Bảy công đoạn cơ bản trong fab

Bảy công đoạn tạo nên mọi cấu trúc trên chip

Sáu công đoạn đầu đổi mặt cắt wafer; công đoạn thứ bảy làm sạch rồi đo kết quả.

Mọi cấu trúc trên wafer (tấm silicon) là tổ hợp của bảy công đoạn; riêng phần đo của công đoạn cuối chỉ kiểm tra kết quả.

Quang khắc dùng lớp photoresist (chất cản quang) để ghi hình mạch.

Xem lời đọc

Mọi cấu trúc trên chip được tạo ra từ bảy loại công đoạn. Mỗi công đoạn đổi mặt cắt của wafer. Nung nóng trong oxy làm mọc lớp ô xít silicon, một phần chìm xuống dưới mặt silicon cũ. Lắng đọng thì phủ thêm một lớp màng mỏng lên trên. Quang khắc tạo hình trên lớp chất cản quang. Khắc bỏ phần màng không được che. Cấy ion đưa nguyên tử tạp chất vào bên trong silicon. Đánh bóng hóa cơ mài phẳng bề mặt. Công đoạn cuối làm sạch, bỏ hạt bụi và chất cản quang đã dùng xong. Công đoạn này cũng đo độ dày và kích thước, chỉ để kiểm tra kết quả.

Xử lý nhiệt gồm cả ủ: nung để mạng tinh thể lành lại và kích hoạt tạp chất sau khi cấy ion. Ô xít mọc bằng nung nóng ăn xuống silicon: mặt tiếp giáp ô xít với silicon nằm thấp hơn mặt silicon cũ (nét đứt trên thẻ), phần ô xít vượt lên trên mặt cũ lớn hơn phần chìm xuống. Màng lắng đọng thì nằm hoàn toàn trên mặt silicon.

Làm sạch gồm cả bóc chất cản quang sau khi dùng xong. Mỗi công đoạn có nhiều kỹ thuật con; mặt cắt chỉ cho thấy việc công đoạn làm với wafer, chiều dày và khoảng cách vẽ không theo tỉ lệ thật.

Quang khắc chuyển hình mặt nạ lên chất cản quang

Chỗ bị chiếu sáng tan đi khi hiện hình, hình mặt nạ nằm trên chất cản quang.

Ánh sáng mang hình photomask (mặt nạ) chiếu lên chất cản quang.

Sau đó development (hiện hình) rửa bỏ phần bị chiếu, để lộ lớp màng bên dưới.

Xem lời đọc

Quang khắc chuyển hình mạch từ mặt nạ lên chất cản quang. Mặt nạ là tấm kính có chỗ cho ánh sáng đi qua và chỗ chắn sáng. Ánh sáng chỉ chiếu xuống chất cản quang ở những chỗ mặt nạ để lọt qua. Chất cản quang ở chỗ bị chiếu đổi tính chất hóa học. Sau đó ta rửa hiện hình bằng dung dịch hóa học. Phần bị chiếu tan đi và để lộ lớp màng bên dưới. Phần không bị chiếu vẫn che kín lớp màng. Vậy hình của mặt nạ đã nằm trên chất cản quang.

Hình vẽ chất cản quang dương: phần bị chiếu tan đi; chất cản quang âm làm ngược lại. Hình vẽ cho ánh sáng đi qua mặt nạ; một số máy dùng mặt nạ phản xạ.

Trên wafer thật, hình mặt nạ được thu nhỏ khi chiếu; hình này vẽ 1 : 1 để dễ so lỗ.

Khắc chuyển hình từ chất cản quang xuống lớp màng

Chỗ chất cản quang mở là chỗ lớp màng bị bỏ đi.

Etch (khắc) bỏ màng ở những chỗ không được chất cản quang che.

Chất cản quang lúc này đóng vai lớp chắn.

Xem lời đọc

Sau quang khắc, chất cản quang đã có lỗ đúng hình mạch. Công đoạn khắc bỏ màng ở những chỗ không được che. Chất khắc tác động lên toàn bộ bề mặt. Chỗ có chất cản quang thì chất khắc không chạm tới được lớp màng. Chỗ có lỗ thì chất khắc làm mòn dần lớp màng. Khắc dừng khi lớp màng bị thủng tới mặt silicon. Vậy hình trên chất cản quang đã được chuyển xuống lớp màng.

Khắc khô dùng plasma (khí bị ion hóa, chứa hạt mang điện và gốc hóa học rất hoạt động); khắc ướt dùng dung dịch hóa học. Chất khắc được chọn để ăn màng mà gần như không ăn silicon, nên khắc dừng ở mặt silicon.

Chất cản quang vẫn còn trên màng sau khi khắc, rồi được bóc ở khâu làm sạch.

Cấy ion đưa tạp chất vào silicon, không cần phủ màng

Ion đi xuyên lỗ của chất cản quang vào thẳng silicon, nên lớp này bỏ khâu phủ màng.

Ion implantation (cấy ion) bắn ion tạp chất xuyên lỗ của chất cản quang vào silicon, tạo vùng pha tạp.

Lớp này không cần phủ màng mới trước khi cấy.

Xem lời đọc

Cấy ion đưa tạp chất vào trong silicon. Ở lớp này, chất cản quang nằm thẳng trên mặt silicon, không có lớp màng ở giữa. Chất cản quang vẫn có lỗ đúng hình mạch. Ta bắn ion tạp chất xuống toàn bộ bề mặt. Ion rơi vào chất cản quang thì bị giữ lại ở đó. Ion rơi qua lỗ thì đi vào bên trong silicon. Dưới mỗi lỗ hình thành một vùng pha tạp. Vậy lớp này đổi tính chất silicon mà không cần phủ thêm màng.

