فناوری ساخت مدارهای مجتمع- قسمت سوم
فناوری ساخت مدارهای مجتمع- قسمت سوم
1. زدایشِ تر: یعنی ویفر در یک مایع شیمیایی قرار می‌گیرد. (دقت کمی دارد)
2. زدایش با پلاسما: که در آن ویفر با گاز پلاسما بمباران می‌شود. (دقت بالایی دارد)
3. زدایش با یون واکنش دهنده: که در آن یون‌های تولید شده در گاز، ویفر را بمباران می‌کنند.
یکی از این فرآیندهای نهایی ساخت مدار مجتمع، ایجاد اتصال روی پلی‌سیلیکون و نواحی فعال (منظور سورس، درین و نواحی n+ و P+ است) می‌باشد. آخرین مرحله در ساخت، پوشاندن ویفر با یک لایه‌ی شیشه یا غیر فعال است که سطح را از خطرات ناشی از حمل و نقل مکانیکی و برش مصون می‌دارد.
مقدمه
در دو مقاله‌ی قبل راجع به فرآیند ساخت مدار مجتمع با استفاده از فناوری CMOS سخن گفتیم. همان طور که بیان کردیم، در گام اول به آماده‌سازی و پردازش ویفر می‌پردازیم و سپس در گام دوم، ویفر سیلیسیومی را با استفاده از فرآیندی به نام لیتوگرافی نوری به محدوده‌های موردنظر برای ساخت مدار مجتمع تقسیم می‌کنیم. در واقع، لیتوگرافی روشی است که ما با استفاده از آن لایه‌های مختلف یک مدار مجتمع را می‌سازیم. پس از لیتوگرافی مراحل اکسیداسیون، کاشت یونی، لایه‌نشانی و زُدایش نیز برای ساخت مدار مجتمع انجام می‌شود.
اکسیداسیون:
ویژگی منحصر به فرد سیلیکون آن است که به ما امکان می‌دهد تا یک لایه‌ی بسیار یکنواخت اکسید روی سطح آن ایجاد کنیم تا بتوان لایه‌های اکسید گیت را با ضخامت چند ده انگستروم (فقط چند لایه‌ی اتمی) با آن ساخت. این ویژگی سیلیکون به علت آن است که اکسید سیلیکون هنگامی که ساخته می‌شود دارای نقص بلوری کمی است. دی‌اکسیدسیلیکون علاوه بر آن که به صورت عایق گیت به کار می‌رود، می‌تواند به صورت پوشش محافظ در بسیاری از مراحل ساخت عمل کند. همچنین در قسمت‌های بین ترانزیستورها یک لایه‌ی ضخیم SiO2 که اکسیداسیون (FOX) نامیده می‌شود، رشد می‌دهند تا سیم‌های فلزی اتصال که در گام‌های بعدی ایجاد می‌کنند، روی آن ساخته شود.
دی‌اکسیدسیلیکون با قرار دادن سیلیکون بدون پوشش در یک محیط اکسید کننده مثل اکسیژن با دمایی در حدود 1000 درجه سانتی‌گراد رشد داده می‌شود. در واقع؛ قسمت‌هایی را که می‌خواهند از دی‌اکسیدسیلیکون پوشش دهند با استفاده از فرآیند لیتوگرافی، مشخص می‌کنند و سپس IC را در محیط اکسید کننده قرار می‌دهند. بدین ترتیب فقط قسمت‌هایی که با استفاده از لیتوگرافی فاقد پوشش هستند، اکسید می‌شوند.
کاشت یونی:
در بسیاری از مراحل ساخت، باید آلاینده‌ها (همان ناخالصی‌هایی که به دلیل تغییر خواص نیمه‌رسانا به آن اضافه می‌کنیم) به طور انتخابی وارد ویفر شوند. برای مثال، بعد از تکمیل زنجیره لیتوگرافی در شکل (1)، چاه n با افزودن آلاینده به ناحیه‌ی بدون پوشش تشکیل می‌شود. به طور مشابه نواحی سورس و درین ترانزیستورها نیز نیاز به افزودن انتخابی آلاینده به ویفر دارند.
رایج‌ترین روش افزودن آلاینده روش «کاشت یونی» است که به وسیله‌ی آن اتم‌های آلاینده به صورت یک پرتوی متمرکزِ پر انرژی شتاب داده می‌شود و به سطح ویفر برخورد کرده و در نواحی بدون پوشش نفوذ می‌کند. (شکل 2 را ببینید) میزان آلایش با شدت و طول عملیات کاشت معین می‌شود و عمق ناحیه‌ی آلاییده با انرژی پرتو تنظیم می‌شود
کاشت یونی باعث تخریب قابل ملاحظه‌ی شبکه‌بلوری سیلیکون می‌شود. به همین دلیل، ویفر بعد از این فرآیند باید به مدت 15 تا 30 دقیقه تا دمای تقریبی 1000 درجه سانتی‌گراد گرم شود تا اجازه دهد که پیوندهای شبکه دوباره شکل بگیرند. این عملیات، تابکاری نامیده می‌شود.
