La fabricació de xips és el procés més complex del món actual. Aquest és un procés complex realitzat per moltes empreses de primer nivell. Aquest article s'esforça per resumir aquest procés i donar una descripció completa i general d'aquest procés complex.
Hi ha molts processos de fabricació de semiconductors, i es diu que hi ha centenars o fins i tot milers de passos. Això no és una exageració. Una fàbrica amb una inversió de mil milions de dòlars només pot fer una petita part del procés. Per a un procés tan complex, aquest article es dividirà en cinc categories principals per a l'explicació: fabricació d'hòsties, fotolitografia i gravat, implantació d'ions, deposició de pel·lícula fina i embalatge i prova.
1. Procés de fabricació de semiconductors - fabricació d'hòsties
La fabricació d'hòsties es pot dividir en els següents 5 processos principals:
(1) Tirant de cristall
◈ El polisilici dopat es fon a 1400 graus
◈ Injecteu gas inert argó d'alta puresa
◈ Col·loqueu la "llavor" de silici d'un sol cristall a la fosa i feu-la girar lentament quan la "treu".
◈ El diàmetre del lingot d'un sol cristall està determinat per la temperatura i la velocitat d'extracció
(2) El tall d'hòsties utilitza una "serra" de precisió per tallar el lingot de silici en hòsties individuals.
(3) Llapat d'hòsties, gravat
◈ Les hòsties a rodanxes es trituren mecànicament amb una mòlta rotativa i un purí d'alúmina per fer que la superfície de l'hòstia és plana i paral·lela i reduir els defectes mecànics.
◈ A continuació, les hòsties es gravan en una solució d'àcid nitrurat/àcid acètic per eliminar esquerdes microscòpiques o danys a la superfície, seguit d'una sèrie de banys d'aigua RO/DI d'alta puresa.
(4) Polit i neteja d'hòsties
◈ A continuació, les hòsties es polien en una sèrie de processos de poliment químic i mecànic anomenats CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ El procés de polit normalment inclou de dos a tres passos de poliment amb purins cada cop més fins i neteja intermèdia amb aigua RO/DI. ◈ Es realitza una neteja final amb solució SC1 (amoníac, peròxid d'hidrogen i aigua RO/DI) per eliminar les impureses i partícules orgàniques. A continuació, s'utilitza HF per eliminar òxids natius i impureses metàl·liques i, finalment, la solució SC2 permet que creixin nous òxids natius ultra nets a la superfície. (5) Processament epitaxial d'hòsties
◈ El creixement epitaxial (EPI) s'utilitza per fer créixer una capa de silici monocristal·lí a partir de vapor sobre un substrat de silici monocristal·lí a altes temperatures.
◈ El procés de creixement d'una capa de silici monocristal·lí a partir de la fase de vapor s'anomena epitàxia en fase de vapor (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (tetraclorur de silici)
La reacció és reversible, és a dir, si s'afegeix HCl, el silici es gravarà de la superfície de l'hòstia.
Una altra reacció per generar Si és irreversible: SiH4 → Si + 2H2 (silà)
◈ El propòsit del creixement de l'EPI és formar capes amb diferents concentracions (generalment més baixes) de dopants elèctricament actius al substrat. Per exemple, una capa de tipus N sobre una hòstia de tipus P.
◈ Al voltant del 3% del gruix de l'hòstia.
◈ Sense contaminació a les estructures de transistors posteriors.
2. Procés de fabricació de semiconductors - Fotolitografia La màquina de fotolitografia, que s'ha esmentat molt en els últims anys, és només un dels molts equips de procés. Fins i tot la fotolitografia té molts passos i equips de procés.
(1) Recobriment fotoresistent
El fotoresistent és un material fotosensible. S'afegeix una petita quantitat de líquid fotoresistent a l'hòstia. L'hòstia es fa girar a una velocitat de 1000 a 5000 RPM, estenent el fotoresistent en un recobriment uniforme de 2 a 200 um de gruix. Hi ha dos tipus de fotoresistències: negatives i positives. Positiu: l'exposició a la llum pot trencar la complexa estructura molecular, facilitant la seva dissolució. Negatiu: l'exposició fa que l'estructura molecular sigui més complexa i més difícil de dissoldre. Els passos implicats en cada pas de fotolitografia són els següents; ◈ Netejar l'hòstia ◈ Dipositar la capa de barrera SiO2, Si3N4, metall ◈ Aplicar fotoresist ◈ Forn suau ◈ Alinear la màscara ◈ Exposició gràfica ◈ Desenvolupament ◈ Enfornar ◈ Gravar ◈ Eliminar fotoresist (2) Preparació de patrons per dissenyar el patró de preparació del programari CADIC de cada capa. A continuació, el patró es transfereix a un substrat de quars òpticament transparent (plantilla) amb el patró mitjançant un generador de patrons làser o un feix d'electrons.
(3) Transferència de patró (exposició) Aquí s'utilitza una màquina de fotolitografia per projectar i copiar el patró de la plantilla a la capa de xip.
(4) Desenvolupament i cocció ◈ Després de l'exposició, l'hòstia es desenvolupa en una solució àcida o alcalina per eliminar les zones exposades del fotoresistent. ◈ Una vegada que s'elimina la fotoresistència exposada, l'hòstia es "enforna" a baixa temperatura per endurir la fotoresistència restant.
