La fabricación de chips es el proceso más complejo del mundo en la actualidad. Se trata de un proceso complejo que llevan a cabo muchas empresas de primer nivel. Este artículo pretende resumir este proceso y ofrecer una descripción general y completa de este complejo proceso.
Existen muchos procesos de fabricación de semiconductores y se dice que hay cientos o incluso miles de pasos. No es una exageración. Una fábrica con una inversión de mil millones de dólares puede que solo realice una pequeña parte del proceso. Para un proceso tan complejo, este artículo se dividirá en cinco categorías principales para su explicación: fabricación de obleas, fotolitografía y grabado, implantación de iones, deposición de película fina y empaquetado y pruebas.
1. Proceso de fabricación de semiconductores: fabricación de obleas
La fabricación de obleas se puede dividir en los siguientes cinco procesos principales:
(1) Extracción de cristales
◈ El polisilicio dopado se funde a 1400 grados
◈ Inyectar gas inerte argón de alta pureza
◈ Coloque la "semilla" de silicio monocristalino en la masa fundida y gírela lentamente cuando la "saca".
◈ El diámetro del lingote monocristal está determinado por la temperatura y la velocidad de extracción.
(2) El corte de obleas utiliza una "sierra" de precisión para cortar el lingote de silicio en obleas individuales.
(3) Pulido y grabado de obleas
◈ Las obleas cortadas se muelen mecánicamente utilizando un molinillo rotatorio y una suspensión de alúmina para hacer que la superficie de la oblea sea plana y paralela y reducir los defectos mecánicos.
◈ Luego, las obleas se graban en una solución de ácido nitrurado/ácido acético para eliminar grietas microscópicas o daños en la superficie, seguido de una serie de baños de agua RO/DI de alta pureza.
(4) Pulido y limpieza de obleas
◈ A continuación, las obleas se pulen en una serie de procesos de pulido químico y mecánico llamados CMP (pulido químico-mecánico). ◈ El proceso de pulido normalmente incluye de dos a tres pasos de pulido utilizando lodos cada vez más finos y una limpieza intermedia utilizando agua RO/DI. ◈ Se realiza una limpieza final utilizando una solución SC1 (amoníaco, peróxido de hidrógeno y agua RO/DI) para eliminar las impurezas y partículas orgánicas. Luego, se utiliza HF para eliminar los óxidos nativos y las impurezas metálicas y, finalmente, la solución SC2 permite que nuevos óxidos nativos ultralimpios crezcan en la superficie. (5) Procesamiento epitaxial de obleas
◈ El crecimiento epitaxial (EPI) se utiliza para hacer crecer una capa de silicio monocristalino a partir de vapor sobre un sustrato de silicio monocristalino a altas temperaturas.
◈ El proceso de crecimiento de una capa de silicio monocristalino a partir de la fase de vapor se denomina epitaxia en fase de vapor (VPE).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si+ 4HCl
SiCl4 (tetracloruro de silicio)
La reacción es reversible, es decir, si se añade HCl, el silicio se eliminará de la superficie de la oblea.
Otra reacción para generar Si es irreversible: SiH4 → Si + 2H2 (silano)
◈ El objetivo del crecimiento de EPI es formar capas con diferentes concentraciones (normalmente más bajas) de dopantes eléctricamente activos sobre el sustrato. Por ejemplo, una capa de tipo N sobre una oblea de tipo P.
◈ Aproximadamente el 3% del espesor de la oblea.
◈ No hay contaminación de las estructuras de transistores posteriores.
2. Proceso de fabricación de semiconductores: fotolitografía La máquina de fotolitografía, de la que se ha hablado mucho en los últimos años, es solo uno de los muchos equipos de proceso. Incluso la fotolitografía tiene muchos pasos de proceso y equipos.
(1) Recubrimiento fotorresistente
La fotorresistencia es un material fotosensible. Se añade una pequeña cantidad de líquido fotorresistente a la oblea. La oblea gira a una velocidad de 1000 a 5000 RPM, extendiendo la fotorresistencia en una capa uniforme de 2 a 200 um de espesor. Hay dos tipos de fotorresistencias: negativas y positivas. Positivas: la exposición a la luz puede romper la compleja estructura molecular, lo que facilita su disolución. Negativas: la exposición hace que la estructura molecular sea más compleja y más difícil de disolver. Los pasos involucrados en cada paso de fotolitografía son los siguientes; ◈ Limpiar la oblea ◈ Depositar la capa de barrera SiO2, Si3N4, metal ◈ Aplicar fotorresistencia ◈ Horneado suave ◈ Alinear máscara ◈ Exposición gráfica ◈ Revelado ◈ Horneado ◈ Grabado ◈ Quitar la fotorresistencia (2) Preparación del patrón Preparación del patrón Los diseñadores de circuitos integrados utilizan software CAD para diseñar el patrón de cada capa. Luego, el patrón se transfiere a un sustrato de cuarzo ópticamente transparente (plantilla) utilizando un generador de patrones láser o un haz de electrones.
(3) Transferencia de patrón (exposición) Aquí, se utiliza una máquina de fotolitografía para proyectar y copiar el patrón de la plantilla sobre la capa del chip.
(4) Revelado y horneado ◈ Después de la exposición, la oblea se revela en una solución ácida o alcalina para eliminar las áreas expuestas de la fotorresistencia. ◈ Una vez que se elimina la fotorresistencia expuesta, la oblea se "hornea" a baja temperatura para endurecer la fotorresistencia restante.
