Device Fabrication Technology

$$ \begin{align*} \newcommand{\dif}{\mathop{}\!\mathrm{d}}\\ \newcommand{\p}{\partial}\\ \newcommand{\bd}{\boldsymbol}\\ \end{align*} $$

3.1 Introduction to Device Fabrication

半导体公司可以分成三类：

1. integrated semiconductor companies: both design and fabricate ICs
2. fabless: only design the circuits
3. foundries: specialize in manufacturing

根据 IC 的规模，可以分成：

1. LSI (large-scale integration, 104 transistors on a chip)
2. VLSI (very large-scale integration, 106 transistors on a chip)
3. ULSI (ultra-large-scale integration)
4. GSI (giga-scale integration).

一个简单的制造过程如下：整个过程是在一片 wafer （晶圆）上制造的，先构造 ${\rm SiO_2}$ 层，然后选择性的去除某些部分，然后在这部分的表面引入杂质离子，最后使杂质离子扩散进硅。

这种一层一层将电路做在 wafer 上的技术叫 planar technology

3.2 Oxidation of silicon

silicon dioxide 有两种用途：

• serving as a mask against dopant introduction into silicon
• serving as the most critical component in the metal-oxide-semiconductor transistor

有两种方式制造 ${\rm SiO_2}$ layer，对应两种化学反应：

• dry oxidation：${\rm Si+O_2 \rightarrow SiO_2}$，slow and thin
• wet oxidation：${\rm Si+2H_2O \rightarrow SiO_2+2H_2}$，fast and thick

步骤如下：

1. wafer loading：Si wafer 先放在 quartz boat 上
2. insertion into the furnace：推到 furnace 中进行反应
3. ramping of the furnace temperature：furnace 的反应区一般是用 clear fused quartz 或 SiC 或 polycrystalline Si 制造的，通过 electrical resistance heating coils 加热到 700–1,200 °C
4. gas control：通入氧气或用carrier gas带出水汽来进行反应，
5. 整个过程是自动化控制的。

可以通过控制氧化温度和时间来控制厚度。另外， the ambient gas 和 the Si surface orientation 也会影响厚度（这也是为什么要沿 (100) plane 切）。

3.3 Lithography

要选择性去除氧化层，要通过光刻，光刻分为两步：图形曝光（photolithography or optical lithography 以及刻蚀（etching. 步骤如下（14为图形曝光，56为刻蚀）：

1. 覆盖光刻胶（也叫抗蚀剂 photoresist，an ultraviolet (UV) light sensitive material）：Liquid photoresist is placed on the wafer, and the wafer is spun at high speed to produce a thin, uniform coating.
2. 前烘： a short bake at about 90 °C is performed to drive solvent out of the resist.
3. 曝光：expose the resist through a photomask and a high-precision reduction lens system using UV ligh
   • The photomask (掩模版) is a quartz photoplate containing the patterns to be produced
   • negative resists (负胶，曝光不溶)：the areas where the light strikes become polymerized and more difficult to dissolve in solvents
   • Positive resists (正胶，曝光溶)：contain a stabilizer that slows down the dissolution rate of the resist in a developer. This stabilizer breaks down when exposed to light, leading to the preferential removal of the exposed regions.
4. 显影：用显影剂溶解未固化的光刻胶，然后将硅片冲洗和甩干
5. 去除氧化层：Buffered hydrofluoric acid (HF) may be used to dissolve unprotected regions of the oxide film
6. 去除光刻胶 (resist strip)：This is accomplished by using a chemical solution or by oxidizing or “burning” the resist in an oxygen plasma or a UV ozone system called an asher.

曝光的分辨率受光波长和光学衍射限制，可以用下面公式表示：

$$ \text{Lithography Resolution}=k\lambda $$

• 减小光波长：难， lack of suitable transparent materials for lenses and mask plates
• 减小 k 值：
  • 减小曝光范围（lithography field ），用 stepper 移动 wafer 直到全部曝光
  • 优化 photomask，用 optical proximity correction (OPC) 修正，避免相邻线之间相互影响
  • 使用 phase-shift photomask：产生两束靠得很近的光，两光相位相反，在中间产生的衍射恰好相互抵消

