การไหลของกระบวนการเซมิคอนดักเตอร์

คุณสามารถเข้าใจมันได้แม้ว่าคุณจะไม่เคยเรียนฟิสิกส์หรือคณิตศาสตร์มาก่อน แต่มันก็ค่อนข้างง่ายเกินไปและเหมาะสำหรับผู้เริ่มต้น หากคุณต้องการทราบข้อมูลเพิ่มเติมเกี่ยวกับ CMOS คุณต้องอ่านเนื้อหาของปัญหานี้ เนื่องจากหลังจากทำความเข้าใจผังกระบวนการ (นั่นคือ กระบวนการผลิตของไดโอด) แล้ว คุณจึงจะเข้าใจเนื้อหาต่อไปนี้ต่อไปได้ จากนั้น เรามาเรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการผลิต CMOS นี้ในบริษัทโรงหล่อในฉบับนี้ (โดยใช้กระบวนการที่ไม่ขั้นสูงเป็นตัวอย่าง CMOS ของกระบวนการขั้นสูงจะแตกต่างกันในโครงสร้างและหลักการผลิต)

ก่อนอื่นคุณต้องรู้ว่าเวเฟอร์ที่โรงหล่อได้รับจากซัพพลายเออร์ (เวเฟอร์ซิลิคอนซัพพลายเออร์) ทีละรายโดยมีรัศมี 200 มม. (8 นิ้วโรงงาน) หรือ 300 มม. (12 นิ้วโรงงาน). ดังแสดงในรูปด้านล่าง จริงๆ แล้วมันจะคล้ายกับเค้กก้อนใหญ่ซึ่งเราเรียกว่าสารตั้งต้น

อย่างไรก็ตาม มันไม่สะดวกสำหรับเราที่จะมองแบบนี้ เรามองจากล่างขึ้นบนแล้วดูที่ภาพตัดขวางซึ่งจะกลายเป็นรูปต่อไปนี้

ต่อไปเรามาดูกันว่ารุ่น CMOS มีลักษณะอย่างไร เนื่องจากกระบวนการจริงต้องใช้ขั้นตอนหลายพันขั้นตอน ฉันจะพูดถึงขั้นตอนหลักของเวเฟอร์ขนาด 8 นิ้วที่ง่ายที่สุดที่นี่

 

การทำ Well และ Inversion Layer:
นั่นคือ หลุมจะถูกฝังลงในสารตั้งต้นโดยการฝังไอออน (การปลูกฝังไอออน ซึ่งต่อไปนี้จะเรียกว่า imp) หากต้องการสร้าง NMOS จะต้องฝังหลุม P-type หากต้องการทำ PMOS จะต้องฝังหลุม N-type เพื่อความสะดวกของคุณ เรามาดู NMOS เป็นตัวอย่างกัน เครื่องฝังไอออนจะฝังองค์ประกอบประเภท P ที่จะฝังลงในพื้นผิวให้มีความลึกเฉพาะ จากนั้นให้ความร้อนที่อุณหภูมิสูงในท่อเตาเผาเพื่อกระตุ้นไอออนเหล่านี้และกระจายไอออนไปรอบๆ เสร็จสิ้นการผลิตบ่อน้ำนี้ นี่คือหน้าตาหลังจากการผลิตเสร็จสิ้น

หลังจากสร้างบ่อแล้ว ยังมีขั้นตอนการปลูกถ่ายไอออนอื่นๆ ซึ่งมีวัตถุประสงค์เพื่อควบคุมขนาดของกระแสช่องสัญญาณและแรงดันธรณีประตู ทุกคนสามารถเรียกมันว่าชั้นผกผันได้ หากคุณต้องการสร้าง NMOS ชั้นผกผันจะถูกปลูกฝังด้วยไอออนชนิด P และหากคุณต้องการสร้าง PMOS ชั้นผกผันจะถูกปลูกฝังด้วยไอออนชนิด N หลังจากฝังแล้วจะได้รูปแบบดังนี้

มีเนื้อหามากมายที่นี่ เช่น พลังงาน มุม ความเข้มข้นของไอออนระหว่างการฝังไอออน ฯลฯ ซึ่งไม่รวมอยู่ในฉบับนี้ และผมเชื่อว่าถ้าคุณรู้สิ่งเหล่านั้น คุณจะต้องเป็นคนวงใน และคุณ จะต้องมีวิธีการเรียนรู้พวกเขา

การสร้าง SiO2:
ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO2 ซึ่งต่อไปนี้จะเรียกว่าออกไซด์) จะถูกผลิตขึ้นในภายหลัง ในกระบวนการผลิต CMOS มีหลายวิธีในการสร้างออกไซด์ ในที่นี้ SiO2 ถูกใช้ใต้ประตู และความหนาของมันส่งผลโดยตรงต่อขนาดของแรงดันไฟฟ้าเกณฑ์และขนาดของกระแสช่องสัญญาณ ดังนั้นโรงหล่อส่วนใหญ่จึงเลือกวิธีการออกซิเดชันของท่อเตาเผาที่มีคุณภาพสูงสุด การควบคุมความหนาที่แม่นยำที่สุด และความสม่ำเสมอที่ดีที่สุดในขั้นตอนนี้ ในความเป็นจริง มันง่ายมาก กล่าวคือ ในท่อเตาเผาที่มีออกซิเจน จะใช้อุณหภูมิสูงเพื่อให้ออกซิเจนและซิลิคอนทำปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อสร้าง SiO2 ด้วยวิธีนี้ ชั้นบางๆ ของ SiO2 จะถูกสร้างขึ้นบนพื้นผิวของ Si ดังแสดงในรูปด้านล่าง