Sau khi cấy, ion chưa nằm đúng vị trí trong mạng tinh thể và mạng bị xô lệch, nên cần ủ nhiệt để mạng lành lại và tạp chất vào đúng chỗ (kích hoạt tạp chất). Ion dừng bên trong lớp chất cản quang nhờ lớp này đủ dày.

Hình đơn giản hóa: thực tế thường cấy qua một lớp ô xít mỏng bảo vệ mặt silicon.

CMP mài phẳng bề mặt trước lớp tiếp theo

Màng phủ lên cấu trúc có bậc bị gồ ghề; CMP mài đi phần nhô cao để bề mặt phẳng.

Chemical mechanical planarization (đánh bóng hóa – cơ, CMP) mài phẳng bề mặt bằng tác dụng cơ học kết hợp phản ứng hóa học.

Bề mặt phẳng là nền cho lớp tiếp theo.

Xem lời đọc

Sau khi phủ màng lên cấu trúc có bậc, bề mặt trở nên gồ ghề. Chỗ nào nằm trên cấu trúc thì màng nhô cao hơn. Lớp tiếp theo cần một mặt phẳng để chiếu hình cho rõ nét. CMP, tức đánh bóng hóa cơ, mài đi phần màng nhô cao. Việc mài dừng khi bề mặt đã phẳng. Màng còn lại có bề mặt phẳng trên cả chỗ có cấu trúc lẫn chỗ không có. Vậy mặt phẳng là nền cho lớp tiếp theo.

Nước mài (slurry) chứa hạt mài và hóa chất: hóa chất làm bề mặt dễ bị bóc, hạt mài và đĩa đệm lấy đi vật liệu. Mặt phẳng giúp lớp tiếp theo lấy nét được khi quang khắc.

Hình vẽ hai cấu trúc nhô cao không theo tỉ lệ; sau khi mài, màng còn mỏng trên đỉnh cấu trúc.

Vòng một lớp ghép các công đoạn thành chu trình

Lớp tạo hình bằng khắc đi đủ năm khâu của vòng; lớp cấy ion bỏ khâu phủ màng.

Vòng một lớp gồm năm khâu: phủ màng, vẽ hình, khắc, làm sạch, đo.

Vẽ hình là công đoạn quang khắc, làm sạch gồm cả bóc chất cản quang.

Xem lời đọc

Hầu hết các lớp trên chip được làm theo cùng một vòng gồm năm khâu. Khâu đầu tiên phủ lớp màng cần tạo hình. Khâu vẽ hình là quang khắc, gồm phủ chất cản quang, chiếu sáng và hiện hình. Khâu khắc bỏ màng qua những lỗ vừa mở. Khâu làm sạch bóc chất cản quang còn lại. Khâu cuối cùng đo kích thước và độ dày. Nhưng không phải lớp nào cũng đủ năm khâu. Lớp cấy ion bỏ khâu phủ màng, vì ion đi thẳng vào silicon. Ở đó cấy ion thay cho khắc. Chip tiên tiến lặp vòng này cho hàng chục lớp.

Một khâu của vòng dùng một công đoạn trong bảy công đoạn: phủ màng dùng lắng đọng hoặc oxy hóa; vẽ hình dùng quang khắc (phủ chất cản quang, chiếu sáng qua mặt nạ, hiện hình); khắc dùng khắc; làm sạch và đo dùng công đoạn thứ bảy. Lớp cấy ion thay khâu khắc bằng công đoạn cấy ion.

Một lần chạy một công đoạn trên wafer gọi là một bước xử lý; một chip đi qua rất nhiều bước xử lý. Đo kiểm được chèn sau gần như mọi khâu quan trọng, vì một lỗi ở lớp đầu làm hỏng công sức của các lớp sau. Chip tiên tiến dùng hàng chục mặt nạ, nghĩa là hàng chục vòng như vậy; CMP chỉ xuất hiện ở lớp cần mặt phẳng.

Overlay: các lớp phải chồng khít nhau

Hình của lớp mới phải trúng hình lớp dưới; lệch quá mức thì chip có thể hỏng.

Overlay (độ lệch lớp) là khoảng lệch giữa hình lớp mới và hình lớp bên dưới.

Ở chip tiên tiến, độ lệch này chỉ được phép cỡ vài nanô mét.

Xem lời đọc

Mỗi lớp được tạo hình bằng một mặt nạ riêng. Hình của lớp mới phải đặt đúng lên hình của lớp bên dưới. Khi chồng khớp, lỗ của lớp mới rơi trọn vào vùng pha tạp. Khi chồng lệch, lỗ trượt ra ngoài vùng pha tạp. Khoảng lệch giữa hai hình gọi là overlay, hay độ lệch lớp. Ở chip tiên tiến, overlay chỉ được phép cỡ vài nanô mét. Lớp trên lệch quá mức thì chip có thể hỏng.

Mỗi lớp dùng một mặt nạ riêng và căn theo dấu căn trên wafer nên giữa hai lớp vẫn có sai lệch. Hình vẽ phóng đại: độ lệch thật cỡ vài nm, nhỏ hơn nhiều so với bề rộng vùng pha tạp.

Tài liệu của nhà sản xuất máy quang khắc nêu yêu cầu độ lệch lớp trên sản phẩm cỡ 2,4 đến 3,5 nm cho các thế hệ công nghệ tiên tiến (2018, mục tiêu chung của nhà sản xuất máy).
Số liệu