半導体製造技術

このセクションでは、シリコンベースの半導体のみの製造について説明します。ほとんどの半導体はシリコンです。シリコンは、トランジスタなどの集積部品のパターン化に役立つ酸化物コーティングを容易に形成するため、集積回路に特に適しています。

シリコン

シリコンは、二酸化ケイ素、SiO ₂ の形で、地球の地殻で2番目に一般的な元素です。 、別名ケイ砂として知られています。電気アーク炉で炭素を用いて還元することにより、シリコンから二酸化ケイ素を取り除きます

SiO ₂ + C =CO ₂ + Si

このような冶金グレードのシリコンは、ケイ素鋼変圧器のラミネーションでの使用に適していますが、半導体アプリケーションには十分な純度ではありません。塩化物SiCl ₄ への変換 （またはSiHCl ₃ ）分別蒸留による精製を可能にします。超高純度の亜鉛またはマグネシウムによる還元はスポンジシリコンを生成し、さらに精製する必要があります。または、水素による高温多結晶シリコンロッドヒーターでの熱分解により、超高純度のシリコンが生成されます。

Si + 3HCl =SiHCl ₃ + H ₂ SiHCl ₃ + H ₂ =Si + 3HCl ₂

多結晶シリコンは、誘導加熱されたグラファイトサセプタによって加熱された溶融シリカるつぼで溶融されます。あるいは、グラファイトヒーターは、高電流で低電圧によって直接駆動することができます。 チョクラルスキー法 、シリコン溶融物は、所望の結晶格子配向の鉛筆サイズの単結晶シリコンロッド上に固化される。 （下の図）ロッドは、直径が数インチに拡大するのを促進する速度で回転し、上方に引っ張られます。この直径に達すると、ブール 数フィートの長さまで一定の直径を維持する速度で自動的に引っ張られます。るつぼ溶融物にドーパントを添加して、例えば、Ｐ型半導体を作製することができる。成長装置は不活性雰囲気に囲まれています。

チョクラルスキー単結晶シリコンの成長。

完成したブールは正確な最終直径に粉砕され、端がトリミングされます。ブールは、内径のダイヤモンドソーによってウェーハにスライスされます。ウェーハは平らに研磨され、研磨されます。ウェーハはN型エピタキシャルを持つことができます 高品質のために熱蒸着によってウェーハ上に成長した層。製造のこの段階でのウェーハは、シリコンウェーハメーカーから半導体メーカーに配送されます。

シリコンブールは、ウェーハにダイヤモンドソーイングされています。

半導体の処理

半導体の処理には、酸エッチングによって金属平版印刷版を作成するプロセスであるフォトリソグラフィーが含まれます。これの電子ベースのバージョンは、銅のプリント回路基板の処理です。これは、半導体処理に関連するフォトリソグラフィーの簡単な紹介として、下の図で確認されています。

銅プリント回路基板の処理は、半導体処理のフォトリソグラフィーステップに似ています。

上の図（a）のエポキシグラスファイバーボードにラミネートされた銅箔から始めます。また、完成したボードに残る銅の配線線とパッドに対応する黒い線のあるポジティブなアートワークも必要です。ポジ型レジストを使用しているため、ポジ型のアートワークが必要です。ただし、ネガレジストは回路基板と半導体処理の両方に使用できます。 （b）では、液体ポジ型フォトレジストがプリント回路基板（PCB）の銅面に塗布されます。それは乾燥させられ、オーブンで焼かれるかもしれません。アートワークは、必要なサイズに拡大縮小された元のアートワークのプラスチックフィルムのポジティブな複製である可能性があります。アートワークは、（c）のガラス板の下で回路基板と接触して配置されます。ボードは紫外線（d）にさらされ、潜在的を形成します。 軟化したフォトレジストの画像。アートワークを取り除き（e）、軟化したレジストをアルカリ性溶液で洗い流します（f）。すすぎ、乾燥させた（焼き付けた）回路基板は、エッチング後に残る銅線とパッドの上に硬化したレジスト画像があります。ボードをエッチャント（g）に浸して、硬化レジストで保護されていない銅を除去します。エッチングされたボードはすすがれ、レジストは溶剤で除去されます。

半導体のパターン化の主な違いは、ウェーハ上の二酸化シリコン層が高温処理ステップ中にレジストの代わりになることです。ただし、低温湿式処理では、二酸化ケイ素をパターン化するためにレジストが必要です。

