Chipproductie is het meest complexe proces ter wereld vandaag de dag. Dit is een complex proces dat door veel topbedrijven wordt uitgevoerd. Dit artikel streeft ernaar dit proces samen te vatten en een uitgebreide en algemene beschrijving te geven van dit complexe proces.
Er zijn veel halfgeleiderproductieprocessen en er wordt gezegd dat er honderden of zelfs duizenden stappen zijn. Dit is geen overdrijving. Een fabriek met een miljardeninvestering kan slechts een klein deel van het proces uitvoeren. Voor zo'n complex proces zal dit artikel worden onderverdeeld in vijf hoofdcategorieën ter verduidelijking: waferproductie, fotolithografie en etsen, ionenimplantatie, dunnefilmdepositie en verpakking en testen.
1. Halfgeleiderproductieproces - waferproductie
De productie van wafers kan worden onderverdeeld in de volgende 5 hoofdprocessen:
(1) Kristal trekken
◈ Gedoteerd polysilicium wordt gesmolten bij 1400 graden
◈ Injecteer argon-inertgas met een hoge zuiverheid
◈ Plaats het monokristallijne silicium "zaadje" in de smelt en draai het langzaam rond wanneer u het "eruit trekt".
◈ De diameter van de monokristallijne staaf wordt bepaald door de temperatuur en de extractiesnelheid
(2) Bij het snijden van wafers wordt een precisiezaag gebruikt om de siliciumstaaf in afzonderlijke wafers te snijden.
(3) Wafer lappen, etsen
◈ De gesneden wafers worden mechanisch geslepen met behulp van een roterende slijper en aluminiumoxide-slurry om het waferoppervlak vlak en parallel te maken en mechanische defecten te verminderen.
◈ De wafers worden vervolgens geëtst in een oplossing van genitreerd zuur/azijnzuur om microscopisch kleine scheurtjes of oppervlakteschade te verwijderen, gevolgd door een reeks RO/DI-waterbaden met een hoge zuiverheid.
(4) Waferpolijsten en reinigen
◈ Vervolgens worden de wafers gepolijst in een reeks chemische en mechanische polijstprocessen, CMP (Chemical Mechanical Polish) genoemd. ◈ Het polijstproces omvat doorgaans twee tot drie polijststappen met steeds fijnere slurries en tussenreiniging met RO/DI-water. ◈ Een laatste reiniging wordt uitgevoerd met SC1-oplossing (ammoniak, waterstofperoxide en RO/DI-water) om organische onzuiverheden en deeltjes te verwijderen. Vervolgens wordt HF gebruikt om inheemse oxiden en metaalverontreinigingen te verwijderen, en ten slotte zorgt SC2-oplossing ervoor dat ultra-schone nieuwe inheemse oxiden op het oppervlak kunnen groeien. (5) Epitaxiale verwerking van wafers
◈ Epitaxiale groei (EPI) wordt gebruikt om een laag monokristallijn silicium uit damp te laten groeien op een monokristallijn siliciumsubstraat bij hoge temperaturen.
◈ Het proces van het laten groeien van een monokristallijne siliciumlaag vanuit de dampfase wordt dampfase-epitaxie (VPE) genoemd.
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (siliciumtetrachloride)
De reactie is omkeerbaar, dat wil zeggen dat als er HCl wordt toegevoegd, het silicium van het oppervlak van de wafer wordt geëtst.
Een andere reactie om Si te genereren is onomkeerbaar: SiH4 → Si + 2H2 (silaan)
◈ Het doel van EPI-groei is om lagen te vormen met verschillende (meestal lagere) concentraties van elektrisch actieve dopanten op het substraat. Bijvoorbeeld een N-type laag op een P-type wafer.
◈ Ongeveer 3% van de waferdikte.
◈ Geen verontreiniging van latere transistorstructuren.
