กระบวนการ Front-End ในการผลิตชิป: การสะสมฟิล์มบาง

กระบวนการ Front-End ในการผลิตชิป: การสะสมฟิล์มบาง

วงจรรวมประกอบด้วยขั้นตอนการผลิตที่ซับซ้อนและละเอียดอ่อนมากมาย ซึ่งการสะสมฟิล์มบางเป็นหนึ่งในเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุด วัตถุประสงค์ของการสะสมฟิล์มบางคือการสร้างชั้นหลายชั้นในอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์และรับประกันฉนวนระหว่างชั้นโลหะ ชั้นโลหะนำไฟฟ้าหลายชั้นและชั้นฉนวนไดอิเล็กทริกถูกวางซ้อนกันสลับกันบนพื้นผิวเวเฟอร์ จากนั้นจึงถูกกำจัดออกอย่างเลือกสรรผ่านกระบวนการกัดซ้ำๆ เพื่อสร้างโครงสร้าง 3 มิติ

คำว่า บาง โดยทั่วไปหมายถึงฟิล์มที่มีความหนาน้อยกว่า 1 ไมครอน ซึ่งไม่สามารถผลิตได้ด้วยการตัดเฉือนเชิงกลแบบเดิม กระบวนการติดฟิล์มโมเลกุลหรืออะตอมเหล่านี้บนพื้นผิวเวเฟอร์เรียกว่า การสะสม

 

ขึ้นอยู่กับหลักการพื้นฐาน เทคนิคการสะสมฟิล์มบางโดยทั่วไปแบ่งออกเป็น:

• การสะสมไอสารเคมี (CVD)

• การสะสมไอทางกายภาพ (PVD)

• การสะสมชั้นอะตอม (ALD)

เนื่องจากเทคโนโลยีฟิล์มบางมีการพัฒนาขึ้น ระบบการสะสมต่างๆ จึงเกิดขึ้นเพื่อให้บริการในขั้นตอนต่างๆ ของการผลิตเวเฟอร์

---

▌การสะสมไอทางกายภาพ (PVD)

PVD หมายถึงกลุ่มของกระบวนการที่ใช้สุญญากาศซึ่งใช้วิธีการทางกายภาพในการทำให้วัสดุเป้าหมาย (ของแข็งหรือของเหลว) กลายเป็นไอในรูปของอะตอมหรือโมเลกุล หรือทำให้เป็นไอออนบางส่วน และขนส่งผ่านก๊าซหรือพลาสมาที่มีแรงดันต่ำเพื่อสะสมฟิล์มฟังก์ชันบนพื้นผิว

วิธีการ PVD ทั่วไป ได้แก่:

• การสะสมโดยการระเหย

• การสะสมโดยการสปัตเตอร์

• การสะสมพลาสมาอาร์ค

• การเคลือบไอออน

• Molecular beam epitaxy (MBE)

PVD มีลักษณะดังนี้:

• ความบริสุทธิ์ของฟิล์มสูง

• คุณภาพฟิล์มคงที่

• อุณหภูมิการประมวลผลต่ำกว่า

• อัตราการสะสมสูง

• ต้นทุนการผลิตค่อนข้างต่ำ

PVD ส่วนใหญ่ใช้สำหรับการสะสมฟิล์มโลหะ และไม่เหมาะสำหรับฟิล์มฉนวน เหตุผลก็คือเมื่อไอออนบวกชนกับเป้าหมายฉนวน พวกมันจะถ่ายโอนพลังงานจลน์ไปยังพื้นผิวเป้าหมาย แต่ไอออนบวกเหล่านั้นส่วนใหญ่ใช้สำหรับการสะสมฟิล์มโลหะสะสมบนพื้นผิว การสร้างประจุนี้จะสร้างสนามไฟฟ้าที่ผลักไอออนที่เข้ามาและในที่สุดก็หยุดกระบวนการสปัตเตอร์

● การระเหยสุญญากาศ

ในสภาพแวดล้อมสุญญากาศ วัสดุเป้าหมายจะถูกทำให้ร้อนและระเหย อะตอมหรือโมเลกุลจะระเหยออกจากพื้นผิวและเดินทางโดยมีการชนกันน้อยที่สุดผ่านสุญญากาศเพื่อสะสมบนพื้นผิว วิธีการให้ความร้อนทั่วไป ได้แก่:

• การให้ความร้อนแบบต้านทาน

• การเหนี่ยวนำความถี่สูง

• การยิงลำแสงอิเล็กตรอน ลำแสงเลเซอร์ หรือลำแสงไอออน

● การสะสมโดยการสปัตเตอร์

ในสุญญากาศ อนุภาคพลังงานสูง (โดยทั่วไปคือไอออน Ar⁺) จะชนกับพื้นผิวเป้าหมาย ทำให้เกิดการดีดตัวของอะตอมและสะสมบนพื้นผิว

● การเคลือบไอออน

การเคลือบไอออนใช้พลาสมาเพื่อทำให้วัสดุเคลือบเป็นไอออนและอะตอมที่เป็นกลางพลังงานสูง มีการใช้ไบแอสลบกับพื้นผิว ดึงดูดไอออนให้สะสมและสร้างฟิล์มบาง

---

▌การสะสมไอสารเคมี (CVD)

