Fabricarea dispozitivelor semiconductoare
Această intrare sau secțiune despre subiectul fizicii nu citează sursele necesare sau cei prezenți sunt insuficienți . |
Fabricarea dispozitivelor semiconductoare este procesul utilizat pentru realizarea circuitelor integrate și a cipurilor care sunt prezente în cele mai recente dispozitive electronice.
Acest proces industrial este implementat prin faze multiple, care implică utilizarea tehnologiilor fotolitografice și chimico-fizice, timp în care circuitele electronice sunt realizate treptat pe un substrat (așa-numita napolitane ) constând dintr-un singur cristal al unui semiconductor cu puritate. Siliciul este semiconductorul cel mai frecvent utilizat, deși arsenura de galiu , germaniu , nitrură de galiu și alte materiale sunt utilizate în unele aplicații specifice.
Procesul specific de construcție utilizat depinde de tipul circuitului integrat care urmează să fie fabricat. Acest articol descrie procesul tipic al circuitelor cu un nivel ridicat de integrare, cum ar fi, de exemplu, microprocesoarele în tehnologia CMOS . În astfel de circuite extrem de complexe, durata întregului proces de fabricație (de la napolitana până la asamblarea dispozitivului final) poate depăși două luni.
Wafer
O napolitană pentru aplicații electronice este fabricată dintr-un lingou semiconductor cu o puritate foarte mare (așa cum am menționat, siliciul este utilizat în majoritatea cazurilor). Acest lingou, de formă aproximativ cilindrică, este realizat prin creșterea substratului într-o formă monocristalină prin intermediul metodelor adecvate. Cea mai comună metodă de creștere este așa - numitul proces Czochralski .
De-a lungul anilor, tehnicile de fabricație s-au îmbunătățit treptat, permițând producția de lingouri cu un diametru din ce în ce mai mare. De exemplu, la începutul anilor nouăzeci , diametrul maxim al lingourilor obținute era de aproximativ 20 cm, în timp ce în 2006 această dimensiune era de 40 cm. Obținerea lingourilor cu diametru mare este - așa cum se va spune mai târziu - importantă pentru obținerea unor economii ridicate de scară.
După realizarea lor, lingourile sunt tăiate în napolitane , care în prezent (2006) au o grosime de aproximativ 0,75 mm. De obicei, napolitane fabricate dintr-un lingou cu diametru mai mare vor trebui să fie la fel de groase. Cu tehnologia disponibilă pentru aplicații comerciale în 2006, napolitane cu un diametru de 30 cm ar putea fi produse din lingouri de 40 cm. Suprafața plăcii este supusă unui tratament de planare a suprafeței, iar cele două fețe sunt paralele. Mai mult, precizia în care o placă de siliciu este făcută perfect plană este printre cele mai mari realizabile în procesele de prelucrare a suprafețelor industriale.
Procesul de fabricație a circuitelor integrate necesită utilizarea unor fabrici extrem de specializate și, prin urmare, extrem de costisitoare. De exemplu, în 1995, o astfel de fabrică a costat 750 de milioane de dolari; în 2005, o fabrică industrială cu o prospețime tehnologică comparabilă a avut un cost de aproximativ 3 miliarde de euro.
Compania de semiconductori TSMC a investit peste 500 de miliarde de dolari (aproximativ 14 miliarde de euro) în construcția viitoarei sale fabrici „Fab 18”, care va produce cipuri de 5 nm începând cu 2020. [1]
Ca rezultat, sectorul semiconductorilor trebuie să realizeze economii mari de scară, să obțină randamente ridicate ale procesului și să maximizeze productivitatea. Prin urmare, tendința naturală a acestui sector economic este spre o concentrare industrială ridicată.
Procese
Procesele care duc la realizarea dispozitivului final pornind de la placheta de siliciu vor fi ilustrate mai jos. Fazele implicate pot fi grupate în patru zone mari:
- Procese inițiale
- Procese finale
- Test
- Incorporarea în recipient
În fabricarea dispozitivelor semiconductoare, diferitele procese se încadrează în patru categorii generale: depunerea, îndepărtarea, litografia și modificarea proprietăților electrice.
- Depunerea este orice proces care mărește, acoperă sau (în orice fel) transferă materialul pe napolitane. Tehnicile posibile sunt în principal depunerea fizică a vaporilor ( depunerea fizică în vapori engleză , PVD), depunerea chimică a vaporilor ( depunerea chimică în vapori engleză , CVD), depunerea electrochimică ( depunerea electrochimică engleză , ECD), creșterea moleculară epitaxială (din fasciculul molecular englezesc) epitaxie , MBE) și mai recent depunerea stratului atomic (ALD).
- Sub denumirea de eliminare includem acele procese care scad materialul din volumul plăcii, fie la nivel global, fie selectiv. Aceste activități constau în principal din procese de coroziune în fază lichidă sau gazoasă, cum ar fi gravarea ionică reactivă (RIE). Planarizarea chimico-mecanică (CMP) este un alt proces de abraziune mecanic-chimic și este utilizat în general între diferite niveluri de depunere.
- Litografia include toate procesele care modelează sau modifică formele preexistente pe materialul depus.
