Tìm hiểu quy trình chế tạo thiết bị bán dẫn hoàn chỉnh

1. Quang khắc 

Quang khắc, thường đồng nghĩa với việc tạo mẫu, là một trong những động lực quan trọng nhất đằng sau sự tiến bộ nhanh chóng của công nghệ bán dẫn, bắt nguồn từ quá trình tạo tấm ảnh trong in ấn. Kỹ thuật này cho phép trình bày bất kỳ mẫu nào ở quy mô vi mô hoặc nano bằng cách sử dụng chất quang dẫn và khi kết hợp với các công nghệ xử lý khác sẽ chuyển các mẫu này lên vật liệu, hiện thực hóa các thiết kế và khái niệm khác nhau về vật liệu và thiết bị bán dẫn. Nguồn sáng được sử dụng trong kỹ thuật quang khắc ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của các mẫu, với các tùy chọn từ tia cực tím, tia cực tím sâu đến tia X và chùm tia điện tử, mỗi loại tương ứng với mức độ trung thực của mẫu ngày càng tăng theo thứ tự đã đề cập.

Quy trình xử lý quang khắc tiêu chuẩn bao gồm chuẩn bị bề mặt, độ bám dính, nướng mềm, phơi sáng, nướng sau phơi sáng, phát triển, nướng cứng và kiểm tra.

Xử lý bề mặt là bắt buộc vì chất nền thường hấp thụ các phân tử H2O từ không khí, điều này gây bất lợi cho quá trình quang khắc. Do đó, chất nền ban đầu trải qua quá trình khử nước thông qua quá trình nướng.

Đối với các chất nền ưa nước, độ bám dính của chúng với chất cản quang kỵ nước là không đủ, có khả năng gây ra hiện tượng tách chất cản quang hoặc sai lệch mẫu, do đó cần có chất kích thích bám dính. Hiện nay, hexamethyl disilazane (HMDS) và tri-methyl-silyl-diethyl-amine (TMSDEA) là những chất tăng cường độ bám dính được sử dụng rộng rãi.

Sau khi xử lý bề mặt, việc áp dụng chất quang dẫn bắt đầu. Độ dày của chất quang dẫn được sử dụng không chỉ liên quan đến độ nhớt của nó mà còn bị ảnh hưởng bởi tốc độ phủ quay, thường tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của tốc độ quay. Sau khi phủ, quá trình nướng mềm được tiến hành để làm bay hơi dung môi khỏi chất quang dẫn, cải thiện độ bám dính trong một quy trình được gọi là nướng sơ bộ.

Khi các bước này hoàn tất, quá trình hiển thị sẽ diễn ra. Chất quang dẫn được phân loại là dương hoặc âm, với các đặc tính trái ngược nhau sau khi tiếp xúc.

Lấy chất quang dẫn dương làm ví dụ, trong đó chất quang dẫn không được phơi sáng không hòa tan trong chất hiện, nhưng sẽ hòa tan sau khi tiếp xúc. Trong quá trình phơi sáng, nguồn sáng đi qua mặt nạ có hoa văn, chiếu sáng lớp nền được phủ, tạo thành hoa văn cho chất quang dẫn. Thông thường, chất nền phải được căn chỉnh với mặt nạ trước khi phơi sáng để kiểm soát chính xác vị trí phơi sáng. Thời gian phơi sáng phải được quản lý chặt chẽ để ngăn chặn sự biến dạng của mẫu. Sau khi tiếp xúc, có thể cần phải nướng thêm để giảm thiểu hiệu ứng sóng dừng, mặc dù bước này là tùy chọn và có thể bỏ qua để phát triển trực tiếp. Sự phát triển hòa tan chất quang dẫn tiếp xúc, chuyển mẫu mặt nạ một cách chính xác lên lớp chất quang dẫn. Thời gian phát triển cũng rất quan trọng – quá ngắn sẽ dẫn đến sự phát triển không đầy đủ, quá dài sẽ gây ra sự sai lệch về mẫu mã.

Sau đó, quá trình nướng cứng sẽ tăng cường sự gắn kết của màng quang điện với chất nền và cải thiện khả năng chống ăn mòn của nó. Nhiệt độ nướng cứng thường cao hơn một chút so với nướng trước.

Cuối cùng, kiểm tra bằng kính hiển vi sẽ xác minh xem mẫu có phù hợp với mong đợi hay không. Sau khi mẫu được chuyển lên vật liệu bằng các quy trình khác, chất quang dẫn đã phục vụ mục đích của nó và phải được loại bỏ. Các phương pháp tước bao gồm ướt (sử dụng dung môi hữu cơ mạnh như axeton) và khô (sử dụng oxy plasma để ăn mòn màng).

2. Kỹ thuật doping 

Doping là chất không thể thiếu trong công nghệ bán dẫn, làm thay đổi tính chất điện của vật liệu bán dẫn khi cần thiết. Các phương pháp doping phổ biến bao gồm khuếch tán nhiệt và cấy ion.

