Memahami Proses Fabrikasi Perangkat Semikonduktor Secara Lengkap

1. Fotolitografi 

Fotolitografi, sering kali identik dengan pembuatan pola, adalah salah satu kekuatan pendorong paling penting di balik kemajuan pesat teknologi semikonduktor, yang berasal dari proses pembuatan pelat fotografi dalam pencetakan. Teknik ini memungkinkan penyajian pola apa pun pada skala mikro atau nano menggunakan photoresist, dan bila dikombinasikan dengan teknologi proses lainnya, mentransfer pola-pola ini ke material, mewujudkan berbagai desain dan konsep material dan perangkat semikonduktor. Sumber cahaya yang digunakan dalam fotolitografi secara langsung mempengaruhi ketepatan pola, dengan pilihan mulai dari ultraviolet, ultraviolet dalam, hingga sinar-X, dan berkas elektron, masing-masing berhubungan dengan peningkatan tingkat kesetiaan pola dalam urutan yang disebutkan.

Alur proses fotolitografi standar mencakup persiapan permukaan, adhesi, pemanggangan lunak, pemaparan, pemanggangan pasca pemaparan, pengembangan, pemanggangan keras, dan inspeksi.

Perawatan permukaan sangat penting karena substrat biasanya menyerap molekul H2O dari udara, sehingga merugikan fotolitografi. Oleh karena itu, substrat awalnya mengalami proses dehidrasi melalui pemanggangan.

Untuk substrat hidrofilik, daya rekatnya terhadap fotoresis hidrofobik tidak mencukupi, sehingga berpotensi menyebabkan pelepasan fotoresis atau ketidaksejajaran pola, sehingga diperlukan promotor adhesi. Saat ini, hexamethyl disilazane (HMDS) dan tri-methyl-silyl-diethyl-amine (TMSDEA) banyak digunakan sebagai peningkat adhesi.

Setelah perawatan permukaan, penerapan photoresist dimulai. Ketebalan photoresist yang diterapkan tidak hanya berhubungan dengan viskositasnya tetapi juga dipengaruhi oleh kecepatan putaran pelapisan, umumnya berbanding terbalik dengan akar kuadrat kecepatan putaran. Setelah pelapisan, pemanggangan lembut dilakukan untuk menguapkan pelarut dari photoresist, sehingga meningkatkan daya rekat dalam proses yang dikenal sebagai prebake.

Setelah langkah-langkah ini selesai, pemaparan terjadi. Fotoresis diklasifikasikan menjadi positif atau negatif, dengan sifat berlawanan setelah pemaparan.

Ambil contoh photoresist positif, di mana photoresist yang tidak terpapar tidak larut dalam pengembang, tetapi menjadi larut setelah paparan. Selama pemaparan, sumber cahaya, melewati topeng berpola, menerangi substrat yang dilapisi, membentuk pola photoresist. Biasanya, media harus disejajarkan dengan masker sebelum pemaparan untuk mengontrol posisi pemaparan secara tepat. Durasi pemaparan harus diatur secara ketat untuk mencegah distorsi pola. Pasca paparan, pemanggangan tambahan mungkin diperlukan untuk mengurangi efek gelombang berdiri, meskipun langkah ini bersifat opsional dan dapat dilewati demi pengembangan langsung. Pengembangan melarutkan photoresist yang terbuka, mentransfer pola topeng secara akurat ke lapisan photoresist. Waktu pengembangan juga penting—terlalu pendek menyebabkan pengembangan tidak lengkap, terlalu lama menyebabkan distorsi pola.

Selanjutnya, pemanggangan keras memperkuat perlekatan film photoresist ke substrat dan meningkatkan ketahanan terhadap etsa. Suhu pemanggangan keras umumnya sedikit lebih tinggi dibandingkan suhu pemanggangan awal.

Terakhir, pemeriksaan mikroskopis memverifikasi apakah polanya sesuai dengan harapan. Setelah pola dipindahkan ke material melalui proses lain, photoresist telah memenuhi tujuannya dan harus dihilangkan. Metode pengupasan meliputi basah (menggunakan pelarut organik kuat seperti aseton) dan kering (menggunakan plasma oksigen untuk mengetsa lapisan film).

2. Teknik Doping 

Doping sangat diperlukan dalam teknologi semikonduktor, mengubah sifat listrik bahan semikonduktor sesuai kebutuhan. Metode doping yang umum meliputi difusi termal dan implantasi ion.