3. Procesos de fabricación de semiconductores: grabado e implantación de iones (1) Grabado húmedo y seco ◈ El grabado químico se realiza en una gran plataforma húmeda. ◈ Se utilizan diferentes tipos de soluciones ácidas, básicas y cáusticas para eliminar áreas seleccionadas de diferentes materiales. ◈ BOE, o grabador de óxido tamponado, está hecho de ácido fluorhídrico tamponado con fluoruro de amonio y se utiliza para eliminar el dióxido de silicio sin grabar la capa subyacente de silicio o polisilicio. ◈ El ácido fosfórico se utiliza para grabar capas de nitruro de silicio. ◈ El ácido nítrico se utiliza para grabar metales. ◈ La fotorresistencia se elimina con ácido sulfúrico. ◈ Para el grabado en seco, la oblea se coloca en una cámara de grabado y se graba con plasma. ◈ La seguridad del personal es una preocupación principal. ◈ Muchas fábricas utilizan equipos automatizados para realizar el proceso de grabado. (2) Eliminación de la resistencia
Luego, la fotorresistencia se retira completamente de la oblea, dejando un patrón de óxido en ella.
(3) Implantación de iones
◈ La implantación de iones cambia las propiedades eléctricas de áreas precisas dentro de las capas existentes en la oblea.
◈ Los implantadores de iones utilizan tubos aceleradores de alta corriente e imanes de dirección y enfoque para bombardear la superficie de la oblea con iones de dopantes específicos.
◈ El óxido actúa como barrera mientras los productos químicos dopantes se depositan en la superficie y se difunden en ella.
◈ La superficie de silicio se calienta a 900 grados para el recocido y los iones dopantes implantados se difunden aún más en la oblea de silicio.
4. Proceso de fabricación de semiconductores: deposición de película fina
Existen muchas formas y contenidos de deposición de película delgada, que se explican uno por uno a continuación: (1) Óxido de silicio
Cuando el silicio existe en oxígeno, el SiO2 crecerá térmicamente. El oxígeno proviene del oxígeno o del vapor de agua. La temperatura ambiente debe ser de 900 a 1200 grados. La reacción química que ocurre es
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
La superficie de la oblea de silicio después de la oxidación selectiva se muestra en la siguiente figura:
Tanto el oxígeno como el agua se difunden a través del SiO2 existente y se combinan con Si para formar SiO2 adicional. El agua (vapor) se difunde más fácilmente que el oxígeno, por lo que el vapor crece mucho más rápido.
El óxido se utiliza para proporcionar una capa aislante y pasivante para formar la compuerta del transistor. El oxígeno seco se utiliza para formar la compuerta y la capa fina de óxido. El vapor se utiliza para formar una capa gruesa de óxido. La capa de óxido aislante suele tener un diámetro de alrededor de 1500 nm, y la capa de compuerta suele tener un diámetro de entre 200 nm y 500 nm.
(2) Deposición química de vapor
La deposición química de vapor (CVD) forma una película delgada en la superficie de un sustrato a través de la descomposición térmica y/o reacción de compuestos gaseosos.
Hay tres tipos básicos de reactores CVD: ◈ Deposición química de vapor atmosférico
◈ CVD de baja presión (LPCVD)
◈ CVD mejorado con plasma (PECVD)
El diagrama esquemático del proceso CVD de baja presión se muestra a continuación.
Los principales procesos de reacción de la CVD son los siguientes
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 grados)
Velocidad de deposición 100 - 200 nm/min
Se puede añadir fósforo (fosfina), boro (diborano) o gas arsénico. El polisilicio también se puede dopar con gas de difusión después de la deposición.
ii) Dióxido de silicio Dióxido
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 grado )
El SiO2 se utiliza como aislante o capa de pasivación. Normalmente se añade fósforo para obtener un mejor rendimiento del flujo de electrones.
iii) Nitruro de silicio Nitruro de silicio
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silano) (Amoniaco) (Nitruro)
(3) Pulverización catódica
El objetivo es bombardeado con iones de alta energía, como Ar+, y los átomos en el objetivo se moverán y transportarán al sustrato.
Se pueden utilizar como objetivos metales como el aluminio y el titanio. (4) Evaporación
El Al o Au (oro) se calienta hasta el punto de evaporación y el vapor se condensa y forma una fina película que cubre la superficie de la oblea.
El siguiente ejemplo explicará en detalle cómo se forma el circuito en la oblea de silicio paso a paso desde la fotolitografía, el grabado hasta la deposición de iones:
5. Proceso de fabricación de semiconductores: prueba de empaquetado (posprocesamiento)
(1) Prueba de oblea Una vez completada la preparación final del circuito, los dispositivos de prueba en la oblea se prueban utilizando un método de prueba de sonda automatizado para eliminar los productos defectuosos.
(2) Corte de obleas Después de la prueba de sonda, la oblea se corta en chips individuales.
(3) Cableado y embalaje ◈ Los chips individuales se conectan al marco de conductores, y los conductores de aluminio u oro se conectan mediante compresión térmica o soldadura ultrasónica. ◈ El embalaje se completa sellando el dispositivo en un paquete de cerámica o plástico. ◈ La mayoría de los chips aún deben someterse a pruebas funcionales finales antes de enviarlos a los usuarios posteriores.
