Processi integrati nella produzione di chip

0040-02544 Parte superiore del corpo, metallo Dps

 

0020-33806 Dps Camera Alta + Poli

 

Moduli di processo integrati

 

Requisiti di processo per circuiti integrati

Affidabilità totale:I circuiti integrati devono funzionare stabilmente in una varietà di ambienti e condizioni, comprese condizioni estreme come alte temperature, basse temperature e elevata umidità.

L'affidabilità implica anche la longevità di un circuito, ovvero la capacità di un circuito di mantenere buone prestazioni per un lungo periodo di tempo.

Prestazioni elevate e stabili:Prestazioni elevate significano che il circuito ha un'elevata velocità di elaborazione, un basso consumo energetico e un'elevata integrazione. Poiché la tecnologia continua ad avanzare, aumenta anche la richiesta di prestazioni elevate.

Prezzo basso: il costo di produzione dei circuiti integrati deve essere controllato entro un intervallo ragionevole per soddisfare la domanda del mercato. I modi per ridurre i costi includono il miglioramento dell'efficienza produttiva, l'ottimizzazione dei processi e altro ancora.

Le sfide della miniaturizzazione

 

Aumentare la densità di corrente e l'intensità del campo elettrico: man mano che le dimensioni del transistor diminuiscono, la densità di corrente e l'intensità del campo elettrico aumentano di conseguenza, il che può portare a una ridotta affidabilità del circuito. Anche l’aumento della corrente di dispersione è un problema che deve essere affrontato.

 

Maggiore complessità: sono necessarie strutture più complesse per affrontare i problemi posti dalla miniaturizzazione, che aumenta la complessità e il costo del processo. Più processi e cicli di produzione più lunghi aumentano anche l’incertezza della produzione.

Moduli strutturali di LSI

 

Integrazione del processo: l'integrazione del processo è la combinazione di vari processi di base per produrre i circuiti integrati richiesti. Produttori diversi possono avere nomi diversi, ma essenzialmente integrano più fasi del processo insieme.

Processi e moduli di base: la produzione di circuiti integrati coinvolge diversi processi di base, come litografia, incisione, impiantazione di ioni, ecc. Ecc. Questi processi di base possono essere ulteriormente suddivisi in diversi moduli, come moduli di fabbricazione di transistor, moduli di cablaggio, ecc. .

 

Interazione tra i moduli: esiste un'influenza reciproca tra i processi di ciascun modulo, in particolare le condizioni di lavorazione e l'atmosfera dei pre e post processi. Pertanto, queste interrelazioni devono essere considerate nella progettazione del processo per garantire la qualità e le prestazioni del prodotto finale.

Il diagramma seguente mostra i problemi importanti affrontati dal processo di base in ciascun processo del modulo:

Processo integrato di base

La fabbricazione di circuiti integrati è un processo estremamente delicato e complesso che si basa su una serie di fasi di processo controllate con precisione, spesso organizzate in diversi moduli.

Quella che segue è una spiegazione dettagliata dei processi di base per la fabbricazione dei transistor MOS con scanalatura n, che insieme formano il processo di produzione nel nodo tecnologico da 3 micron.

1. Tampone la formazione di pellicole di ossido

Descrizione della fase: un wafer di substrato di Si con orientamento del cristallo di tipo p (100) con una resistività di 10Ω·cm viene posizionato in un tubo di quarzo e ossidato in ossigeno riscaldato a 1000 gradi per 60 minuti per formare uno strato di SiO2 spesso 50 nm, che è chiamata ossidazione dell'ossigeno secco. Questo strato di pellicola di SiO2 è chiamato pellicola di ossido tampone.

Scopo: fornire un substrato piatto e stabile per i processi successivi, proteggendo al contempo il substrato di Si da danni durante la lavorazione successiva.

2. Formazione di strati di nitruro di silicio

Descrizione della fase: L'ammoniaca (NH3) viene fatta reagire con il gas diclorosilano (SiH2Cl2) in un tubo di quarzo riscaldato a 800 gradi e l'intera superficie del substrato di Si è ricoperta da uno strato spesso 120 nm di nitruro di silicio (Si3N4), chiamato CVD metodo (deposizione chimica da fase vapore).

Scopo: Agire come strato mascherante per i processi successivi per proteggere parte del substrato di Si dall'ossidazione e da altri trattamenti.

3. Impianto ionico e litografia

Descrizione della fase: Innanzitutto, la resina fotoresist viene trattenuta selettivamente mediante fotoincisione e quindi posizionata in un plasma contenente fluoro per rimuovere la pellicola Si3N4 che non è coperta dal fotoresist. Successivamente, lo ione boro B+ viene accelerato di 75 keV per entrare in collisione con il wafer e provocarne l'invasione nel wafer di silicio.

Scopo: formare uno strato di blocco del canale mediante impiantazione ionica per prevenire la corrente di dispersione tra dispositivi adiacenti.

4. Formazione di film di ossido di campo

Descrizione della fase: dopo aver rimosso il fotoresist rimanente, la superficie viene lavata con acqua regia e acido fluoridrico diluito, quindi ossidata in vapore acqueo a 1000 gradi per 6 ore per formare una pellicola di SiO2 spessa 1 μm (chiamata pellicola di ossido di campo), che è chiamato metodo di ossidazione dell'ossigeno umido.

Scopo: formare uno strato isolante su un substrato di Si per isolare diversi componenti del circuito.

5. Formazione del film di ossido di gate e ossidazione sacrificale

Descrizione della fase: Dopo aver rimosso lo strato di Si3N4 e parte dello strato di SiO2 sottostante, viene eseguita l'ossidazione con ossigeno secco a 50 nm, quindi questo strato di SiO2 (chiamato film di ossido sacrificale) viene nuovamente rimosso e infine un film di ossido di gate con uno spessore si forma una lunghezza di 50 nm.

