Comprensión del proceso completo de fabricación de dispositivos semiconductores

1. Fotolitografía 

La fotolitografía, a menudo sinónimo de generación de patrones, es una de las fuerzas impulsoras más importantes detrás del rápido avance de la tecnología de semiconductores, que se origina en los procesos de fabricación de placas fotográficas en la impresión. Esta técnica permite la presentación de cualquier patrón a micro o nanoescala utilizando fotorresistente y, cuando se combina con otras tecnologías de proceso, transfiere estos patrones a los materiales, realizando diversos diseños y conceptos de materiales y dispositivos semiconductores. La fuente de luz utilizada en la fotolitografía influye directamente en la precisión de los patrones, con opciones que van desde ultravioleta, ultravioleta profundo hasta rayos X y haces de electrones, cada uno de los cuales corresponde a niveles crecientes de fidelidad del patrón en el orden mencionado.

Un flujo de proceso de fotolitografía estándar incluye preparación de la superficie, adhesión, horneado suave, exposición, horneado post-exposición, revelado, horneado duro e inspección.

El tratamiento de la superficie es imperativo ya que los sustratos suelen absorber moléculas de H2O del aire, lo que es perjudicial para la fotolitografía. Por lo tanto, los sustratos inicialmente se someten a un procesamiento de deshidratación mediante horneado.

Para los sustratos hidrófilos, su adhesión al fotorresistente hidrófobo es insuficiente, lo que puede causar desprendimiento del fotorresistente o desalineación del patrón, de ahí la necesidad de un promotor de adhesión. Actualmente, el hexametil disilazano (HMDS) y la trimetilsilildietilamina (TMSDEA) son potenciadores de la adhesión ampliamente utilizados.

Tras el tratamiento de la superficie, comienza la aplicación del fotorresistente. El espesor del fotorresistente aplicado no sólo está relacionado con su viscosidad sino que también se ve afectado por la velocidad de giro del recubrimiento, generalmente inversamente proporcional a la raíz cuadrada de la velocidad de giro. Después del recubrimiento, se realiza una cocción suave para evaporar el disolvente del fotoprotector, mejorando la adhesión en un proceso conocido como precocción.

Una vez que se completan estos pasos, se produce la exposición. Los fotorresistentes se clasifican en positivos o negativos, con propiedades opuestas después de la exposición.

Tomemos como ejemplo el fotorresistente positivo, donde el fotorresistente no expuesto es insoluble en el revelador, pero se vuelve soluble después de la exposición. Durante la exposición, la fuente de luz, que pasa a través de una máscara estampada, ilumina el sustrato recubierto, modelando el fotoprotector. Normalmente, el sustrato debe estar alineado con la máscara antes de la exposición para controlar la posición de exposición con precisión. La duración de la exposición debe gestionarse estrictamente para evitar la distorsión del patrón. Después de la exposición, es posible que sea necesario hornear más para mitigar los efectos de las ondas estacionarias, aunque este paso es opcional y puede omitirse en favor del desarrollo directo. El revelado disuelve el fotorresistente expuesto, transfiriendo el patrón de máscara con precisión a la capa de fotorresistente. El tiempo de desarrollo también es crítico: demasiado corto conduce a un desarrollo incompleto, demasiado largo provoca una distorsión del patrón.

Posteriormente, la cocción dura fortalece la unión de la película fotorresistente al sustrato y mejora su resistencia al ataque químico. La temperatura de horneado duro es generalmente ligeramente más alta que la del precocido.

Finalmente, la inspección microscópica verifica si el patrón se alinea con las expectativas. Después de que el patrón se transfiere al material mediante otros procesos, el fotorresistente ha cumplido su propósito y debe retirarse. Los métodos de decapado incluyen húmedo (usando solventes orgánicos fuertes como acetona) y seco (usando plasma de oxígeno para eliminar la película).

2. Técnicas de dopaje 

El dopaje es indispensable en la tecnología de semiconductores, ya que altera las propiedades eléctricas de los materiales semiconductores según sea necesario. Los métodos de dopaje comunes incluyen la difusión térmica y la implantación de iones.