2. Halfgeleiderproductieproces - Fotolithografie De fotolithografiemachine, die de laatste jaren veel genoemd is, is slechts een van de vele procesapparatuur. Zelfs fotolithografie kent vele processtappen en apparatuur.
(1) Fotoresistcoating
Fotoresist is een lichtgevoelig materiaal. Een kleine hoeveelheid fotoresistvloeistof wordt aan de wafer toegevoegd. De wafer wordt geroteerd met een snelheid van 1000 tot 5000 RPM, waardoor de fotoresist wordt verspreid in een uniforme coating van 2 tot 200 um dik. Er zijn twee soorten fotoresists: negatief en positief. Positief: Blootstelling aan licht kan de complexe moleculaire structuur afbreken, waardoor deze gemakkelijk oplost. Negatief: Blootstelling maakt de moleculaire structuur complexer en moeilijker op te lossen. De stappen die bij elke fotolithografiestap betrokken zijn, zijn als volgt; ◈ Reinig de wafer ◈ Breng een barrièrelaag SiO2, Si3N4, metaal aan ◈ Breng fotoresist aan ◈ Zacht bakken ◈ Masker uitlijnen ◈ Grafische belichting ◈ Ontwikkeling ◈ Bakken ◈ Etsen ◈ Verwijder fotoresist (2) Patroonvoorbereiding Patroonvoorbereiding IC-ontwerpers gebruiken CAD-software om het patroon van elke laag te ontwerpen. Vervolgens wordt het patroon overgebracht op een optisch transparant kwartssubstraat (sjabloon), waarbij het patroon wordt aangebracht met behulp van een laserpatroongenerator of een elektronenbundel.
(3) Patroonoverdracht (belichting) Hierbij wordt een fotolithografiemachine gebruikt om het patroon van de sjabloon op de chiplaag te projecteren en te kopiëren.
(4) Ontwikkeling en bakken ◈ Na de belichting wordt de wafer ontwikkeld in een zure of alkalische oplossing om de belichte delen van de fotoresist te verwijderen. ◈ Zodra de belichte fotoresist is verwijderd, wordt de wafer "gebakken" bij een lage temperatuur om de resterende fotoresist te laten uitharden.
3. Halfgeleiderproductieprocessen - Etsen en ionenimplantatie (1) Nat en droog etsen ◈ Chemisch etsen wordt uitgevoerd op een groot nat platform. ◈ Verschillende soorten zuur-, base- en bijtende oplossingen worden gebruikt om geselecteerde gebieden van verschillende materialen te verwijderen. ◈ BOE, of gebufferde oxide-etsmiddel, is gemaakt van waterstoffluoride gebufferd met ammoniumfluoride en wordt gebruikt om siliciumdioxide te verwijderen zonder de onderliggende silicium- of polysiliciumlaag te etsen. ◈ Fosforzuur wordt gebruikt om siliciumnitridelagen te etsen. ◈ Salpeterzuur wordt gebruikt om metalen te etsen. ◈ Fotoresist wordt verwijderd met zwavelzuur. ◈ Voor droog etsen wordt de wafer in een etskamer geplaatst en geëtst door plasma. ◈ Veiligheid van het personeel is een primaire zorg. ◈ Veel fabs gebruiken geautomatiseerde apparatuur om het etsproces uit te voeren. (2) Resist Stripping
Vervolgens wordt de fotoresist volledig van de wafer verwijderd, waarbij een oxidepatroon op de wafer achterblijft.
(3) Ionenimplantatie
◈ Ionenimplantatie verandert de elektrische eigenschappen van precieze gebieden binnen bestaande lagen op de wafer.
◈ Ionenimplantatoren gebruiken hogestroomversnellerbuizen en stuur- en focusseringsmagneten om het waferoppervlak te bombarderen met ionen van specifieke doteerstoffen.
◈ Het oxide fungeert als een barrière terwijl de dopingchemicaliën op het oppervlak worden afgezet en in het oppervlak diffunderen.
