반도체 제조 기술

이 섹션에서는 실리콘 기반 반도체만 제조하는 방법에 대해 설명합니다. 대부분의 반도체는 실리콘입니다. 실리콘은 산화물 코팅을 쉽게 형성하기 때문에 집적 회로에 특히 적합하며 트랜지스터와 같은 집적 구성 요소를 패터닝하는 데 유용합니다.

실리콘

규소는 이산화규소인 SiO₂ 형태로 지각에서 두 번째로 흔한 원소입니다. , 달리 규사라고 알려져 있습니다. 전기로에서 탄소로 환원시켜 이산화규소로부터 실리콘을 제거합니다.

SiO₂ + C =CO₂ + 시

이러한 야금 등급 실리콘은 규소강 변압기 적층에 사용하기에 적합하지만 반도체 응용 분야에는 거의 순수하지 않습니다. 염화물 SiCl₄로의 전환 (또는 SiHCl₃ ) 분별 증류로 정제할 수 있습니다. 초순수 아연 또는 마그네슘에 의한 환원은 추가 정제가 필요한 스폰지 실리콘을 생성합니다. 또는 뜨거운 다결정 실리콘 막대 히터에서 수소에 의한 열분해로 초순수 실리콘이 생성됩니다.

Si + 3HCl =SiHCl₃ + H₂ SiHCl₃ + H₂ =Si + 3HCl₂

다결정 실리콘은 유도 가열 흑연 서셉터로 가열된 용융 실리카 도가니에서 용융됩니다. 흑연 히터는 대안적으로 고전류에서 저전압에 의해 직접 구동될 수 있다. 초크랄스키 프로세스에서 , 실리콘 용융물은 원하는 결정 격자 방향의 연필 크기의 단결정 실리콘 막대에 응고됩니다. (아래 그림) 막대가 회전하고 지름이 몇 인치로 확장되도록 하는 속도로 위쪽으로 당겨집니다. 이 직경에 도달하면 boule 일정한 직경을 몇 피트 길이로 유지하는 속도로 자동으로 당겨집니다. 도펀트가 도가니 용융물에 첨가되어 예를 들어 P형 반도체를 생성할 수 있습니다. 성장하는 장치는 불활성 분위기에 둘러싸여 있습니다.

Czochralski 단결정 실리콘 성장.

완성된 boule은 정확한 최종 직경으로 연마되고 끝이 잘립니다. 불은 내경 다이아몬드 톱으로 웨이퍼로 슬라이스됩니다. 웨이퍼는 평평하게 연마되고 연마됩니다. 웨이퍼는 N형 에피택시 더 높은 품질을 위해 열 증착에 의해 웨이퍼 위에 성장된 층. 이 제조 단계의 웨이퍼는 실리콘 웨이퍼 제조업체에서 반도체 제조업체로 배송됩니다.

Silicon boule은 웨이퍼로 절단된 다이아몬드입니다.

반도체 처리

반도체 가공에는 산 에칭으로 금속 석판 인쇄판을 만드는 공정인 포토리소그래피가 포함됩니다. 이것의 전자 기반 버전은 구리 인쇄 회로 기판 처리입니다. 이것은 반도체 공정과 관련된 포토리소그래피에 대한 쉬운 소개로 아래 그림에서 검토됩니다.

구리 인쇄 회로 기판의 처리는 반도체 처리의 포토 리소그래피 단계와 유사합니다.

위의 그림(a)에서 에폭시 유리 섬유 보드에 적층된 구리 호일로 시작합니다. 또한 완성된 보드에 남아 있어야 하는 구리 배선 및 패드에 해당하는 검은색 선이 있는 긍정적인 삽화가 필요합니다. 포지티브 액팅 레지스트를 사용하기 때문에 포지티브 아트워크가 필요합니다. 그러나 네거티브 레지스트는 회로 기판과 반도체 공정 모두에 사용할 수 있습니다. (b)에서 액체 포지티브 포토레지스트는 인쇄 회로 기판(PCB)의 구리 표면에 적용됩니다. 건조가 허용되며 오븐에서 구울 수 있습니다. 작품은 필요한 크기로 축소된 원본 작품의 플라스틱 필름 포지티브 복제일 수 있습니다. 작품은 (c)에서 유리판 아래 회로 기판과 접촉하여 배치됩니다. 보드는 자외선(d)에 노출되어 잠재 연화된 포토레지스트의 이미지입니다. 아트웍을 제거하고(e) 연화된 레지스트를 알칼리성 용액으로 씻어냅니다(f). 헹구고 건조된(베이크된) 회로 기판은 에칭 후 남아 있는 구리 라인과 패드 위에 경화된 레지스트 이미지를 가지고 있습니다. 기판은 경화된 레지스트로 보호되지 않은 구리를 제거하기 위해 에칭액(g)에 담가집니다. 에칭된 기판을 헹구고 레지스트를 솔벤트로 제거합니다.

반도체 패터닝의 주요 차이점은 웨이퍼 상단의 이산화규소 층이 고온 처리 단계에서 레지스트를 대신한다는 것입니다. 그러나 이산화규소를 패터닝하기 위해서는 저온 습식 공정에서 레지스트가 필요합니다.