(1) Implantasi Ion 

Implantasi ion meracuni substrat semikonduktor dengan membombardirnya dengan ion berenergi tinggi. Dibandingkan dengan difusi termal, ia memiliki banyak keunggulan. Ion-ion tersebut, dipilih oleh penganalisis massa, memastikan kemurnian doping yang tinggi. Selama implantasi, substrat tetap pada suhu kamar atau sedikit lebih tinggi. Banyak film masking yang dapat digunakan, seperti silikon dioksida (SiO2), silikon nitrida (Si3N4), dan photoresist, memberikan fleksibilitas tinggi dengan teknik masker self-aligned. Dosis implan dikontrol secara tepat, dan distribusi ion pengotor yang ditanamkan seragam dalam bidang yang sama, sehingga menghasilkan pengulangan yang tinggi.

Kedalaman implantasi ditentukan oleh energi ion. Dengan mengatur energi dan dosis, distribusi ion pengotor dalam substrat pasca implantasi dapat dimanipulasi. Implantasi ganda dengan skema bervariasi dapat dilakukan terus menerus untuk mencapai berbagai profil pengotor. Khususnya, dalam substrat kristal tunggal, jika arah implantasi sejajar dengan arah kristalografi, efek penyaluran akan terjadi—beberapa ion akan bergerak sepanjang saluran, sehingga kontrol kedalaman menjadi sulit.

Untuk mencegah penyaluran, implantasi biasanya dilakukan pada sudut sekitar 7° terhadap sumbu utama substrat kristal tunggal atau dengan menutupi substrat dengan lapisan amorf.

Namun, implantasi ion dapat merusak struktur kristal substrat secara signifikan. Ion berenergi tinggi, ketika bertumbukan, mentransfer energi ke inti dan elektron substrat, menyebabkannya meninggalkan kisi dan membentuk pasangan cacat kekosongan interstisial. Dalam kasus yang parah, struktur kristal di beberapa daerah mungkin hancur, membentuk zona amorf.

Kerusakan kisi sangat mempengaruhi sifat kelistrikan bahan semikonduktor, seperti berkurangnya mobilitas pembawa atau masa pakai pembawa non-ekuilibrium. Yang paling penting, sebagian besar pengotor yang ditanamkan menempati lokasi interstisial yang tidak teratur, sehingga gagal membentuk doping yang efektif. Oleh karena itu, perbaikan kerusakan kisi pasca implantasi dan aktivasi listrik dari kotoran sangat penting.

(2)Pemrosesan Termal Cepat (RTP)

 Anil termal adalah metode paling efektif untuk memperbaiki kerusakan kisi yang disebabkan oleh implantasi ion dan pengotor pengaktifan listrik. Pada suhu tinggi, pasangan cacat kekosongan interstisial dalam kisi kristal substrat akan bergabung kembali dan menghilang; daerah amorf juga akan mengkristal kembali dari batas dengan daerah kristal tunggal melalui epitaksi fase padat. Untuk mencegah bahan substrat teroksidasi pada suhu tinggi, anil termal harus dilakukan dalam atmosfer vakum atau gas inert. Anil tradisional memerlukan waktu lama dan dapat menyebabkan redistribusi pengotor yang signifikan karena difusi.

MunculnyaTeknologi RTPmengatasi masalah ini, sebagian besar menyelesaikan perbaikan kerusakan kisi dan aktivasi pengotor dalam durasi anil yang lebih singkat.

Tergantung pada sumber panasnya,RTPdikategorikan menjadi beberapa jenis: pemindaian berkas elektron, berkas elektron dan ion berdenyut, laser berdenyut, laser gelombang kontinu, dan sumber cahaya tidak koheren broadband (lampu halogen, pemanas grafit, lampu busur), dengan yang terakhir adalah yang paling banyak digunakan. Sumber-sumber ini dapat memanaskan substrat hingga suhu yang diperlukan dalam sekejap, menyelesaikan anil dalam waktu singkat dan secara efektif mengurangi difusi pengotor.

3. Teknik Deposisi Film

(1) Deposisi Uap Kimia yang Ditingkatkan Plasma (PECVD)

PECVD adalah salah satu bentuk teknik Deposisi Uap Kimia (CVD) untuk pengendapan film, dua lainnya adalah CVD Tekanan Atmosfer (APCVD) dan CVD Tekanan Rendah (LPCVD).

Saat ini, PECVD merupakan yang paling banyak diterapkan di antara ketiga jenis tersebut. Ia menggunakan plasma frekuensi radio (RF) untuk memulai dan mempertahankan reaksi kimia pada suhu yang relatif rendah, sehingga memfasilitasi deposisi film suhu rendah dengan laju deposisi yang tinggi. Skema peralatannya seperti yang diilustrasikan. 