CVD ใช้ปฏิกิริยาเคมีในการสะสมฟิล์มบาง ก๊าซรีเอเจนต์จะถูกนำเข้าสู่ห้องปฏิกิริยาและเปิดใช้งานโดยใช้ความร้อน พลาสมา หรือแสง ก๊าซเหล่านี้ทำปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อสร้างฟิล์มของแข็งที่ต้องการบนพื้นผิว ในขณะที่ผลพลอยได้จะถูกปล่อยออกจากห้อง

CVD มีหลายรูปแบบขึ้นอยู่กับเงื่อนไข:

• การสะสมไอสารเคมีที่ความดันบรรยากาศ (APCVD)

• การสะสมไอสารเคมีที่ความดันต่ำ (LPCVD)

• การสะสมไอสารเคมีที่เพิ่มประสิทธิภาพด้วยพลาสมา (PECVD)

• PECVD ความหนาแน่นสูง (HDPECVD)

• Metal-Organic CVD (MOCVD)

• การสะสมชั้นอะตอม (ALD)

ฟิล์ม CVD โดยทั่วไปแสดง:

• ความบริสุทธิ์สูง

• ประสิทธิภาพที่เหนือกว่า
  เป็นวิธีการหลักในการผลิตฟิล์มโลหะ ไดอิเล็กทริก และเซมิคอนดักเตอร์ในการผลิตชิป

● APCVD

ดำเนินการที่ความดันบรรยากาศและ 400–800 °C ใช้สำหรับการผลิตฟิล์ม เช่น:

• ซิลิคอนเดี่ยวคริสตัล

• ซิลิคอนโพลีคริสตัลไลน์

• ซิลิคอนไดออกไซด์ (SiO₂)

• Doped SiO₂

● LPCVD

ใช้ในกระบวนการ >90nm สำหรับการผลิต:

• SiO₂, PSG/BPSG

• ซิลิคอนไนไตรด์ (Si₃N₄)

• โพลีซิลิคอน

● PECVD

ใช้กันอย่างแพร่หลายในโหนด 28–90 nm สำหรับการสะสมวัสดุไดอิเล็กทริกและเซมิคอนดักเตอร์
ข้อดี:

• อุณหภูมิการสะสมต่ำกว่า

• ความหนาแน่นและความบริสุทธิ์ของฟิล์มสูงกว่า

• อัตราการสะสมที่เร็วขึ้น
  ระบบ PECVD ได้กลายเป็นเครื่องมือฟิล์มบางที่ใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุดในโรงงานเมื่อเทียบกับ APCVD และ LPCVD

---

▌การสะสมชั้นอะตอม (ALD)

ALD เป็น CVD ชนิดพิเศษที่ช่วยให้การเติบโตของฟิล์มบางพิเศษโดยการสะสมชั้นอะตอมทีละชั้นผ่านปฏิกิริยาพื้นผิวแบบจำกัดตัวเอง 

แตกต่างจาก CVD ทั่วไป ALD จะสลับพัลส์สารตั้งต้น แต่ละชั้นจะเกิดขึ้นจากปฏิกิริยาพื้นผิวตามลำดับกับชั้นที่สะสมไว้ก่อนหน้านี้ ซึ่งช่วยให้:

• การควบคุมความหนาในระดับอะตอม

• การครอบคลุมแบบ Conformal

• ฟิล์มที่ไม่มีรูเข็ม

ALD รองรับการสะสม:

• โลหะ

• ออกไซด์

• คาร์ไบด์ ไนไตรด์ ซัลไฟด์ ซิลิไซด์

• เซมิคอนดักเตอร์และตัวนำยิ่งยวด

เนื่องจากความหนาแน่นของการรวมตัวเพิ่มขึ้นและขนาดอุปกรณ์เล็กลง ไดอิเล็กทริก k สูงจึงเข้ามาแทนที่ SiO₂ ในเกตทรานซิสเตอร์ การครอบคลุมขั้นตอนที่ยอดเยี่ยมและการควบคุมความหนาที่แม่นยำของ ALD ทำให้เหมาะสำหรับการผลิตอุปกรณ์ขั้นสูงและมีการนำมาใช้มากขึ้นในการผลิตชิประดับแนวหน้า

---

▌การเปรียบเทียบเทคโนโลยีการสะสม

● ประสิทธิภาพการสะสมฟิล์ม

(ที่นี่คุณสามารถแทรกตารางเปรียบเทียบการปฏิบัติตาม ความคุมความหนา การครอบคลุมขั้นตอน ฯลฯ)

 

● เทคโนโลยีและการประยุกต์ใช้งาน

(แทรกตารางแสดงกรณีการใช้งาน PVD เทียบกับ CVD เทียบกับ ALD)

 

● อุปกรณ์และความสามารถ

(แทรกตารางเปรียบเทียบอัตราการสะสม อุณหภูมิ ความสม่ำเสมอ ต้นทุน)

---

บทสรุป

ความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการสะสมฟิล์มบางเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องของอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ กระบวนการเหล่านี้มีความหลากหลายและมีความเชี่ยวชาญมากขึ้น ทำให้เกิดนวัตกรรมและการปรับปรุงเพิ่มเติมในการผลิตวงจรรวม