Chipfremstilling er den mest komplekse proces i verden i dag. Dette er en kompleks proces gennemført af mange topvirksomheder. Denne artikel stræber efter at opsummere denne proces og give en omfattende og generel beskrivelse af denne komplekse proces.
Der er mange halvlederfremstillingsprocesser, og det siges, at der er hundreder eller endda tusindvis af trin. Dette er ikke en overdrivelse. En fabrik med en milliardinvestering gør måske kun en lille del af processen. For en så kompleks proces vil denne artikel blive opdelt i fem hovedkategorier til forklaring: waferfremstilling, fotolitografi og ætsning, ionimplantation, tyndfilmaflejring og pakning og testning.
1. Fremstillingsproces for halvledere - fremstilling af wafers
Wafer-fremstilling kan opdeles i følgende 5 hovedprocesser:
(1) Krystaltræk
◈ Doteret polysilicium smeltes ved 1400 grader
◈ Injicer inert argongas med høj renhed
◈ Placer enkeltkrystal silicium "frø" i smelten og drej det langsomt, når det "trækkes ud".
◈ Diameteren af enkeltkrystalbarren bestemmes af temperaturen og ekstraktionshastigheden
(2) Wafer udskæring bruger en præcisions "sav" til at skære silicium barren i individuelle wafers.
(3) Wafer-lapning, ætsning
◈ De skiver, der er skåret i skiver, males mekanisk ved hjælp af en roterende kværn og aluminiumoxidopslæmning for at gøre waferoverfladen flad og parallel og reducere mekaniske defekter.
◈ Vaflerne ætses derefter i en nitreret syre/eddikesyreopløsning for at fjerne mikroskopiske revner eller overfladeskader, efterfulgt af en række RO/DI-vandbade med høj renhed.
(4) Wafer polering og rengøring
◈ Dernæst poleres waferne i en række kemiske og mekaniske poleringsprocesser kaldet CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Poleringsprocessen omfatter typisk to til tre poleringstrin ved brug af stadigt finere opslæmninger og mellemrensning med RO/DI-vand. ◈ En endelig rensning udføres med SC1-opløsning (ammoniak, hydrogenperoxid og RO/DI-vand) for at fjerne organiske urenheder og partikler. Derefter bruges HF til at fjerne native oxider og metalurenheder, og endelig tillader SC2-opløsning ultra-rene nye native oxider at vokse på overfladen. (5) Wafer epitaksial behandling
◈ Epitaksial vækst (EPI) bruges til at dyrke et lag enkeltkrystallinsk silicium fra damp på et enkeltkrystallinsk siliciumsubstrat ved høje temperaturer.
◈ Processen med at dyrke et enkeltkrystallinsk siliciumlag fra dampfasen kaldes dampfaseepitaksi (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (siliciumtetrachlorid)
Reaktionen er reversibel, dvs. hvis der tilsættes HCl, vil silicium blive ætset ud fra waferens overflade.
En anden reaktion for at generere Si er irreversibel: SiH4 → Si + 2H2 (silan)
◈ Formålet med EPI-vækst er at danne lag med forskellige (normalt lavere) koncentrationer af elektrisk aktive dopingstoffer på substratet. For eksempel et N-type lag på en P-type wafer.
◈ Cirka 3% af wafertykkelsen.
◈ Ingen forurening til efterfølgende transistorstrukturer.
2. Halvlederfremstillingsproces - Fotolitografi Fotolitografimaskinen, som er blevet omtalt meget i de senere år, er blot et af mange procesudstyr. Selv fotolitografi har mange procestrin og udstyr.
(1) Fotoresistbelægning
Fotoresist er et lysfølsomt materiale. En lille mængde fotoresistvæske tilsættes waferen. Waferen roteres med en hastighed på 1000 til 5000 RPM, hvorved fotoresisten spredes til en ensartet belægning på 2 til 200um tyk. Der er to typer fotoresists: negative og positive. Positivt: Udsættelse for lys kan nedbryde den komplekse molekylære struktur, hvilket gør den let at opløse. Negativt: Eksponering gør molekylstrukturen mere kompleks og sværere at opløse. Trinene involveret i hvert fotolitografitrin er som følger; ◈ Rengør waferen ◈ Aflejringsbarrierelag SiO2, Si3N4, metal ◈ Påfør fotoresist ◈ Soft bage ◈ Juster maske ◈ Grafisk eksponering ◈ Udvikling ◈ Bagning ◈ Æts ◈ Fjern fotoresist (2) Mønsterforberedelse af designersoftware design CAD Forberedelse Mønster IC af hvert lag. Mønsteret overføres derefter til et optisk transparent kvartssubstrat (skabelon) med mønsteret ved hjælp af en lasermønstergenerator eller elektronstråle.
(3) Mønsteroverførsel (eksponering) Her bruges en fotolitografimaskine til at projicere og kopiere mønsteret fra skabelonen over på chiplaget.
(4) Fremkaldelse og bagning ◈ Efter eksponering fremkaldes waferen i en sur eller alkalisk opløsning for at fjerne de udsatte områder af fotoresisten. ◈ Når den eksponerede fotoresist er fjernet, "bages" waferen ved en lav temperatur for at hærde den resterende fotoresist.