◈ Het siliciumoppervlak wordt verhit tot 900 graden voor het gloeien, waarna de geïmplanteerde dopantionen verder in de siliciumwafer diffunderen.
4. Halfgeleiderproductieproces - Dunnefilmdepositie
Er zijn veel manieren en inhoud voor dunnefilmdepositie, die hieronder één voor één worden uitgelegd: (1) Siliciumoxide
Wanneer silicium in zuurstof aanwezig is, zal SiO2 thermisch groeien. Zuurstof komt van zuurstof of waterdamp. De omgevingstemperatuur moet 900 ~ 1200 graden zijn. De chemische reactie die plaatsvindt is
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2H2
Het oppervlak van de siliciumwafer na selectieve oxidatie wordt weergegeven in de onderstaande afbeelding:
Zowel zuurstof als water diffunderen door de bestaande SiO2 en combineren met Si om extra SiO2 te vormen. Water (damp) diffundeert gemakkelijker dan zuurstof, dus de damp groeit veel sneller.
Oxide wordt gebruikt om een isolerende en passiverende laag te bieden om de transistorpoort te vormen. Droge zuurstof wordt gebruikt om de poort en dunne oxidelaag te vormen. Damp wordt gebruikt om een dikke oxidelaag te vormen. De isolerende oxidelaag is meestal rond de 1500 nm en de poortlaag is meestal tussen de 200 nm en 500 nm.
(2) Chemische dampafzetting
Bij chemische dampdepositie (CVD) wordt een dunne film gevormd op het oppervlak van een substraat door thermische ontleding en/of reactie van gasvormige verbindingen.
Er zijn drie basistypen CVD-reactoren: ◈ Atmosferische chemische dampdepositie
◈ Lage druk CVD (LPCVD)
◈ Plasma-verbeterde CVD (PECVD)
Hieronder ziet u een schematisch diagram van het lagedruk-CVD-proces.
De belangrijkste reactieprocessen van CVD zijn als volgt
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 graden)
Afzettingssnelheid 100 - 200 nm /min
Fosfor (fosfine), boor (diboraan) of arseengas kan worden toegevoegd. Polysilicium kan ook worden gedoteerd met diffusiegas na depositie.
ii). Siliciumdioxide Dioxide
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 graden)
SiO2 wordt gebruikt als isolator of passiveringslaag. Fosfor wordt meestal toegevoegd om betere elektronenstroomprestaties te verkrijgen.
iii). Siliciumnitride Siicon Nitride
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silaan) (Ammoniak) (Nitride)
(3) Sputteren
Het doelwit wordt gebombardeerd met ionen met een hoge energie, zoals Ar+, en de atomen in het doelwit worden verplaatst en naar het substraat getransporteerd.
Metalen zoals aluminium en titanium kunnen als doelwit worden gebruikt. (4) Verdamping
Al of Au (goud) wordt verhit tot het verdampingspunt, waarna de damp condenseert en een dun laagje vormt dat het oppervlak van de wafer bedekt.
Het volgende voorbeeld legt gedetailleerd uit hoe het circuit op de siliciumwafer stap voor stap wordt gevormd, van fotolithografie en etsen tot ionendepositie:
5. Halfgeleiderproductieproces - Verpakkingstest (nabewerking)
(1) Wafertest Nadat de laatste voorbereiding van het circuit is voltooid, worden de testapparaten op de wafer getest met behulp van een geautomatiseerde sondetestmethode om defecte producten te verwijderen.
(2) Wafer-dobbelstenen Na de sondetest wordt de wafer in afzonderlijke chips gesneden.
(3) Bedrading en verpakking ◈ Individuele chips worden verbonden met het leadframe, en aluminium of gouden leads worden verbonden door thermische compressie of ultrasoon lassen. ◈ De verpakking wordt voltooid door het apparaat te verzegelen in een keramische of plastic verpakking. ◈ De meeste chips moeten nog een laatste functionele test ondergaan voordat ze naar downstreamgebruikers worden gestuurd.