아래 그림(a)의 N형 도핑된 실리콘 웨이퍼는 반도체 접합 제조의 출발 물질입니다. 이산화규소 층(b)은 산소 또는 수증기의 존재하에 고온(확산로에서 1000oC 이상)에서 웨이퍼 위에 성장됩니다. 레지스트 풀이 냉각된 웨이퍼의 중앙에 적용된 다음 레지스트를 균일하게 분배하기 위한 진공 척. 베이크된 레지스트(c)에는 (d)에서 웨이퍼에 적용된 크롬 온 글라스 마스크가 있습니다. 이 마스크는 자외선(e)에 노출되는 창 패턴을 포함합니다.

실리콘 다이오드 접합 제조.

위의 그림(f)에서 마스크를 제거한 후 포지티브 레지스트를 알칼리 용액에서 현상(g)하여 UV 연화 레지스트의 창을 열 수 있습니다. 레지스트의 목적은 불화수소산 에칭(h)으로부터 이산화규소를 보호하고 마스크 개구부에 해당하는 열린 창만 남겨두는 것입니다. 나머지 레지스트(i)는 확산로로 돌아가기 전에 웨이퍼에서 제거됩니다. 웨이퍼는 확산로(j)에서 고온에서 기체 P형 도펀트에 노출됩니다. 도펀트는 실리콘 이산화물 층의 개구부를 통해서만 실리콘으로 확산됩니다. 개구부를 통한 각 P-확산은 PN 접합을 생성합니다. 다이오드가 원하는 제품인 경우 웨이퍼는 다이아몬드 스크라이빙되어 개별 다이오드 칩으로 나뉩니다. 그러나 전체 웨이퍼는 바이폴라 접합 트랜지스터로 더 처리될 수 있습니다.

다이오드를 트랜지스터로 변환하기 위해서는 기존 P영역 중간에 작은 N형 확산이 필요하다. 더 작은 개구부를 갖는 마스크로 이전 단계를 반복하면 이를 수행할 수 있습니다. 위의 (j)에는 표시되지 않았지만 P-확산 동안 해당 단계에서 산화물 층이 형성되었을 수 있습니다. P-확산 위의 산화물 층은 아래 그림(k)에 나와 있습니다. 포지티브 포토레지스트가 도포되고 건조됩니다(l). chrome on glass emitter mask가 적용되고(m) UV에 노출됩니다(n). 마스크가 제거됩니다(o). 에미터 개구부의 UV 연화 레지스트는 알칼리 용액(p)으로 제거됩니다. 노출된 이산화규소는 (q)에서 불화수소산(HF)으로 식각됩니다.

바이폴라 접합 트랜지스터의 제조, 실리콘 다이오드 접합의 제조의 연속.

노출되지 않은 레지스트가 웨이퍼(r)에서 벗겨진 후 고온 처리를 위해 확산로에 배치됩니다(위 그림(s)). 옥시염화인(POCl)과 같은 N형 기체 도펀트는 소형 이미터를 통해 확산됩니다. 이것은 BJT의 에미터, 베이스 및 컬렉터에 해당하는 NPN 레이어를 생성합니다. N형 에미터가 P형 베이스를 통해 끝까지 구동되지 않고 에미터를 단락시키는 것이 중요합니다. 에미터와 컬렉터 사이의 베이스 영역도 얇아서 트랜지스터가 유용한 β를 가질 수 있어야 합니다. 그렇지 않으면 두꺼운 베이스 영역이 트랜지스터가 아닌 한 쌍의 다이오드를 형성할 수 있습니다. (t)에서 금속화가 표시됩니다. 트랜지스터 영역과의 접촉.이것은 산화물을 통한 접촉 개구부용 마스크를 사용하여 이전 단계(여기에는 표시되지 않음)를 반복해야 합니다.다른 마스크를 사용한 또 다른 반복은 산화물 상단의 금속화 패턴을 정의하고 개구부를 통해 트랜지스터 영역과 접촉합니다. 지.

금속화는 수많은 트랜지스터와 기타 구성요소를 통합 회로에 연결할 수 있습니다. . 그러나 하나의 트랜지스터만 표시됩니다. 완성된 웨이퍼는 다이아몬드 스크라이빙되고 포장을 위해 개별 다이로 나뉩니다. 미세 게이지 알루미늄 와이어는 다이의 금속화된 접점을 리드 프레임에 결합합니다. , 최종 패키지에서 연락처를 가져옵니다.

검토:

<울>

대부분의 반도체는 웨이퍼 위에 유리 산화물을 형성하기 때문에 초순수 실리콘을 기반으로 합니다. 이 산화물은 포토 리소그래피로 패턴화되어 복잡한 집적 회로를 만들 수 있습니다.

소시지 모양의 실리콘 단결정은 초크랄스키(Czochralski) 공정에 의해 성장되며, 다이아몬드 톱질로 웨이퍼가 됩니다.

포토리소그래피에 의한 실리콘 웨이퍼의 패터닝은 구리 인쇄 회로 기판의 패터닝과 유사합니다. 마스크를 통해 자외선에 노출되는 웨이퍼에 포토레지스트를 도포합니다. 레지스트가 현상된 다음 웨이퍼가 에칭됩니다.

불화수소산 에칭은 웨이퍼 상단 보호 이산화규소의 창을 엽니다.

고온에서 기체 도펀트에 노출되면 이산화규소 층의 개구부에 의해 정의된 반도체 접합이 생성됩니다.

포토리소그래피는 더 많은 확산, 접촉 및 금속화를 위해 반복됩니다.

금속화는 여러 구성요소를 집적 회로로 상호 연결할 수 있습니다.

관련 워크시트:

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인쇄 회로 기판 레이아웃 및 제조 워크시트