3. Halvlederfremstillingsprocesser - ætsning og ionimplantation (1) Våd og tør ætsning ◈ Kemisk ætsning udføres på en stor våd platform. ◈ Forskellige typer syre-, base- og kaustiske opløsninger bruges til at fjerne udvalgte områder af forskellige materialer. ◈ BOE, eller bufret oxidætsemiddel, er lavet af flussyre bufret med ammoniumfluorid og bruges til at fjerne siliciumdioxid uden at ætse det underliggende silicium- eller polysiliciumlag. ◈ Fosforsyre bruges til at ætse siliciumnitridlag. ◈ Salpetersyre bruges til at ætse metaller. ◈ Fotoresist fjernes med svovlsyre. ◈ Til tørætsning placeres waferen i et ætsekammer og ætset af plasma. ◈ Personalesikkerhed er en primær bekymring. ◈ Mange fabrikker bruger automatiseret udstyr til at udføre ætseprocessen. (2) Modstå afisolering
Fotoresisten fjernes derefter fuldstændigt fra waferen, hvilket efterlader et oxidmønster på waferen.
(3) Ionimplantation
◈ Ionimplantation ændrer de elektriske egenskaber af præcise områder inden for eksisterende lag på waferen.
◈ Ionimplantatører bruger højstrøms acceleratorrør og styre- og fokuseringsmagneter til at bombardere waferoverfladen med ioner af specifikke dopingstoffer.
◈ Oxidet fungerer som en barriere, mens dopingkemikalierne aflejres på overfladen og diffunderer ind i overfladen.
◈ Siliciumoverfladen opvarmes til 900 grader til udglødning, og de implanterede dopingioner diffunderer længere ind i siliciumwaferen.
4. Semiconductor Manufacturing Process - Thin Film Deposition
Der er mange måder og indhold af tyndfilmsaflejring, som forklares én efter én nedenfor: (1) Siliciumoxid
Når silicium findes i oxygen, vil SiO2 vokse termisk. Ilt kommer fra ilt eller vanddamp. Den omgivende temperatur skal være 900 ~ 1200 grader. Den kemiske reaktion, der opstår, er
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
Overfladen af siliciumwaferen efter selektiv oxidation er vist i figuren nedenfor:
Både oxygen og vand diffunderer gennem den eksisterende SiO2 og kombineres med Si for at danne yderligere SiO2. Vand (damp) diffunderer lettere end ilt, så dampen vokser meget hurtigere.
Oxid bruges til at tilvejebringe et isolerende og passiveringslag for at danne transistorporten. Tør oxygen bruges til at danne porten og det tynde oxidlag. Damp bruges til at danne et tykt oxidlag. Det isolerende oxidlag er normalt omkring 1500 nm, og gatelaget er normalt mellem 200 nm og 500 nm.
(2) Kemisk dampaflejring
Kemisk dampaflejring (CVD) danner en tynd film på overfladen af et substrat gennem termisk nedbrydning og/eller reaktion af gasformige forbindelser.
Der er tre grundlæggende typer af CVD-reaktorer: ◈ Atmosfærisk kemisk dampaflejring
◈ Lavtryk CVD (LPCVD)
◈ Plasmaforstærket CVD (PECVD)
Det skematiske diagram over lavtryks CVD-processen er vist nedenfor.
De vigtigste reaktionsprocesser for CVD er som følger
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 grader)
Aflejringshastighed 100 - 200 nm/min
Fosfor (phosphin), bor (diboran) eller arsengas kan tilsættes. Polysilicium kan også dopes med diffusionsgas efter deponering.
ii). Siliciumdioxid Dioxid
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 grad)
SiO2 bruges som isolator eller passiveringslag. Fosfor tilsættes normalt for at opnå bedre elektronstrømningsydelse.
iii). Siliciumnitrid Siiconnitrid
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silan) (Ammoniak) (Nitrid)
(3) Sputtering
Målet bombarderes med højenergi-ioner såsom Ar+, og atomerne i målet vil blive flyttet og transporteret til substratet.
Metaller som aluminium og titanium kan bruges som mål. (4) Fordampning
Al eller Au (guld) opvarmes til fordampningspunktet, og dampen vil kondensere og danne en tynd film, der dækker overfladen af waferen.
Det følgende eksempel vil forklare i detaljer, hvordan kredsløbet på siliciumwaferen dannes trin for trin fra fotolitografi, ætsning til ionaflejring:
5. Semiconductor Manufacturing Process - Emballagetest (efterbehandling)
(1) Wafertest Efter at den endelige kredsløbsforberedelse er afsluttet, testes testenhederne på waferen ved hjælp af en automatiseret probetestmetode for at fjerne defekte produkter.
(2) Diskning af skiver Efter probetesten skæres waferen i individuelle chips.
(3) Ledninger og emballering ◈ Individuelle spåner er forbundet til ledningsrammen, og aluminium- eller guldledninger er forbundet ved termisk kompression eller ultralydssvejsning. ◈ Emballering afsluttes ved at forsegle enheden i en keramik- eller plastikemballage. ◈ De fleste chips skal stadig gennemgå den endelige funktionelle test, før de sendes til downstream-brugere.
