فرآیندهای یکپارچه در تولید تراشه

0040-02544 قسمت بالایی، فلزی Dps

 

٪7b٪7b0٪7d٪7d فوقانی محفظه Dps ٪2b Poly

 

ماژول های فرآیند یکپارچه

 

الزامات فرآیند برای مدارهای مجتمع

قابلیت اطمینان کامل:مدارهای مجتمع باید در محیط ها و شرایط مختلف، از جمله شرایط شدید مانند دماهای بالا، دماهای پایین و رطوبت بالا، پایدار عمل کنند.

قابلیت اطمینان همچنین شامل طول عمر یک مدار است که توانایی یک مدار برای حفظ عملکرد خوب در مدت زمان طولانی است.

عملکرد بالا پایدار:عملکرد بالا به این معنی است که مدار دارای سرعت پردازش سریع، مصرف انرژی کم و یکپارچگی بالا است. همانطور که تکنولوژی به پیشرفت خود ادامه می دهد، تقاضا برای عملکرد بالا نیز افزایش می یابد.

قیمت کم هزینه: هزینه تولید مدارهای مجتمع باید در محدوده معقولی کنترل شود تا تقاضای بازار برآورده شود. راه های کاهش هزینه ها شامل بهبود کارایی تولید، بهینه سازی فرآیندها و موارد دیگر است.

چالش های کوچک سازی

 

افزایش چگالی جریان و قدرت میدان الکتریکی: با کاهش اندازه ترانزیستور، چگالی جریان و قدرت میدان الکتریکی متناسب با آن افزایش می‌یابد که می‌تواند منجر به کاهش قابلیت اطمینان مدار شود. افزایش جریان نشتی نیز مشکلی است که باید برطرف شود.

 

افزایش پیچیدگی: ساختارهای پیچیده تری برای رفع مشکلات ناشی از کوچک سازی مورد نیاز است که پیچیدگی و هزینه فرآیند را افزایش می دهد. فرآیندهای بیشتر و چرخه های تولید طولانی تر نیز عدم اطمینان تولید را افزایش می دهد.

ماژول های ساختاری LSI

 

یکپارچه سازی فرآیند: یکپارچه سازی فرآیند ترکیبی از فرآیندهای اساسی مختلف برای تولید مدارهای مجتمع مورد نیاز است. تولیدکنندگان مختلف ممکن است نام‌های متفاوتی داشته باشند، اما اساساً چندین مرحله فرآیند را با هم ادغام می‌کنند.

فرآیندها و ماژول های پایه: ساخت مدارهای مجتمع شامل چندین فرآیند اساسی مانند لیتوگرافی، اچینگ، کاشت یون و غیره و غیره است. .

 

تعامل بین ماژول ها: تأثیر متقابلی بین فرآیندهای هر ماژول وجود دارد، به ویژه شرایط پردازش و جو پیش و پس فرآیندها. بنابراین، این روابط متقابل باید در طراحی فرآیند در نظر گرفته شود تا از کیفیت و عملکرد محصول نهایی اطمینان حاصل شود.

نمودار زیر مشکلات مهمی را که فرآیند پایه در هر فرآیند ماژول با آن مواجه است نشان می دهد:

فرآیند یکپارچه اساسی

ساخت مدارهای مجتمع یک فرآیند بسیار ظریف و پیچیده است که بر یک سری مراحل فرآیند دقیقاً کنترل شده متکی است که اغلب در ماژول های مختلف سازماندهی می شوند.

در زیر توضیح مفصلی از فرآیندهای اساسی برای ساخت ترانزیستور MOS شیار n ارائه شده است که با هم فرآیند تولید را در گره فناوری 3 میکرون تشکیل می دهند.

1. بافر تشکیل فیلم های اکسیدی

شرح مرحله: جهت گیری کریستالی نوع p (100) با مقاومت 10Ω·cm ویفر بستر Si در یک لوله کوارتز قرار داده شده و در اکسیژن حرارت داده شده تا 1000 درجه به مدت 60 دقیقه اکسید می شود تا یک لایه SiO2 به ضخامت 50 نانومتر تشکیل شود. اکسیداسیون خشک اکسیژن نامیده می شود. این لایه از فیلم SiO2، فیلم اکسید بافر نامیده می شود.

هدف: ارائه یک بستر صاف و پایدار برای فرآیندهای بعدی در حالی که از بستر Si در برابر آسیب در طول پردازش بعدی محافظت می کند.

