半導体プロセスの流れ

物理や数学を勉強したことがなくても理解できますが、少し単純すぎて初心者向きです。 CMOS についてさらに詳しく知りたい場合は、この号の内容を読む必要があります。プロセス フロー (つまり、ダイオードの製造プロセス) を理解した後でのみ、次の内容を理解することができます。そこで今回は、このCMOSがファウンドリ会社でどのように製造されているのかを見ていきましょう（非先端プロセスを例にとると、先端プロセスのCMOSは構造や製造原理が異なります）。

まず第一に、ファウンドリがサプライヤーから入手するウェーハ (シリコンウェーハサプライヤー) は 1 つずつ、半径 200mm (8インチ工場出荷時）または300mm（12インチ工場）。下の図に示すように、実際には大きなケーキに似ており、これを基板と呼びます。

しかし、このように考えるのは私たちにとって不都合です。下から上に見て断面図を見ると次の図になります。

次に、CMOSモデルがどのように表示されるかを見てみましょう。実際のプロセスには数千のステップが必要となるため、ここでは最も単純な 8 インチ ウェーハの主なステップについて説明します。

 

井戸と反転層の作成:
すなわち、イオン注入（イオン注入、以下、ｉｍｐという）により基板にウェルを注入する。 NMOSを作りたい場合は、P型ウェルを注入する必要があります。 PMOSを作りたい場合は、N型ウェルを注入する必要があります。便宜上、NMOS を例に挙げてみましょう。イオン注入装置は、注入する P 型元素を基板の特定の深さに注入し、炉心管内で高温で加熱してイオンを活性化し、周囲に拡散させます。これで井戸の製作は完了です。製作完了後はこんな感じです。

ウェルを作成した後、チャネル電流としきい値電圧のサイズを制御することを目的とした他のイオン注入ステップがあります。誰もがそれを反転層と呼ぶことができます。 NMOSを作りたい場合は反転層にP型イオンを注入し、PMOSを作りたい場合は反転層にN型イオンを注入します。移植後は以下のモデルになります。

イオン注入時のエネルギーや角度、イオン濃度など、本号には載っていない内容もたくさんありますが、それを知っている人は相当な知識人だと思います。それらを学ぶ方法が必要です。

SiO2を作る：
二酸化ケイ素（SiO2、以下酸化物と呼ぶ）は後で作られます。 CMOS 製造プロセスでは、酸化物を製造するさまざまな方法があります。ここで、ゲートの下にはSiO2が使用されており、その厚さはしきい値電圧の大きさとチャネル電流の大きさに直接影響します。したがって、ほとんどの鋳造工場は、このステップで最高の品質、最も正確な厚さ制御、および最高の均一性を備えた炉心管酸化方法を選択します。実際、これは非常に単純です。つまり、酸素を含む炉管内で高温を使用して酸素とシリコンを化学反応させ、SiO2 を生成します。このようにして、下図に示すように、Si の表面に SiO2 の薄い層が生成されます。

もちろん、ここには、どのくらいの温度が必要か、どのくらいの酸素濃度が必要か、どれくらいの高温が必要かなど、多くの具体的な情報もあります。これらは私たちが現在検討していることではありません。具体的すぎる。
ゲートエンドポリの形成：
しかし、まだ終わっていません。 SiO2 はスレッドに相当し、実際のゲート (Poly) はまだ開始されていません。したがって、次のステップは、SiO2 上にポリシリコンの層を置くことです (ポリシリコンも単一のシリコン元素で構成されていますが、格子配列が異なります。なぜ基板に単結晶シリコンが使用され、ゲートにポリシリコンが使用されるのかは聞かないでください。半導体物理学という本で学べます 恥ずかしいですね～）。ポリは CMOS において非常に重要なリンクでもありますが、ポリの成分は Si であり、SiO2 の成長のように Si 基板との直接反応によって生成することはできません。これには、真空中で化学反応を起こし、生成した物体をウェーハ上に析出させる伝説的な CVD (化学蒸着) が必要です。この例では、生成される物質はポリシリコンであり、ウェーハ上に析出します（ここで断っておきますが、ポリは CVD によって炉管内で生成されるため、ポリの生成は純粋な CVD 装置によって行われるわけではありません）。

しかし、この方法で形成されたポリシリコンはウェハ全体に析出します。析出後はこのようになります。

Poly と SiO2 の露出:
このステップでは、上部にポリ、下部に SiO2、下部に基板を備えた、目的の垂直構造が実際に形成されています。しかし、今ではウェーハ全体がこのようになっており、特定の位置を「蛇口」構造にするだけで済みます。したがって、プロセス全体の中で最も重要なステップは露光です。
まずウェハの表面にフォトレジストを塗布すると、このようになります。

その上に定義されたマスク（マスク上に回路パターンが定義されている）を置き、最後に特定の波長の光を照射します。フォトレジストは照射領域で活性化されます。マスクによってブロックされた領域は光源によって照明されないため、このフォトレジスト部分は活性化されません。

活性化したフォトレジストは特定の薬液で特に洗い流されやすいのに対し、未活性のフォトレジストは洗い流すことができないため、照射後、活性化したフォトレジストを特定の液体で洗い流し、最終的にはこのようになり、 Poly と SiO2 を保持する必要がある箇所にはフォトレジストを塗布し、保持する必要のない箇所にはフォトレジストを除去します。