Obiettivo: fornire uno strato isolante di alta qualità per le porte dei transistor MOS. La fase di ossidazione sacrificale viene utilizzata per rimuovere lo strato di SiO2 che è stato danneggiato dal pretrattamento.

6. Formazione degli elettrodi di gate

Descrizione della fase: una pellicola di silicio policristallino spessa 400 nm viene depositata su un substrato di Si, quindi il fosforo viene drogato per ridurre la resistività. Successivamente, la pellicola di silicio policristallino viene attaccata mediante fotoincisione per formare un elettrodo di gate.

Scopo: Fungere da gate di un transistor MOS per controllare la corrente che si interrompe tra source e drain.

7. Formazione di sorgenti e drenaggi

Descrizione della fase: As+ viene iniettato nel substrato di Si mediante impiantazione ionica per formare sorgente e drenaggio di tipo n. Viene poi effettuato un trattamento termico di attivazione (ricottura) che rende elettricamente attivi gli ioni iniettati.

Scopo: fornire terminali di ingresso e uscita di corrente per transistor MOS.

 

8. CVD-PSG Deposizione e ricottura delle membrane

Descrizione della fase: Deposizione di un film CVD-SiO2 spesso 600 nm (chiamato film CVD-PSG) contenente una piccola percentuale di fosforo. La superficie viene poi vetrificata mediante ricottura in forno con POCl3.

Obiettivo: fornire un substrato piatto e stabile per il successivo elettrodo di alluminio e allo stesso tempo ridurre la temperatura di rammollimento di SiO2 per la successiva lavorazione.

9. La formazione di fori di contatto e la deposizione di elettrodi di alluminio

Descrizione della fase: il foro di contatto viene aperto sulla pellicola CVD-PSG mediante fotoincisione, quindi viene depositato uno strato di pellicola di elettrodi di alluminio contenente 1% ~ 2% di Si con uno spessore di 800 nm. Scopo: collegare l'elettrodo di alluminio con gli elettrodi di sorgente, drenaggio e gate attraverso i fori di contatto per formare una connessione del circuito completo.

 

Insieme, questi passaggi costituiscono il processo di produzione di base per i transistor MOS a canale n. Nella produzione vera e propria, sono necessarie molteplici fasi di pulizia, ispezione e test per garantire la qualità e le prestazioni del prodotto finale. Con il continuo progresso della tecnologia, queste fasi del processo vengono costantemente ottimizzate e migliorate per soddisfare livelli più elevati di integrazione e requisiti prestazionali più rigorosi.

Struttura del substrato

Struttura del wafer

Nello sviluppo di circuiti integrati, la qualità del substrato di Si, come materiale centrale, ha un impatto cruciale sulle prestazioni del dispositivo. Inizialmente i circuiti integrati utilizzavano principalmente silicio monocristallino preparato con il metodo Cheklauski (CZ) o con il metodo della fusione in sospensione (FZ). La maggior parte di questi silicii monocristallini si trovano nella direzione (100) perché questa direzione ha le migliori prestazioni dei transistor MOS.

Nella produzione di dispositivi CMOS, è necessaria una struttura well-well per formare transistor sia con scanalatura n che con scanalatura p sullo stesso substrato. La struttura a pozzo consente la coesistenza di transistor con scanalatura N e con scanalatura P formando rispettivamente substrati di tipo p e di tipo n sotto il transistor.

Con lo sviluppo della tecnologia, anche la struttura del pozzo ha subito un'evoluzione da pozzo singolo a pozzo doppio a pozzo triplo, aumentando il grado di libertà di progettazione, migliorando la capacità di resistere al rumore esterno e migliorando la capacità di sopprimere i latch- up (cortocircuiti causati da un source-drain e da una struttura a tiristori costituita da una trappola e da un substrato).

Substrati SOI

I substrati SOI (film isolante siliconato laminato) sono una tecnologia competitiva e, sebbene attualmente non siano molti i dispositivi che utilizzano substrati SOI, il loro potenziale è enorme. Lo sviluppo dei substrati SOI è iniziato negli anni '60 del XX secolo con l'obiettivo di migliorare la resistenza alle radiazioni e consentire il funzionamento ad alta velocità. Tra questi, la struttura silicio-zaffiro (SOS) è stata parzialmente utilizzata nella pratica, ma non è ancora diventata mainstream a causa di problemi quali la cristallinità, il prezzo e la compatibilità del processo.

Successivamente, è stata sviluppata la tecnica di isolamento con iniezione di ossigeno (SIMOX) per ottenere la struttura SOI formando uno strato sepolto di SiO2 sotto la superficie del substrato di Si. Tuttavia, la tecnologia SIMOX non è ancora diventata mainstream a causa della riduzione della produttività dovuta alla grande quantità di ossigeno iniettato, nonché a problemi come i limiti di spessore di SiO2 e i difetti di cristallizzazione.

Negli ultimi anni, come alternativa a SOS e SIMOX, è stata sviluppata la tecnologia del wafer bonding. Le tecnologie di incollaggio dei wafer, inclusi i metodi ELTRAN e Smart Cut, hanno ottenuto una preparazione del substrato SOI di alta qualità formando silicio poroso, depositando strati epitassiali o utilizzando strati di impiantazione di ioni idrogeno per la separazione meccanica. Questi substrati SOI hanno già iniziato a essere utilizzati in prodotti ad alto valore aggiunto come i processori ad altissima velocità, dove possono ridurre efficacemente la capacità parassita del substrato, contribuendo così all'alta velocità e al basso consumo energetico.

FINE