2. تشکیل لایه های نیترید سیلیکون

شرح مرحله: آمونیاک (NH3) با گاز دی کلروسیلان (SiH2Cl2) در یک لوله کوارتز گرم شده تا 800 درجه واکنش داده و تمام سطح بستر Si با یک لایه 120 نانومتری از نیترید سیلیکون (Si3N4) پوشیده شده است که CVD نامیده می شود. روش (رسوب بخار شیمیایی).

هدف: عمل به عنوان یک لایه پوشاننده برای فرآیندهای بعدی برای محافظت از بخشی از بستر Si در برابر اکسیداسیون و سایر درمان ها.

3. کاشت یون و لیتوگرافی

شرح مرحله: ابتدا رزین فوتورزیست به طور انتخابی توسط فوتو اچ نگه داشته می شود و سپس در پلاسمای حاوی فلوئور قرار می گیرد تا لایه Si3N4 که توسط فوتورزیست پوشانده نشده است جدا شود. سپس، یون بور B+ با 75 کیلو ولت شتاب می گیرد تا با ویفر برخورد کند و باعث حمله آن به ویفر سیلیکونی شود.

هدف: ایجاد یک لایه مسدود کننده کانال با کاشت یون برای جلوگیری از نشتی جریان بین دستگاه های مجاور.

4. تشکیل لایه های اکسید میدانی

شرح مرحله: پس از برداشتن باقیمانده فتوریست، سطح با آب و اسید هیدروفلوئوریک رقیق شسته می شود و سپس در بخار آب در دمای 1000 درجه به مدت 6 ساعت اکسید می شود تا یک فیلم SiO2 به ضخامت 1 میکرومتر (به نام فیلم اکسید میدان) تشکیل شود. روش اکسیداسیون اکسیژن مرطوب نامیده می شود.

هدف: تشکیل یک لایه عایق روی یک بستر Si برای جداسازی اجزای مختلف مدار.

5. تشکیل فیلم اکسید دروازه و اکسیداسیون قربانی

شرح مرحله: پس از برداشتن لایه Si3N4 و بخشی از لایه SiO2 زیر، اکسیداسیون اکسیژن خشک در طول موج 50 نانومتر انجام می شود و سپس این لایه SiO2 (به نام فیلم اکسید قربانی) دوباره حذف می شود و در نهایت یک فیلم اکسید دروازه ای با ضخامت. از 50 نانومتر تشکیل شده است.

هدف: تهیه یک لایه عایق با کیفیت بالا برای گیت ترانزیستورهای MOS. مرحله اکسیداسیون قربانی برای حذف لایه SiO2 که در اثر پیش تصفیه آسیب دیده است استفاده می شود.

6. تشکیل الکترودهای دروازه

شرح مرحله: یک فیلم سیلیکونی پلی کریستالی با ضخامت 400 نانومتر بر روی یک بستر Si رسوب می‌کند و سپس فسفر برای کاهش مقاومت مقاومتی دوپ می‌شود. در مرحله بعد، فیلم سیلیکونی پلی کریستالی توسط فوتو اچینگ برای تشکیل یک الکترود دروازه ای اچ می شود.

هدف: عمل به عنوان دروازه ترانزیستور MOS برای کنترل جریان قطع بین منبع و تخلیه.

7. تشکیل منبع و زهکش

شرح مرحله: As+ با کاشت یون به زیرلایه Si تزریق می شود تا منبع و درین نوع n تشکیل شود. سپس عملیات حرارتی فعال سازی (پخت) انجام می شود که باعث می شود یون های تزریق شده از نظر الکتریکی فعال شوند.

هدف: ارائه پایانه های ورودی و خروجی جریان برای ترانزیستورهای MOS.

 

8. CVD-PSG رسوب و بازپخت غشاها

شرح مرحله: یک فیلم CVD-SiO2 با ضخامت 600 نانومتر (به نام فیلم CVD-PSG) حاوی چند درصد فسفر رسوب کنید. سپس سطح با بازپخت در یک کوره با POCl3 شیشه ای می شود.

هدف: ارائه یک بستر صاف و پایدار برای الکترود آلومینیوم بعدی و در عین حال کاهش دمای نرم شدن SiO2 برای پردازش بعدی.