3. Processos de fabricació de semiconductors - Gravat i implantació d'ions (1) Gravat humit i sec ◈ El gravat químic es realitza sobre una gran plataforma humida. ◈ S'utilitzen diferents tipus de solucions àcides, bases i càustiques per eliminar àrees seleccionades de diferents materials. ◈ BOE, o gravador d'òxid tamponat, està fet d'àcid fluorhídric tamponat amb fluorur d'amoni i s'utilitza per eliminar el diòxid de silici sense gravar la capa de silici o polisilici subjacent. ◈ L'àcid fosfòric s'utilitza per gravar capes de nitrur de silici. ◈ L'àcid nítric s'utilitza per gravar metalls. ◈ El fotoresist s'elimina amb àcid sulfúric. ◈ Per al gravat en sec, l'hòstia es col·loca en una cambra de gravat i es grava amb plasma. ◈ La seguretat del personal és una preocupació primordial. ◈ Moltes fabriques utilitzen equips automatitzats per dur a terme el procés de gravat. (2) Resist stripping
Aleshores, la fotoresistència s'elimina completament de l'hòstia, deixant un patró d'òxid a l'hòstia.
(3) Implantació iònica
◈ La implantació d'ions canvia les propietats elèctriques d'àrees precises dins de les capes existents a l'hòstia.
◈ Els implantadors d'ions utilitzen tubs acceleradors d'alta corrent i imants de direcció i enfocament per bombardejar la superfície de l'hòstia amb ions de dopants específics.
◈ L'òxid actua com a barrera mentre els productes químics dopants es dipositen a la superfície i es difonen a la superfície.
◈ La superfície de silici s'escalfa a 900 graus per al recuit i els ions dopants implantats es difonen més a la hòstia de silici.
4. Procés de fabricació de semiconductors - Deposició de pel·lícules primes
Hi ha moltes maneres i continguts de deposició de pel·lícula fina, que s'expliquen una per una a continuació: (1) Òxid de silici
Quan el silici existeix a l'oxigen, el SiO2 creixerà tèrmicament. L'oxigen prové de l'oxigen o del vapor d'aigua. La temperatura ambient ha de ser de 900 ~ 1200 graus. La reacció química que es produeix és
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
La superfície de la hòstia de silici després de l'oxidació selectiva es mostra a la figura següent:
Tant l'oxigen com l'aigua es difonen a través del SiO2 existent i es combinen amb Si per formar SiO2 addicional. L'aigua (vapor) es difon més fàcilment que l'oxigen, de manera que el vapor creix molt més ràpid.
L'òxid s'utilitza per proporcionar una capa aïllant i de passivació per formar la porta del transistor. L'oxigen sec s'utilitza per formar la porta i la capa fina d'òxid. El vapor s'utilitza per formar una capa gruixuda d'òxid. La capa d'òxid aïllant sol ser d'uns 1500 nm, i la capa de la porta sol estar entre 200 nm i 500 nm.
(2) Deposició de vapor químic
La deposició química de vapor (CVD) forma una pel·lícula fina a la superfície d'un substrat mitjançant la descomposició tèrmica i/o la reacció de compostos gasosos.
Hi ha tres tipus bàsics de reactors CVD: ◈ Deposició de vapor químic atmosfèric
◈ CVD de baixa pressió (LPCVD)
◈ CVD millorada per plasma (PECVD)
A continuació es mostra el diagrama esquemàtic del procés CVD de baixa pressió.
Els principals processos de reacció de CVD són els següents
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 graus)
Velocitat de deposició 100 - 200 nm/min
Es pot afegir fòsfor (fosfina), bor (diborà) o arsènic. El polisilici també es pot dopar amb gas de difusió després de la deposició.
ii). Diòxid de silici Diòxid
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 grau)
El SiO2 s'utilitza com a aïllant o capa de passivació. Normalment s'afegeix fòsfor per obtenir un millor rendiment del flux d'electrons.
iii). Nitrur de silici Nitrur de Siicon
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silà) (Amoníac) (Nitrur)
(3) Sputtering
L'objectiu és bombardejat amb ions d'alta energia com Ar+, i els àtoms de l'objectiu es mouran i es transportaran al substrat.
Els metalls com l'alumini i el titani es poden utilitzar com a objectius. (4) Evaporació
Al o Au (or) s'escalfa fins al punt d'evaporació, i el vapor es condensa i forma una pel·lícula fina que cobreix la superfície de l'hòstia.
L'exemple següent explicarà en detall com es forma el circuit de la hòstia de silici pas a pas des de la fotolitografia, el gravat fins a la deposició d'ions:
5. Procés de fabricació de semiconductors - Prova d'embalatge (postprocessament)
(1) Prova de l'hòstia Un cop finalitzada la preparació final del circuit, els dispositius de prova de l'hòstia es posen a prova mitjançant un mètode de prova de sonda automatitzat per eliminar els productes defectuosos.
(2) Daus de l'hòstia Després de la prova de la sonda, l'hòstia es talla en fitxes individuals.
(3) Cablejat i embalatge ◈ Els xips individuals estan connectats al marc de plom i els cables d'alumini o d'or es connecten mitjançant compressió tèrmica o soldadura per ultrasons. ◈ L'embalatge es completa tancant el dispositiu en un paquet de ceràmica o plàstic. ◈ La majoria dels xips encara s'han de sotmetre a proves funcionals finals abans d'enviar-los als usuaris posteriors.