แน่นอนว่ายังมีข้อมูลเฉพาะอีกมากมายที่นี่ เช่น ต้องการกี่องศา ต้องการความเข้มข้นของออกซิเจนเท่าใด ต้องการอุณหภูมิสูงนานแค่ไหน เป็นต้น สิ่งเหล่านี้ไม่ใช่สิ่งที่เรากำลังพิจารณาอยู่ตอนนี้ สิ่งเหล่านี้คือ เฉพาะเจาะจงเกินไป
การก่อตัวของโพลีประตูท้าย:
แต่มันยังไม่จบ SiO2 เทียบเท่ากับเธรด และเกทจริง (โพลี) ยังไม่เริ่มทำงาน ดังนั้น ขั้นตอนต่อไปของเราคือการวางชั้นโพลีซิลิคอนบน SiO2 (โพลีซิลิคอนก็ประกอบด้วยองค์ประกอบซิลิกอนเดี่ยวเช่นกัน แต่การจัดเรียงโครงตาข่ายนั้นแตกต่างกัน อย่าถามฉันว่าทำไมซับสเตรตจึงใช้ซิลิกอนผลึกเดี่ยวและเกทใช้โพลีซิลิคอน นั่น เป็นหนังสือชื่อ Semiconductor Physics คุณสามารถเรียนรู้เกี่ยวกับมันได้ มันน่าอายนะ~) โพลียังเป็นตัวเชื่อมที่สำคัญมากใน CMOS แต่องค์ประกอบของโพลีคือ Si และไม่สามารถสร้างขึ้นได้จากปฏิกิริยาโดยตรงกับสารตั้งต้น Si เช่น SiO2 ที่กำลังเติบโต ซึ่งต้องใช้ CVD (การสะสมไอสารเคมี) ในตำนาน ซึ่งจะทำปฏิกิริยาทางเคมีในสุญญากาศและตกตะกอนวัตถุที่สร้างขึ้นบนแผ่นเวเฟอร์ ในตัวอย่างนี้ สารที่สร้างขึ้นคือโพลีซิลิคอน จากนั้นตกตะกอนบนแผ่นเวเฟอร์ (ในที่นี้ฉันต้องบอกว่าโพลีถูกสร้างขึ้นในท่อเตาเผาโดย CVD ดังนั้นการสร้างโพลีจึงไม่ได้ดำเนินการโดยเครื่อง CVD บริสุทธิ์)

แต่โพลีซิลิคอนที่เกิดจากวิธีนี้จะถูกตกตะกอนบนแผ่นเวเฟอร์ทั้งหมด และจะมีลักษณะเช่นนี้หลังจากการตกตะกอน

การได้รับสารโพลีและ SiO2:
ในขั้นตอนนี้ โครงสร้างแนวตั้งที่เราต้องการได้ถูกสร้างขึ้นจริงแล้ว โดยมีโพลีอยู่ด้านบน SiO2 อยู่ด้านล่าง และสารตั้งต้นอยู่ด้านล่าง แต่ตอนนี้เวเฟอร์ทั้งหมดเป็นเช่นนี้ และเราต้องการเพียงตำแหน่งเฉพาะเพื่อเป็นโครงสร้าง "ก๊อกน้ำ" ดังนั้นจึงมีขั้นตอนที่สำคัญที่สุดในกระบวนการทั้งหมด นั่นก็คือ การเปิดเผย
ขั้นแรก เรากระจายชั้นของสารต้านทานแสงบนพื้นผิวของแผ่นเวเฟอร์ และมันก็กลายเป็นเช่นนี้

จากนั้นใส่มาสก์ที่กำหนดไว้ (รูปแบบวงจรถูกกำหนดไว้บนมาสก์) และสุดท้ายก็ฉายรังสีด้วยแสงที่มีความยาวคลื่นเฉพาะ โฟโตรีซิสจะเริ่มทำงานในบริเวณที่ได้รับรังสี เนื่องจากบริเวณที่ถูกบังด้วยหน้ากากไม่ได้รับแสงสว่างจากแหล่งกำเนิดแสง อุปกรณ์โฟโตรีซิสต์ชิ้นนี้จึงไม่ได้เปิดใช้งาน

เนื่องจากโฟโตรีซิสต์ที่เปิดใช้งานนั้นง่ายต่อการถูกชะล้างออกไปด้วยของเหลวเคมีเฉพาะ ในขณะที่โฟโตรีซิสต์ที่ไม่ทำงานไม่สามารถล้างออกไปได้ หลังจากการฉายรังสี ของเหลวเฉพาะจะถูกนำมาใช้เพื่อล้างโฟโตรีซิสต์ที่เปิดใช้งาน และในที่สุดมันก็กลายเป็นเช่นนี้ โดยปล่อยให้ โฟโตรีซิสต์โดยที่จำเป็นต้องคงโพลีและ SiO2 ไว้ และถอดโฟโตรีซิสต์ออกโดยที่ไม่จำเป็นต้องเก็บรักษาไว้