9. تشکیل سوراخ های تماس و رسوب الکترودهای آلومینیومی

شرح مرحله: سوراخ تماس بر روی فیلم CVD-PSG توسط فوتو اچینگ باز می شود و سپس لایه ای از فیلم الکترود آلومینیومی حاوی 1٪ تا 2٪ Si با ضخامت 800 نانومتر رسوب می کند. هدف: اتصال الکترود آلومینیوم با منبع، تخلیه و الکترود دروازه از طریق سوراخ های تماس برای تشکیل یک اتصال مدار کامل.

 

این مراحل با هم، فرآیند تولید پایه ترانزیستورهای MOS کانال n را تشکیل می دهند. در تولید واقعی، چندین مرحله تمیز کردن، بازرسی و آزمایش برای اطمینان از کیفیت و عملکرد محصول نهایی مورد نیاز است. همانطور که تکنولوژی به پیشرفت خود ادامه می دهد، این مراحل فرآیند دائما در حال بهینه سازی و بهبود هستند تا سطوح بالاتری از یکپارچگی و الزامات عملکرد دقیق تر را برآورده کنند.

ساختار بستر

ساختار ویفر

در توسعه مدارهای مجتمع، کیفیت زیرلایه Si، به عنوان ماده اصلی، تأثیر مهمی بر عملکرد دستگاه دارد. در روزهای اولیه، مدارهای مجتمع عمدتاً از سیلیکون تک کریستالی تهیه شده به روش چکلاوسکی (CZ) یا روش ذوب تعلیق (FZ) استفاده می کردند. اکثر این سیلیکون های تک کریستالی در جهت (100) هستند زیرا این جهت بهترین عملکرد ترانزیستور MOS را دارد.

در ساخت دستگاه‌های CMOS، یک ساختار خوب برای تشکیل ترانزیستورهای شیار n و شیار p روی یک بستر لازم است. ساختار چاه همزیستی ترانزیستورهای شیار N و شیار P را با تشکیل زیرلایه های نوع p و نوع n به ترتیب در زیر ترانزیستور امکان پذیر می کند.

با توسعه فناوری، ساختار چاه نیز از یک چاه منفرد به یک چاه دوتایی به یک چاه سه گانه تبدیل شده است، که درجه آزادی طراحی را افزایش می دهد، توانایی مقاومت در برابر نویزهای خارجی را افزایش می دهد و توانایی سرکوب قفل را بهبود می بخشد. بالا (اتصال کوتاه ناشی از یک منبع تخلیه و یک ساختار تریستور متشکل از یک تله و بستر).

بسترهای SOI

بسترهای SOI (لامینیت سیلیکون عایق فیلم) یک فناوری رقابتی هستند و اگرچه دستگاه‌های زیادی در حال حاضر از بسترهای SOI استفاده نمی‌کنند، پتانسیل آنها بسیار زیاد است. توسعه بسترهای SOI در دهه 60 قرن بیستم با هدف بهبود مقاومت در برابر تشعشع و امکان عملیات با سرعت بالا آغاز شد. در میان آنها، ساختار سیلیکون یاقوت کبود (SOS) تا حدی مورد استفاده عملی قرار گرفته است، اما به دلیل مشکلاتی مانند بلورینگی، قیمت و سازگاری فرآیند هنوز به جریان اصلی تبدیل نشده است.

بعدها، روش جداسازی تزریق اکسیژن (SIMOX) برای دستیابی به ساختار SOI با تشکیل یک لایه مدفون SiO2 در زیر سطح بستر Si توسعه یافت. با این حال، فناوری SIMOX به دلیل کاهش توان به دلیل تزریق اکسیژن زیاد و همچنین مشکلاتی مانند محدودیت ضخامت SiO2 و نقص کریستالیزاسیون، هنوز به جریان اصلی تبدیل نشده است.

در سال های اخیر، فناوری پیوند ویفر به عنوان جایگزینی برای SOS و SIMOX توسعه یافته است. فن‌آوری‌های پیوند ویفر، از جمله روش‌های ELTRAN و Smart Cut، با تشکیل سیلیکون متخلخل، رسوب‌گذاری لایه‌های اپیتاکسیال، یا استفاده از لایه‌های کاشت یون هیدروژن برای جداسازی مکانیکی، به آماده‌سازی بستر SOI با کیفیت بالا دست یافته‌اند. این زیرلایه‌های SOI قبلاً در محصولات با ارزش افزوده بالا مانند پردازنده‌های با سرعت فوق‌العاده استفاده می‌شوند، جایی که می‌توانند به طور موثر ظرفیت انگلی زیرلایه را کاهش دهند، بنابراین به سرعت بالا و مصرف انرژی کم کمک می‌کنند.

پایان