(1) Cấy ion 

Việc cấy ion sẽ kích thích chất nền bán dẫn bằng cách bắn phá nó bằng các ion năng lượng cao. So với khuếch tán nhiệt, nó có nhiều ưu điểm. Các ion được chọn lọc bằng máy phân tích khối lượng sẽ đảm bảo độ tinh khiết doping cao. Trong suốt quá trình cấy ghép, chất nền vẫn ở nhiệt độ phòng hoặc cao hơn một chút. Có thể sử dụng nhiều loại màng che như silicon dioxide (SiO2), silicon nitride (Si3N4) và chất quang dẫn, mang lại tính linh hoạt cao với kỹ thuật mặt nạ tự căn chỉnh. Liều lượng cấy ghép được kiểm soát chính xác và sự phân bố ion tạp chất được cấy ghép đồng đều trong cùng một mặt phẳng, dẫn đến độ lặp lại cao.

Độ sâu cấy ghép được xác định bởi năng lượng của các ion. Bằng cách điều chỉnh năng lượng và liều lượng, có thể điều chỉnh được sự phân bố của các ion tạp chất trong chất nền sau khi cấy ghép. Nhiều lần cấy ghép với các sơ đồ khác nhau có thể được thực hiện liên tục để đạt được các đặc tính tạp chất khác nhau. Đáng chú ý, trong các chất nền đơn tinh thể, nếu hướng cấy song song với hướng tinh thể, hiệu ứng phân kênh sẽ xảy ra - một số ion sẽ di chuyển dọc theo các kênh, khiến việc kiểm soát độ sâu trở nên khó khăn.

Để ngăn chặn sự tạo kênh, quá trình cấy ghép thường được tiến hành ở góc khoảng 7° so với trục chính của chất nền đơn tinh thể hoặc bằng cách phủ lên chất nền một lớp vô định hình.

Tuy nhiên, việc cấy ion có thể làm hỏng đáng kể cấu trúc tinh thể của chất nền. Các ion năng lượng cao khi va chạm sẽ truyền năng lượng cho hạt nhân và electron của chất nền, khiến chúng rời khỏi mạng và tạo thành các cặp khuyết khuyết kẽ-chỗ trống. Trong trường hợp nghiêm trọng, cấu trúc tinh thể ở một số vùng có thể bị phá hủy, tạo thành các vùng vô định hình.

Thiệt hại mạng ảnh hưởng lớn đến tính chất điện của vật liệu bán dẫn, chẳng hạn như làm giảm độ linh động của hạt tải điện hoặc tuổi thọ của các hạt tải điện không cân bằng. Quan trọng nhất là phần lớn các tạp chất được cấy vào chiếm giữ các vị trí kẽ không đều, không tạo thành doping hiệu quả. Vì vậy, việc sửa chữa hư hỏng mạng tinh thể sau cấy ghép và kích hoạt điện của tạp chất là rất cần thiết.

(2)Xử lý nhiệt nhanh (RTP)

 Ủ nhiệt là phương pháp hiệu quả nhất để sửa đổi hư hỏng mạng tinh thể do cấy ion và tạp chất kích hoạt điện. Ở nhiệt độ cao, các cặp khuyết tật kẽ-chỗ trống trong mạng tinh thể của chất nền sẽ kết hợp lại và biến mất; các vùng vô định hình cũng sẽ kết tinh lại từ ranh giới với các vùng đơn tinh thể thông qua epitaxy pha rắn. Để ngăn chặn vật liệu nền bị oxy hóa ở nhiệt độ cao, quá trình ủ nhiệt phải được tiến hành trong môi trường chân không hoặc khí trơ. Quá trình ủ truyền thống mất nhiều thời gian và có thể gây ra sự phân phối lại tạp chất đáng kể do khuếch tán.

Sự ra đời củacông nghệ RTPgiải quyết vấn đề này, phần lớn hoàn thành việc sửa chữa hư hỏng mạng tinh thể và kích hoạt tạp chất trong thời gian ủ rút ngắn.

Tùy thuộc vào nguồn nhiệt,RTPđược phân loại thành nhiều loại: quét chùm tia điện tử, chùm electron và ion xung, laser xung, laser sóng liên tục và các nguồn sáng không kết hợp băng thông rộng (đèn halogen, lò sưởi than chì, đèn hồ quang), trong đó loại sau được sử dụng rộng rãi nhất. Những nguồn này có thể làm nóng chất nền đến nhiệt độ cần thiết ngay lập tức, hoàn thành quá trình ủ trong thời gian ngắn và giảm hiệu quả sự khuếch tán tạp chất.

3. Kỹ thuật lắng đọng phim

(1) Lắng đọng hơi hóa học tăng cường plasma (PECVD)

PECVD là một dạng kỹ thuật lắng đọng hơi hóa học (CVD) để lắng đọng màng, cùng với hai dạng còn lại là CVD áp suất khí quyển (APCVD) và CVD áp suất thấp (LPCVD).