(1) Implantación de iones 

La implantación de iones dopa el sustrato semiconductor bombardeándolo con iones de alta energía. En comparación con la difusión térmica, tiene muchas ventajas. Los iones, seleccionados mediante un analizador de masas, garantizan una alta pureza del dopaje. Durante toda la implantación, el sustrato permanece a temperatura ambiente o ligeramente por encima. Se pueden utilizar muchas películas de enmascaramiento, como dióxido de silicio (SiO2), nitruro de silicio (Si3N4) y fotoprotectores, lo que proporciona una gran flexibilidad con técnicas de máscara autoalineadas. Las dosis de los implantes se controlan con precisión y la distribución de los iones de impurezas implantados es uniforme dentro del mismo plano, lo que da como resultado una alta repetibilidad.

La profundidad de implantación está determinada por la energía de los iones. Al regular la energía y la dosis, se puede manipular la distribución de iones de impurezas en el sustrato después de la implantación. Se pueden realizar múltiples implantaciones con esquemas variados de forma continua para lograr diversos perfiles de impurezas. En particular, en sustratos monocristalinos, si la dirección de implantación es paralela a la dirección cristalográfica, se producen efectos de canalización: algunos iones viajarán a lo largo de los canales, lo que dificulta el control de la profundidad.

Para evitar la canalización, la implantación normalmente se realiza en un ángulo de aproximadamente 7° con respecto al eje principal del sustrato monocristalino o cubriendo el sustrato con una capa amorfa.

Sin embargo, la implantación de iones puede dañar significativamente la estructura cristalina del sustrato. Los iones de alta energía, al colisionar, transfieren energía a los núcleos y electrones del sustrato, lo que hace que abandonen la red y formen pares de defectos intersticiales-vacantes. En casos severos, la estructura cristalina en algunas regiones puede destruirse, formando zonas amorfas.

El daño a la red afecta en gran medida las propiedades eléctricas del material semiconductor, como la reducción de la movilidad de los portadores o la vida útil de los portadores que no están en equilibrio. Lo más importante es que la mayoría de las impurezas implantadas ocupan sitios intersticiales irregulares, sin lograr formar un dopaje eficaz. Por lo tanto, la reparación del daño de la red postimplantación y la activación eléctrica de las impurezas son esenciales.

(2)Procesamiento térmico rápido (RTP)

 El recocido térmico es el método más eficaz para corregir el daño de la red causado por la implantación de iones y las impurezas activadoras eléctricamente. A altas temperaturas, los pares de defectos intersticiales-vacantes en la red cristalina del sustrato se recombinarán y desaparecerán; Las regiones amorfas también se recristalizarán desde el límite con áreas monocristalinas mediante epitaxia en fase sólida. Para evitar que el material del sustrato se oxide a altas temperaturas, el recocido térmico debe realizarse al vacío o en una atmósfera de gas inerte. El recocido tradicional lleva mucho tiempo y puede provocar una importante redistribución de impurezas debido a la difusión.

El advenimiento detecnología RTPaborda este problema, logrando en gran medida la reparación de daños en la red y la activación de impurezas dentro de una duración de recocido más corta.

Dependiendo de la fuente de calor,RTPse clasifica en varios tipos: barrido por haz de electrones, haces pulsados ​​de electrones e iones, láseres pulsados, láseres de onda continua y fuentes de luz incoherentes de banda ancha (lámparas halógenas, calentadores de grafito, lámparas de arco), siendo estas últimas las más utilizadas. Estas fuentes pueden calentar el sustrato a la temperatura requerida en un instante, completando el recocido en poco tiempo y reduciendo efectivamente la difusión de impurezas.

3. Técnicas de deposición de películas.

(1) Deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD)

PECVD es una forma de técnica de deposición química de vapor (CVD) para la deposición de películas, siendo las otras dos CVD a presión atmosférica (APCVD) y CVD a baja presión (LPCVD).