下面介绍多种曝光方法。

3.3.1 Wet Lithography

wet lithography or immersion lithography 简单来说就是在 lens 和 photoresist 中间放水，因为有折射，所以波长会减小：

$$ \frac{n_1}{n_2}=\frac{\lambda_2}{\lambda_1} $$

3.3.2 Electron Lithography

electron-beam lithography 就是直接用电子束将光刻胶去除，因为电子束的波长远小于光，所以分辨率更高。不过由于电子束需要逐点扫描（不用掩模版），效率很低，一般用来验证设计。

3.3.3 Nanoimprint

Nanoimprint 不需要曝光，直接像盖章一样将 patterns 压在一层 soft coating 上，然后经过 coating hardens 得到图形。

3.4 Etching

刻蚀就是将曝光得到的 photoresist 上的pattern 转移到下一层（${\rm SiO_2}$）。有两种刻蚀方法：

• wet etching：${\rm SiO_2}$ is removed with ${\rm HF}$
  • 特点：isotropic（各向同性）material selectivity好
• dry etching：also known as plasma etching or reactive-ion etching or RIE，用等离子去轰击
  • 特点： anisotropic（各向异性的）material selectivity差，有可能造成某些破坏（antenna effect）

3.5 Doping

掺杂分成两步：

1. 在表面放上杂质原子
   • ion implantation
   • gas-source doping
   • solid-source diffusion
2. 扩散进内部 drive-in diffusion

3.5.1 Ion Implantation

就是将 ions 加速到很高能量，然后射到表面。会对晶体造成破坏，所以需要通过 anneal for damage removal and for dopant activation

3.5.2 Gas-Source Doping

只适用于掺 phosphorus（磷），因为只有磷有合适的气体。这个过程类似于 3.2 的wet oxidation，只不过将水换成了 ${\rm POCl_3}$，发生的反应如下：

$$ {\rm 5 POCl_3 \xrightarrow{>600 ℃} 3PCl_5+P_2O_5}\\ {\rm 2P_2O_5 + 5Si \rightarrow 5 SiO_2 + 4P\downarrow} $$

3.5.3 Solid-Source Diffusion

先在硅表面弄一层包含 dopant 的薄层，然后等到 dopants 扩散进去后移除薄层

3.6 Dopant Diffusion

The dopant impurity diffuses with time at high temperature. 将相反的杂质掺进去可以得到 PN junctino，它的 junction depth 指的是从表面到 $N_a=N_d$ 的厚度。杂质原子的浓度与深度的关系满足高斯分布：

$$ N(x,t)=\frac{N_0}{\sqrt{\pi D t}} e^{-x^2/4Dt} $$

• $N_0$ is the number of dopants per square centimeter and is determined by the dopant addition step
• $x$ is the distance into the semiconductor
• $D$ is the diffusivity for the given impurity and furnace temperature
• $t$ is the time for the diffusion step

3.7 Thin-Film Deposition

除了掺杂外，我们还需要再硅表面做各种膜（氮化硅、二氧化硅、各种金属），有下面几种方法

3.7.1 Sputtering

• Sputtering is performed in a vacuum chamber
• sputtering target（提供原子源的材料）和 wafer 形成一对平行面板
• 抽真空后，充入 sputtering gas (typically Ar)
• 先让 Ar 电离，形成等离子体，然后加交变电场，让 Ar 轰击 sputtering target
• 轰击下来的 target atoms 沉积在 wafer 上

整个过程主要是用物理方法，所以也叫 physical vapor deposition (PVD)

3.7.2 Chemical Vapor Deposition (CVD)

PVD 不能覆盖垂直的地方，所以需要 CVD to deposits a much more conformal film. 大概过程就是两种气体反应形成固体，然后沉积在 wafer 上

常用的 CVD 包括：

• high-temperature oxide (HTO)
• lowpressure chemical vapor deposition (LPCVD)
• plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD)

3.7.3 Epitaxy

Epitaxy（磊晶；外延）用于在晶体上长晶体。方法于 CVD 类似， at sufficiently high temperature, an arriving atom can move over the surface till it stops at a correct location to perfectly extend the lattice pattern of the substrate crystal.

3.8 Interconnect - The Back-End Process

将器件用金属线连接的过程称为 metallization，过程如下：

1. 移除二氧化硅
2. PVD 形成金属膜
3. 通过刻蚀移除多余的金属

一开始用的是 Aluminum，但 Al 存在 electromigration（原子随电流迁移），所以现在都是用 Cupper。