Hiện nay, PECVD được áp dụng rộng rãi nhất trong số ba loại. Nó sử dụng plasma tần số vô tuyến (RF) để bắt đầu và duy trì các phản ứng hóa học ở nhiệt độ tương đối thấp, do đó tạo điều kiện cho quá trình lắng đọng màng ở nhiệt độ thấp với tốc độ lắng đọng cao. Sơ đồ thiết bị của nó như minh họa. 

Màng được sản xuất bằng phương pháp này thể hiện các đặc tính bám dính và điện đặc biệt, độ xốp vi mô tối thiểu, độ đồng đều cao và khả năng lấp đầy mạnh mẽ ở quy mô nhỏ. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng lắng đọng PECVD bao gồm nhiệt độ cơ chất, tốc độ dòng khí, áp suất, công suất RF và tần số.

(2) Phún xạ 

Phún xạ là phương pháp lắng đọng hơi vật lý (PVD). Các ion tích điện (thường là ion Argon, Ar+) được gia tốc trong điện trường, thu được động năng. Chúng hướng về phía vật liệu mục tiêu, va chạm với các phân tử mục tiêu và khiến chúng bật ra và bắn tung tóe. Những phân tử này cũng có động năng đáng kể và di chuyển về phía chất nền, lắng đọng trên nó.

Các nguồn năng lượng phún xạ thường được sử dụng bao gồm Dòng điện một chiều (DC) và Tần số vô tuyến (RF), trong đó phún xạ DC được áp dụng trực tiếp cho các vật liệu dẫn điện như kim loại, trong khi các vật liệu cách điện yêu cầu phún xạ RF để lắng đọng màng.

Phương pháp phún xạ thông thường có tốc độ lắng đọng thấp và áp suất làm việc cao, dẫn đến chất lượng màng thấp hơn. Phương pháp phún xạ Magnetron giải quyết những vấn đề này một cách lý tưởng hơn. Nó sử dụng từ trường bên ngoài để thay đổi quỹ đạo tuyến tính của các ion thành đường xoắn ốc xung quanh hướng từ trường, kéo dài đường đi của chúng và cải thiện hiệu quả va chạm với các phân tử mục tiêu, từ đó nâng cao hiệu quả phún xạ. Điều này dẫn đến tốc độ lắng đọng tăng lên, giảm áp lực làm việc và chất lượng màng được cải thiện đáng kể.

4. Khắc Kỹ thuật

Khắc được phân loại thành chế độ khô và ướt, được đặt tên tương ứng theo việc sử dụng (hoặc thiếu) các giải pháp cụ thể.

Thông thường, quá trình khắc đòi hỏi phải chuẩn bị một lớp mặt nạ (có thể trực tiếp là chất cản quang) để bảo vệ các khu vực không dành cho khắc.

(1) Khắc khô

Các loại khắc khô phổ biến bao gồmKhắc plasma kết hợp cảm ứng (ICP), Khắc tia ion (IBE) và Khắc ion phản ứng (RIE).

Trong quá trình khắc ICP, plasma được tạo ra bởi sự phóng điện phát sáng chứa nhiều gốc tự do có hoạt tính hóa học cao (nguyên tử, phân tử hoặc nhóm nguyên tử tự do), phản ứng hóa học với vật liệu mục tiêu để tạo thành các sản phẩm dễ bay hơi, do đó tạo ra hiện tượng ăn mòn.

IBE sử dụng các ion năng lượng cao (bị ion hóa từ khí trơ) để bắn phá trực tiếp bề mặt vật liệu mục tiêu để khắc, thể hiện một quá trình vật lý.

RIE được coi là sự kết hợp của hai loại trước, thay thế khí trơ được sử dụng trong IBE bằng khí được sử dụng trong quá trình ăn mòn ICP, từ đó tạo thành RIE.

Đối với khắc khô, tốc độ khắc dọc vượt xa tốc độ khắc ngang, tức là nó có tỷ lệ khung hình cao, cho phép sao chép chính xác mẫu mặt nạ. Tuy nhiên, khắc khô cũng khắc lớp mặt nạ, cho thấy độ chọn lọc kém hơn (tỷ lệ tốc độ ăn mòn của vật liệu mục tiêu với lớp mặt nạ), đặc biệt là với IBE, có thể ăn mòn không chọn lọc trên bề mặt vật liệu.

(2) Khắc ướt 

Khắc ướt biểu thị phương pháp khắc đạt được bằng cách ngâm vật liệu mục tiêu vào dung dịch (etchant) phản ứng hóa học với nó.

Phương pháp khắc này đơn giản, tiết kiệm chi phí và cho thấy tính chọn lọc tốt nhưng có tỷ lệ khung hình thấp. Vật liệu bên dưới các cạnh của mặt nạ có thể bị ăn mòn, khiến nó kém chính xác hơn so với khắc khô. Để giảm thiểu tác động tiêu cực của tỷ lệ khung hình thấp, phải chọn tỷ lệ ăn mòn thích hợp. Các yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ ăn mòn bao gồm nồng độ chất ăn mòn, thời gian ăn mòn và nhiệt độ ăn mòn.**