Процессор Apple

Технологический процесс полупроводникового производства — технологический процесс изготовления полупроводниковых (п/п) изделий и материалов, и состоит из последовательности технологических (обработка, сборка) и контрольных операций, часть производственного процесса производства п/п изделий (транзисторов, диодов и т. п.).

При производстве п/п интегральных микросхем применяется фотолитография и литографическое оборудование. Разрешающая способностьмкм и нм) этого оборудования (т. н. проектные нормы) и определяет название применяемого конкретного технологического процесса.

Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров п/п структур способствуют улучшению характеристик (размеры, энергопотребление, рабочие частоты, стоимость) полупроводниковых приборов (микросхем, процессоров, микроконтроллеров и т. д.). Особую значимость это имеет для процессорных ядер, в аспектах потребления электроэнергии и повышения производительности, поэтому ниже указаны процессоры (ядра) массового производства на данном техпроцессе.

Этапы технологического процесса при производстве микросхем

Пластина монокристаллического кремния с готовыми микросхемами

Технологический процесс производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (микропроцессоров, модулей памяти и др.) включает нижеследующие операции.

  • Механическую обработку полупроводниковых пластин — получают пластины полупроводника со строго заданной геометрией, нужной кристаллографической ориентацией (не хуже ±5 %) и классом чистоты поверхности. Эти пластины в дальнейшем служат заготовками в производстве приборов или подложками для нанесения эпитаксиального слоя.
  • Химическую обработку (предшествующую всем термическим операциям) — удаление механически нарушенного слоя полупроводника и очистка поверхности пластины. Основные методы химической обработки: жидкостное и газовое травление, плазмохимические методы. Для получения на пластине рельефа (профилирование поверхности) в виде чередующихся выступов и впадин определённой геометрии, для вытравливания окон в маскирующих покрытиях, для проявления скрытого изображения в слое экспонированного фоторезиста, для удаления его заполимеризированных остатков, для получения контактных площадок и разводки в слое металлизации применяют химическую (электрохимическую) обработку.
  • Эпитаксиальное наращивание слоя полупроводника — осаждение атомов полупроводника на подложку, в результате чего на ней образуется слой, кристаллическая структура которого подобна структуре подложки. При этом подложка часто выполняет лишь функции механического носителя.
  • Получение маскирующего покрытия — для защиты слоя полупроводника от проникновения примесей на последующих операциях легирования. Чаще всего проводится путём окисления эпитаксиального слоя кремния в среде кислорода при высокой температуре.
  • Фотолитография — производится для образования рельефа в диэлектрической плёнке.
  • Введение электрически активных примесей в пластину для образования отдельных p- и n-областей — нужно для создания электрических переходов, изолирующих участков. Производится методом диффузии из твёрдых, жидких или газообразных источников, основными диффузантами в кремний являются фосфор и бор.
Термическая диффузия — направленное перемещение частиц вещества в сторону убывания их концентрации: определяется градиентом концентрации. Часто применяется для получения введения легирующих примесей в полупроводниковые пластины (или выращенные на них эпитаксиальные слои) для получения противоположного, по сравнению с исходным материалом, типа проводимости, либо элементов с более низким электрическим сопротивлением.
Ионное легирование (применяемое при изготовлении полупроводниковых приборов с большой плотностью переходов, солнечных батарей и СВЧ-структур) определяется начальной кинетической энергией ионов в полупроводнике и выполняется в два этапа:
  1. в полупроводниковую пластину на вакуумной установке внедряют ионы
  2. производится отжиг при высокой температуре
В результате восстанавливается нарушенная структура полупроводника и ионы примеси занимают узлы кристаллической решётки.
  • Получение омических контактов и создание пассивных элементов на пластине — с помощью фотолитографической обработки в слое оксида, покрывающем области сформированных структур, над предварительно созданными сильно легированными областями n+- или p+-типа, которые обеспечивают низкое переходное сопротивление контакта, вскрывают окна. Затем, методом вакуумного напыления всю поверхность пластины покрывают слоем металла (металлизируют), излишек металла удаляют, оставив его только на местах контактных площадок и разводки. Полученные таким образом контакты, для улучшения адгезии материала контакта к поверхности и уменьшения переходного сопротивления, термически обрабатывают (операция вжигания). В случае напыления на материал оксида специальных сплавов получают пассивные тонкоплёночные элементы — резисторы, конденсаторы, индуктивности.
  • Добавление дополнительных слоёв металла (в современных процессах — около 10 слоёв), между слоями располагают диэлектрик (англ. inter-metal dielectric, IMD) со сквозными отверстиями.
  • Пассивация поверхности пластины. Перед контролем кристаллов необходимо очистить их внешнюю поверхность от различных загрязнений. Более удобной (в технологическом плане) является очистка пластин непосредственно после скрайбирования или резки диском, пока они ещё не разделены на кристаллы. Это целесообразно и потому, что крошки полупроводникового материала, образуемые при скрайбировании или надрезании пластин, потенциально являются причиной появления брака при разламывании их на кристаллы с образованием царапин при металлизации. Наиболее часто пластины очищают в деионизированной воде на установках гидромеханической (кистьевой) отмывки, а затем сушат на центрифуге, в термошкафу при температуре не более 60 °C или инфракрасным нагревом. На очищенной пластине определяются дефекты вносимые операцией скрайбирования и разламывания пластин на кристаллы, а также ранее проводимых операциях — фотолитографии, окислении, напылении, измерении (сколы и микротрещины на рабочей поверхности, царапины и другие повреждения металлизации, остатки оксида на контактных площадках, различные остаточные загрязнения в виде фоторезиста, лака, маркировочной краски и т. п.).
  • Тестирование неразрезанной пластины. Обычно это испытания зондовыми головками на установках автоматической разбраковки пластин. В момент касания зондами разбраковываемых структур измеряются электрические параметры. В процессе маркируются бракованные кристаллы, которые затем отбрасываются. Линейные размеры кристаллов обычно не контролируют, так как их высокая точность обеспечивается механической и электрохимической обработкой поверхности (толщина) и последующим скрайбированием (длина и ширина).
  • Разделение пластин на кристаллы — механически разделяет (разрезанием) пластину на отдельные кристаллы.
  • Сборка кристалла и последующие операции монтажа кристалла в корпус и герметизация — присоединение к кристаллу выводов и последующая упаковка в корпус, с последующей его герметизацией.
  • Электрические измерения и испытания — проводятся с целью отбраковки изделий, имеющих несоответствующие технической документации параметры. Иногда специально выпускаются микросхемы с «открытым» верхним пределом параметров, допускающих впоследствии работу в нештатных для остальных микросхем режимах повышенной нагрузки (см., например, Разгон компьютеров).
  • Выходной контроль (англ.), завершающий технологический цикл изготовления устройства весьма важная и сложная задача (так, для проверки всех комбинаций схемы, состоящей из 20 элементов с 75 (совокупно) входами, при использовании устройства, работающего по принципу функционального контроля со скоростью 104 проверок в секунду, потребуется 1019 лет!)
  • Маркировка, нанесение защитного покрытия, упаковка — завершающие операции перед отгрузкой готового изделия конечному потребителю.
Для выполнения требований электронной производственной гигиены строят особо чистые помещения («чистые комнаты»), в которых люди могут находиться только в специальной одежде