Film yang dihasilkan melalui metode ini menunjukkan sifat adhesi dan kelistrikan yang luar biasa, mikroporositas minimal, keseragaman tinggi, dan kemampuan pengisian skala kecil yang kuat. Faktor-faktor yang mempengaruhi kualitas deposisi PECVD meliputi suhu substrat, laju aliran gas, tekanan, daya RF, dan frekuensi.

(2) Tergagap 

Sputtering adalah metode Deposisi Uap Fisik (PVD). Ion bermuatan (umumnya ion Argon, Ar+) dipercepat dalam medan listrik, memperoleh energi kinetik. Mereka diarahkan ke bahan target, bertabrakan dengan molekul target dan menyebabkannya terlepas dan tergagap. Molekul-molekul ini juga memiliki energi kinetik yang signifikan dan bergerak menuju substrat, mengendap di atasnya.

Sumber daya sputtering yang biasanya digunakan mencakup Arus Searah (DC) dan Frekuensi Radio (RF), di mana sputtering DC dapat diterapkan langsung pada bahan konduktif seperti logam, sedangkan bahan isolasi memerlukan sputtering RF untuk pengendapan film.

Sputtering konvensional mempunyai tingkat deposisi yang rendah dan tekanan kerja yang tinggi, sehingga menghasilkan kualitas film yang lebih rendah. Sputtering magnetron mengatasi masalah ini dengan lebih ideal. Ia menggunakan medan magnet eksternal untuk mengubah lintasan linier ion menjadi jalur heliks di sekitar arah medan magnet, memperpanjang jalurnya dan meningkatkan efisiensi tumbukan dengan molekul target, sehingga meningkatkan efisiensi sputtering. Hal ini menghasilkan peningkatan laju deposisi, pengurangan tekanan kerja, dan peningkatan kualitas film secara signifikan.

4. Mengetsa Teknik

Pengetsaan diklasifikasikan ke dalam mode kering dan basah, masing-masing diberi nama berdasarkan penggunaan (atau kurangnya) larutan spesifik.

Biasanya, pengetsaan memerlukan persiapan lapisan masker (yang dapat langsung menjadi photoresist) untuk melindungi area yang tidak dimaksudkan untuk pengetsaan.

(1) Etsa Kering

Jenis etsa kering yang umum meliputiPengetsaan Plasma Berpasangan Induktif (ICP)., Etsa Berkas Ion (IBE), dan Etsa Ion Reaktif (RIE).

Dalam pengetsaan ICP, plasma yang dihasilkan lucutan pijar mengandung banyak radikal bebas yang sangat aktif secara kimia (atom bebas, molekul, atau gugus atom), yang bereaksi secara kimia dengan bahan target untuk membentuk produk yang mudah menguap, sehingga mencapai pengetsaan.

IBE menggunakan ion berenergi tinggi (terionisasi dari gas inert) untuk langsung membombardir permukaan material target untuk pengetsaan, yang mewakili proses fisik.

RIE dianggap sebagai kombinasi dari dua sebelumnya, menggantikan gas inert yang digunakan dalam IBE dengan gas yang digunakan dalam etsa ICP, sehingga membentuk RIE.

Untuk etsa kering, laju etsa vertikal jauh melebihi laju lateral, yaitu memiliki rasio aspek yang tinggi, sehingga memungkinkan replikasi pola topeng secara presisi. Namun, etsa kering juga mengetsa lapisan masker, sehingga menunjukkan selektivitas yang lebih buruk (rasio laju etsa bahan target terhadap lapisan masker), terutama dengan IBE, yang mungkin mengetsa secara non-selektif di seluruh permukaan material.

(2) Etsa Basah 

Etsa basah menunjukkan metode etsa yang dilakukan dengan merendam bahan target dalam larutan (etsa) yang bereaksi secara kimia dengannya.

Metode etsa ini sederhana, hemat biaya, dan menunjukkan selektivitas yang baik namun memiliki rasio aspek yang rendah. Bahan di bawah tepi masker dapat terkorosi, sehingga kurang presisi dibandingkan etsa kering. Untuk mengurangi dampak negatif dari rasio aspek yang rendah, tingkat etsa yang sesuai harus dipilih. Faktor-faktor yang mempengaruhi laju etsa meliputi konsentrasi etsa, waktu etsa, dan suhu etsa.**