₂, im Folgenden Oxid genannt) wird später hergestellt. Im CMOS-Produktionsprozess gibt es verschiedene Verfahren zur Oxidherstellung. Hier wird SiO₂ unter dem Gate verwendet, und seine Schichtdicke beeinflusst direkt die Schwellenspannung und den Kanalstrom. Daher wählen die meisten Foundries in diesem Schritt die Ofenrohroxidation, da sie die höchste Qualität, die präziseste Schichtdickenkontrolle und die beste Gleichmäßigkeit bietet. Das Verfahren ist sehr einfach: In einem Ofenrohr mit Sauerstoff reagiert Silizium bei hoher Temperatur chemisch zu SiO₂. Dadurch entsteht eine dünne SiO₂-Schicht auf der Siliziumoberfläche, wie in der Abbildung unten dargestellt.

Natürlich gibt es hier auch viele spezifische Informationen, wie zum Beispiel die benötigte Gradzahl, die erforderliche Sauerstoffkonzentration, die Dauer der erforderlichen hohen Temperatur usw. Diese Aspekte betrachten wir jetzt nicht, da sie zu spezifisch sind.

Bildung des Gate-End-Poly:

Aber es ist noch nicht vorbei. SiO₂ ist nur ein Anfang, und das eigentliche Gate (Polysilizium) hat noch nicht begonnen. Unser nächster Schritt ist also das Aufbringen einer Polysiliziumschicht auf SiO₂ (Polysilizium besteht ebenfalls aus einem einzigen Siliziumelement, aber die Gitterstruktur ist anders. Fragen Sie mich nicht, warum das Substrat aus einkristallinem Silizium und das Gate aus Polysilizium besteht. Es gibt ein Buch namens Halbleiterphysik. Sie können es nachlesen. Es ist etwas peinlich.). Polysilizium ist ebenfalls ein sehr wichtiges Glied in der CMOS-Technologie, aber da Polysilizium aus Silizium besteht, kann es nicht wie SiO₂ durch direkte Reaktion mit dem Siliziumsubstrat erzeugt werden. Hierfür ist die bekannte chemische Gasphasenabscheidung (CVD) erforderlich, bei der eine chemische Reaktion im Vakuum stattfindet und das entstehende Material auf dem Wafer abgeschieden wird. In diesem Beispiel handelt es sich bei der erzeugten Substanz um Polysilizium, das dann auf dem Wafer abgeschieden wird (hier muss erwähnt werden, dass Polysilizium in einem Ofenrohr mittels CVD erzeugt wird, die Herstellung erfolgt also nicht mit einer reinen CVD-Anlage).

Das mit dieser Methode gebildete Polysilizium lagert sich jedoch auf dem gesamten Wafer ab und sieht nach der Abscheidung folgendermaßen aus.

 

Freilegung von Poly und SiO2:

In diesem Schritt ist die gewünschte vertikale Struktur bereits ausgebildet: Polyoxid oben, SiO₂ unten und das Substrat ganz unten. Der gesamte Wafer ist nun so beschaffen, und wir benötigen lediglich eine bestimmte Stelle für die „Wasserhahn“-Struktur. Dies ist der kritischste Schritt des gesamten Prozesses – die Belichtung.
Zuerst verteilen wir eine Schicht Fotolack auf der Oberfläche des Wafers, und dann sieht es so aus.

Anschließend wird die definierte Maske (das Schaltkreismuster ist auf der Maske vorgegeben) aufgelegt und mit Licht einer bestimmten Wellenlänge bestrahlt. Der Fotolack wird im bestrahlten Bereich aktiviert. Da der von der Maske abgedeckte Bereich nicht vom Licht der Quelle beleuchtet wird, wird dieser Bereich nicht aktiviert.

Da sich der aktivierte Fotolack besonders leicht mit einer speziellen chemischen Flüssigkeit abwaschen lässt, der nicht aktivierte Fotolack aber nicht, wird nach der Bestrahlung eine spezielle Flüssigkeit verwendet, um den aktivierten Fotolack abzuwaschen. Schließlich ergibt sich folgendes Bild: Der Fotolack bleibt dort erhalten, wo Poly und SiO2 erhalten bleiben müssen, und wird dort entfernt, wo er nicht erhalten bleiben muss.