Actualmente, PECVD es el más aplicado entre los tres tipos. Utiliza plasma de radiofrecuencia (RF) para iniciar y mantener reacciones químicas a temperaturas relativamente bajas, lo que facilita la deposición de películas a baja temperatura con altas tasas de deposición. El esquema de su equipo es el que se ilustra. 

Las películas producidas mediante este método exhiben propiedades eléctricas y de adhesión excepcionales, microporosidad mínima, alta uniformidad y sólidas capacidades de relleno a pequeña escala. Los factores que afectan la calidad de la deposición de PECVD incluyen la temperatura del sustrato, el caudal de gas, la presión, la potencia de RF y la frecuencia.

(2) chisporroteo 

La pulverización catódica es un método de deposición física de vapor (PVD). Los iones cargados (comúnmente iones de argón, Ar+) se aceleran en un campo eléctrico, ganando energía cinética. Se dirigen hacia el material objetivo, chocan con las moléculas objetivo y provocan que se desprendan y chisporroteen. Estas moléculas también poseen una importante energía cinética y se mueven hacia el sustrato, depositándose sobre él.

Las fuentes de energía de pulverización catódica normalmente empleadas incluyen corriente directa (CC) y radiofrecuencia (RF), donde la pulverización catódica de CC se aplica directamente a materiales conductores como los metales, mientras que los materiales aislantes requieren pulverización catódica de RF para la deposición de la película.

La pulverización convencional adolece de bajas tasas de deposición y altas presiones de trabajo, lo que resulta en una menor calidad de la película. La pulverización catódica con magnetrón aborda estos problemas de manera más ideal. Emplea un campo magnético externo para alterar la trayectoria lineal de los iones a una trayectoria helicoidal alrededor de la dirección del campo magnético, alargando su trayectoria y mejorando la eficiencia de la colisión con las moléculas objetivo, mejorando así la eficiencia de la pulverización catódica. Esto da como resultado mayores tasas de deposición, presiones de trabajo reducidas y una calidad de película significativamente mejorada.

4. Grabado Técnicas

El grabado se clasifica en modos seco y húmedo, llamados así por el uso (o falta) de soluciones específicas, respectivamente.

Normalmente, el grabado requiere la preparación de una capa de máscara (que puede ser directamente fotorresistente) para proteger las regiones que no están destinadas al grabado.

(1) Grabado en seco

Los tipos comunes de grabado en seco incluyenGrabado con plasma acoplado inductivamente (ICP), grabado con haz de iones (IBE) y grabado con iones reactivos (RIE).

En el grabado ICP, el plasma producido por la descarga luminosa contiene numerosos radicales libres altamente activos químicamente (átomos libres, moléculas o grupos atómicos), que reaccionan químicamente con el material objetivo para formar productos volátiles, logrando así el grabado.

IBE emplea iones de alta energía (ionizados a partir de gases inertes) para bombardear directamente la superficie del material objetivo para grabar, lo que representa un proceso físico.

RIE se considera una combinación de los dos anteriores, sustituyendo el gas inerte utilizado en IBE por el gas utilizado en el grabado ICP, constituyendo así RIE.

Para el grabado en seco, la velocidad de grabado vertical supera con creces la velocidad lateral, es decir, tiene una relación de aspecto alta, lo que permite una replicación precisa del patrón de máscara. Sin embargo, el grabado en seco también graba la capa de máscara, mostrando una menor selectividad (la relación entre las tasas de grabado del material objetivo y la capa de máscara), especialmente con IBE, que puede grabar de forma no selectiva en toda la superficie del material.

(2) Grabado húmedo 

El grabado húmedo denota el método de grabado que se logra sumergiendo el material objetivo en una solución (decapante) que reacciona químicamente con él.

Este método de grabado es simple, rentable y muestra buena selectividad pero tiene una relación de aspecto baja. El material debajo de los bordes de la máscara puede corroerse, lo que lo hace menos preciso que el grabado en seco. Para mitigar los impactos negativos de una relación de aspecto baja, se deben elegir velocidades de grabado adecuadas. Los factores que influyen en la velocidad de grabado incluyen la concentración del grabador, el tiempo de grabado y la temperatura del grabador.**