下の図（a）のN型ドープシリコンウェーハは、半導体接合の製造の出発材料です。二酸化ケイ素層（b）は、高温（拡散炉で1000°C以上）で酸素または水蒸気の存在下でウェーハ上に成長します。レジストのプールが冷却されたウェーハの中心に適用され、次にレジストを均一に分散させるための真空チャック。焼き付けレジスト（c）には、（d）でウェーハに適用されたクロムオンガラスマスクがあります。このマスクには、紫外線にさらされるウィンドウのパターンが含まれています（e）。

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シリコンダイオード接合の製造。

上の図（f）でマスクを取り外した後、アルカリ溶液でポジレジストを現像し（g）、UV軟化レジストのウィンドウを開きます。レジストの目的は、二酸化ケイ素をフッ化水素酸のエッチング（h）から保護し、マスクの開口部に対応する開いたウィンドウのみを残すことです。残りのレジスト（i）は、拡散炉に戻る前にウェーハから剥がされます。ウェーハは、拡散炉（j）内で高温のガス状P型ドーパントにさらされます。ドーパントは、二酸化シリコン層の開口部を通ってシリコンに拡散するだけです。開口部を介した各P拡散により、PN接合が生成されます。ダイオードが目的の製品である場合、ウェーハはダイヤモンドスクライブされ、個々のダイオードチップに分割されます。ただし、ウェーハ全体をさらに処理してバイポーラ接合トランジスタにすることもできます。

ダイオードをトランジスタに変換するには、既存のP領域の中央に小さなN型拡散が必要です。開口部が小さいマスクで前の手順を繰り返すと、これが実現します。上の図（j）には示されていませんが、P拡散中のそのステップで酸化物層が形成された可能性があります。 P拡散上の酸化物層を下の図（k）に示します。ポジ型フォトレジストを塗布して乾燥させます（l）。ガラスエミッターマスク上のクロムが適用され（m）、UV露光されます（n）。マスクが削除されます（o）。エミッター開口部のUV軟化レジストは、アルカリ性溶液（p）で除去されます。露出した二酸化ケイ素は、（q）でフッ化水素酸（HF）でエッチング除去されます

バイポーラ接合トランジスタの製造、シリコンダイオード接合の製造の続き。

未露光のレジストをウェーハから剥がした後（r）、拡散炉に入れます（高温処理のために上の図（s）。オキシ塩化リン（POCl）などのN型ガス状ドーパントが小さなエミッタを介して拡散します。これにより、BJTのエミッター、ベース、コレクターに対応するNPN層が作成されます。N型エミッターがP型ベースを完全に通過して駆動されず、エミッターが短絡しないことが重要です。エミッタとコレクタの間のベース領域も、トランジスタが有用なβを持つように薄くする必要があります。そうしないと、厚いベース領域がトランジスタではなくダイオードのペアを形成する可能性があります。トランジスタ領域との接触これには、酸化物を介した接触開口部のマスクを使用して前の手順（ここには示されていません）を繰り返す必要があります。別のマスクを使用して別の繰り返しを行うと、酸化物の上部の金属化パターンが定義され、開口部を介してトランジスタ領域に接触します。 gs。

金属化により、多数のトランジスタやその他のコンポーネントを集積回路に接続できます。 。ただし、示されているトランジスタは1つだけです。完成したウェーハはダイヤモンドスクライブされ、パッケージングのために個々のダイに分割されます。ファインゲージのアルミニウムワイヤは、ダイの金属化された接点をリードフレームにボンディングします。 、これにより、連絡先が最終パッケージから削除されます。

レビュー：

• ほとんどの半導体は、ウェーハ上にガラス酸化物を形成するため、超高純度シリコンをベースにしています。この酸化物はフォトリソグラフィーでパターン化できるため、複雑な集積回路が可能になります。
• ソーセージの形をしたシリコンの単結晶は、チョクラルスキー法によって成長します。これらは、ウェーハにダイヤモンドソーイングされます。
• フォトリソグラフィーによるシリコンウェーハのパターン化は、銅プリント回路基板のパターン化に似ています。フォトレジストは、マスクを通して紫外線にさらされるウェーハに適用されます。レジストが現像され、ウェーハがエッチングされます。
• フッ化水素酸エッチングにより、ウェーハ上部の保護二酸化ケイ素に窓が開きます。
• 高温でガス状ドーパントにさらされると、二酸化シリコン層の開口部によって定義される半導体接合が生成されます。
• 拡散、接触、金属化をさらに進めるために、フォトリソグラフィーが繰り返されます。
• 金属化により、複数のコンポーネントが集積回路に相互接続される場合があります。

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