Технологии производства полупроводниковой продукции с субмикронными размерами элементов основана на чрезвычайно широком круге сложных физико-химических процессов: получение тонких плёнок термическим и ионно-плазменным распылением в вакууме, механическая обработка пластин производится по 14-му классу чистоты с отклонением от плоскостности не более 1 мкм, широко применяется ультразвук и лазерное излучение, используются отжиг в кислороде и водороде, рабочие температуры при плавлении металлов достигают более 1500 °C, при этом диффузионные печи поддерживают температуру с точностью 0,5 °C, широко применяются опасные химические элементы и соединения (например, белый фосфор).

Всё это обусловливает особые требования к производственной гигиене, так называемую «электронную гигиену», ведь в рабочей зоне обработки полупроводниковых пластин или на операциях сборки кристалла не должно быть более пяти пылинок размером 0,5 мкм в 1 л воздуха. Поэтому в чистых комнатах на фабриках по производству подобных изделий все работники обязаны носить специальные комбинезоны.[1]. В рекламных материалах Intel спецодежда работников получила название bunny suit («костюм кролика») [2][3].

Техпроцессы 1970-х — 1980-х

Ранние техпроцессы, до стандартизации NTRS (National Technology Roadmap for Semiconductors) и ITRS, обозначались «xx мкм» (xx микрон), где xx сперва обозначало техническое разрешение литографического оборудования, затем стало обозначать длину затвора транзистора, полушаг линий металла (half pitch) и ширину линий металла. В 1970-х существовало несколько техпроцессов, в частности 10, 8, 6, 4, 3, 2 мкм; в среднем, каждые три года происходило уменьшение шага с коэффициентом 0,7[4]

Прогресс миниатюризации и сравнение размеров техпроцесса с некоторыми мкроскопическими объектами и длиной волны видимого света.

3 мкм

3 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1975 году Zilog (Z80) и в 1979 году Intel (Intel 8086). Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 3 мкм.

1,5 мкм

1,5 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому Intel в 1982 году. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 1,5 мкм.