تابکاری ویفر یک بار و آن هم بعد از آن که همه‌ی نواحی کاشته شدند انجام می‌شود. یک پدیده‌ی جالب در کاشت یونی، کانال زدن است. همان طور که در شکل 3- الف نشان داده شده است، اگر جهت پرتوی کاشت با محور کریستال در یک جهت باشد، یون‌ها تا عمق بسیار زیادی در داخل ویفر نفوذ می‌کنند. برای همین منظور دستگاه تابنده‌ی پرتو (یا ویفر) را به اندازه‌ی 7 تا 9 درجه کج می‌کنند. (شکل 3- ب را ببینید.)
همان طور که از ساختار ترانزیستورها و مدار مجتمع نتیجه می‌شود، ساخت مدار مجتمع نیاز به نشاندن مواد مختلفی نظیر پلی‌سیلیکون دارد. یک روش رایج برای تشکیل پلی‌سیلیکون روی لایه‌های ضخیم عایق، روش لایه‌نشانی با بخار شیمیایی (CVD) است، که در آن ویفرها در یک کوره شامل گازی که مواد مطلوب را از طریق واکنش شیمیایی ایجاد می‌کند، قرار می‌گیرند. در فرآیندهای جدید، CVD در فشار پایین انجام می‌شود تا یکنواختی بیش‌تری به دست آید.
زدایش مواد نیز یک گام حیاتی است. برای مثال پنجره‌های اتصال با ابعاد خیلی کوچک مثل 3/0 میکرومتر در 3/0 میکرومتر و عمق نسبتا زیاد مثل 2 میکرومتر باید با دقت بالایی زدوده شود. بسته به سرعت، دقت و قابلیت انتخاب لازم در مرحله‌ی زدایش و نوع ماده‌ای که باید زدوده شود، یکی از این روش‌ها را می‌توان به کار برد:
1. زدایشِ تر: یعنی ویفر در یک مایع شیمیایی قرار می‌گیرد. (دقت کمی دارد)
2. زدایش با پلاسما: که در آن ویفر با گاز پلاسما بمباران می‌شود. (دقت بالایی دارد)
3. زدایش با یون واکنش دهنده: که در آن یون‌های تولید شده در گاز، ویفر را بمباران می‌کنند.
فرآیندهای انتهایی:
همین که ترانزیستورهای پایه ساخته شدند، ویفرها باید بعد از آن یک فرآیند انتهایی بگذرانند. زنجیره‌ای که عمدتا ارتباطات الکتریکی مختلف روی تراشه را از طریق سیم و اتصال فلزی برقرار می‌کند.
یکی از این فرآیندهای نهایی، ایجاد اتصال روی پلی‌سیلیکون و نواحی فعال (منظور سورس، درین و نواحی n+ و P+ است) می‌باشد. این کار ابتدا با پوشاندن ویفر با یک لایه‌ی نسبتا ضخیم (3/0 تا 5/0 میکرومتر) از اکسید و پس از آن اجرای زنجیره‌ی لیتوگرافی انجام می‌شود. سپس سوراخ‌های اتصال با زدایش پلاسما به وجود می‌آیند. (شکل 4-الف را ببینید) بعد از ایجاد پنجره‌های اتصال، اولین لایه از ارتباط فلزی که فلز 1 نامیده می‌شود روی کل ویفر نشانده می‌شود. لایه‌ی فلزی از جنس آلومینیوم یا مس است. یک رشته عملیات لیتوگرافی بعد از آن انجام می‌شود و لایه‌ی فلزی به طور انتخابی زدوده می‌شود. از آن جایی که تعداد ترانزیستورها در فناوری‌های جدید بسیار زیادتر شده، برای اتصالات میانی مدارات مجتمع بیش از یک لایه‌ی فلز لازم است. در واقع پیچیدگی اتصالات این قدر زیاد است که با یک لایه نمی‌توان اتصالات را انجام داد. در حال حاضر اتصالات میانی فلزی در هفت لایه انجام می‌شود. سطوح بالاتر اتصال فلزی نیز با استفاده از همین روند ساخته می‌شوند. برای هر لایه‌ی اضافی فلزی، دو ماسک لازم است. یکی برای سوراخ‌های اتصال و دیگری برای خود اتصالات فلزی.
آخرین مرحله در فرآیند انتهایی، پوشاندن ویفر با یک لایه‌ی شیشه یا غیر فعال است که سطح را از خطرات ناشی از حمل و نقل مکانیکی و برش مصون می‌دارد. بعد از یک رشته عملیات لیتوگرافی، شیشه فقط از قسمت‌هایی که روی پایه‌ی اتصال قرار دارد، باز شده و امکان اتصال با دنیای بیرون را فراهم می‌کند.
در مقاله‌ی بعدی راجع به چالش‌های فرآیند ساخت مدار مجتمع در مقیاس نانو سخن می‌گوییم. همچنین خلاقیت‌ها و ابتکاراتی که به منظور حل این چالش‌ها انجام شده را بیان می‌کنیم.
برای دریافت فایل پاورپوینت مراحل ساخت CMSO، اینجا (حجم حدود kb 400 ) را کلیک کنید.