De exemplu, litografia convențională folosește procesul de acoperire prin centrifugare pentru a acoperi napolitena cu o substanță chimică numită fotorezistent . Apoi, prin intermediul mașinilor numite aliniatori de mască sau steppers, măștile (de obicei din cuarț) sunt aliniate pe fotorezistent, care este expus la radiații ultraviolete de lungime adecvată. Regiunea neexpusă este eliminată din soluția de dezvoltare. După gravare și alte procese posibile, fotorezistentul rămas este îndepărtat uscat prin incinerare în plasmă (din cenușa plasmatică engleză) sau mai simplu prin dizolvarea acestuia într-un solvent adecvat.
- Modificarea proprietăților electrice a constat, în mod istoric, în adăugarea de impurități la siliciu (denumită tehnic doping ). Pentru a realiza tranzistoare și MOSFET-uri este necesar să se dopeze în mod corespunzător regiunile de siliciu care vor constitui cele trei terminale; în primii ani de microelectronică această procedură consta în utilizarea cuptoarelor de difuzie , în timp ce în ultimii ani implantarea ionului a devenit o tehnică mai răspândită. Acest proces de dopaj selectiv este urmat de un proces de recoacere. În cazul dispozitivelor avansate, se realizează o recoacere extrem de rapidă pentru a activa specia de dopant implantată sau pentru a reconstrui local structura cristalină. În prezent, modificarea constantei dielectrice relative pentru materialele izolante prin expunerea la razele ultraviolete face parte, de asemenea, din acest tip de proces.
Cipurile moderne sunt realizate folosind zeci de straturi de film și necesită multe sute de pași de proces.
Procesele inițiale se referă la formarea tranzistoarelor direct pe siliciu . Napolita brută este prelucrată la ralanti prin creșterea unui strat ultrapur lipsit de defecte cristaline prin creșterea epitaxială . Trebuie adăugat că, pentru anumite procese de fabricație particulare ale componentelor logice avansate, pentru a crește calitatea tranzistoarelor care urmează să fie fabricate, un strat de siliciu-germaniu este interpus între siliciu brut și siliciu epitaxial. Acest strat conferă un efort de tracțiune structurii cristaline a siliciuului epitaxial, sporind mobilitatea acestuia. Există o altă metodă numită Silicon on insulator (din engleza Silicon on insulator ) care implică interpunerea unui strat izolator (în general dioxid de siliciu ). Scopul acestui strat este de a reduce efectele parazite datorate interacțiunii dintre siliciu brut și siliciu epitaxial.
Următoarele procese sunt creșterea dielectricului porții, de obicei dioxid de siliciu, și modelarea porțiunii, a sursei și a regiunilor de drenaj. Abia atunci diferitele părți sunt dopate prin implantarea de ioni sau prin difuzie. Poarta, scurgerea și sursa sunt apoi modelate pentru a obține proprietățile electrice dorite.
La fabricarea memoriilor, sunt necesare condensatoare care sunt fabricate la același nivel de metalizare sau stivuite deasupra tranzistoarelor .
Odată ce toate dispozitivele sunt fabricate, este necesar să se fabrice firele metalice, izolate de restul de un dielectric . Acest proces este considerat procesul final. In mod traditional dielectric format din SiO2. Materialele alternative cu constantă dielectrică relativă mai mică, cum ar fi SiOC (constanta dielectrică relativă 2.7) sunt în prezent studiate, dar există materiale studiate în prezent cu o constantă dielectrică relativă de 2.2.
Sârmele metalice utilizate în mod obișnuit sunt aluminiu. În ultimii ani, cuprul a început să fie folosit pentru a evita electromigrarea . Aluminiul se depune pe toată placheta, modelată prin protecție cu fotorezistent. În cele din urmă, partea neprotejată este îndepărtată, lăsând firele izolate, pe care se depune ulterior materialul dielectric . Diferitele straturi metalice sunt interconectate prin intermediul găurilor din materialul izolant (numite vias în jargon). Interconectarea are loc prin intermediul unui strat de tungsten depus la CVD, care permite o bună acoperire a marginilor, necesară pentru a garanta continuitatea electrică. Această abordare este utilizată atunci când numărul nivelurilor de interconectare este mic (mai mic sau egal cu patru).
Numărul nivelurilor de interconectare tinde să crească odată cu complexitatea și densitatea dispozitivelor. Deoarece odată cu progresul tehnologiei, factorul care influențează cel mai mult timpul de întârziere tinde să fie întârzierea liniilor de transmisie, înlocuirea aluminiului cu cupru (metal cu conductivitate electrică mai mare) servește la reducerea incidenței acestuia. În prezent (2006) această inovație a fost aplicată doar în domeniul microprocesoarelor , în timp ce în DRAM interconectările sunt încă realizate din aluminiu. Viteza unei linii de transmisie depinde și de constanta dielectrică relativă. Îmbunătățirea performanței se realizează printr-un proces inovator în care oxidul este depus pe întreaga probă, conform unui model menit să creeze bariere și căi de contact în același proces de fabricație. Tehnologia cu filmul de cupru suferă îmbunătățiri tehnologice continue.
Pe măsură ce nivelurile de interconectare cresc, este necesară o tehnică de planare pentru a asigura o suprafață plană înainte de litografia ulterioară. Fără ea, straturile ar deveni complicate și se vor extinde dincolo de adâncimea litografică a câmpului, scăzând rezoluția acestuia. Planarizarea mecanică chimică (indicată prin acronimul său CMP din planarizarea mecanică chimică engleză) este principala tehnică dezvoltată în acest scop. Uneori, în cazul proceselor de nivel scăzut, se folosesc în schimb tehnici de gravare uscată.
