Технологія виробництва напівпровідників

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Технологічний процес напівпровідникового виробництва - технологічний процес виготовлення напівпровідникових (н/п) виробів і матеріалів, і складається з послідовності технологічних (обробка, складання) та контрольних операцій, частина виробничого процесу виробництва н/п виробів (транзисторів, діодів і т. п.) .

При виробництві н/п інтегральних мікросхем застосовується фотолітографія і літографічне обладнання. Роздільна здатність (у мкм і нм) цього обладнання (т. зв. Проектні норми) і визначає назву застосовуваного конкретного технологічного процесу.

Удосконалення технології та пропорційне зменшення розмірів н/п структур сприяють поліпшенню характеристик (розміри, енергоспоживання, вартість) напівпровідникових приладів (мікросхем, процесорів, мікроконтролерів і т.д.). Особливу значимість це має для процесорних ядер, в аспектах споживання електроенергії та підвищення продуктивності, тому нижче вказані процесори (ядра) масового виробництва на даному техпроцесі.

Особливості[ред.ред. код]

Технології виробництва напівпровідникової продукції з субмікронними розмірами елементів заснована на надзвичайно широкому колі складних фізико-хімічних процесів: отримання тонких плівок термічним і іонно-плазмовим розпиленням у вакуумі, механічна обробка пластин проводиться по 14-му класу чистоти з відхиленням від площинності не більше 1 мкм, широко застосовується ультразвук і лазерне випромінювання, використовуються відпал у кисні і водні, робочі температури при плавленні металів досягають більше 1500 ° C, при цьому дифузійні печі підтримують температуру з точністю 0,5 ° C, широко застосовуються небезпечні хімічні елементи та з'єднання (наприклад, білий фосфор).

Все це обумовлює особливі вимоги до виробничої гігієни, так звану «електронну гігієну», адже в робочій зоні обробки напівпровідникових пластин або на операціях складання кристала не повинно бути більше п'яти пилинок розміром 0,5 мкм в 1 л повітря. Тому в чистих кімнатах на фабриках з виробництва подібних виробів всі працівники зобов'язані носити спеціальні комбінезони. У рекламних матеріалах Intel спецодяг працівників отримала назву bunny suit («костюм кролика»).

Етапи технологічного процесу[ред.ред. код]

Пластина монокристалічного кремнію з готовими мікросхемами

Технологічний процес виробництва напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем (мікропроцесорів, модулів пам'яті та ін) включає нижченаведені операції.

  • Механічну обробку напівпровідникових пластин - отримують пластини напівпровідника зі строго заданої геометрією, потрібної кристалографічної орієнтацією (не гірше ± 5%) і класом чистоти поверхні. Ці пластини надалі служать заготовками у виробництві приладів або підкладками для нанесення епітаксійного шару.
  • Хімічну обробку (попередню всім термічним операціями) - видалення механічно порушеного шару напівпровідника і очищення поверхні пластини. Основні методи хімічної обробки: рідинне і газове травлення, плазмохімічні методи. Для отримання на пластині рельєфу (профілізація поверхні) у вигляді виступів і западин певної геометрії, для витравлювання вікон в маскувальних покриттях, для прояву прихованого зображення в шарі експонованого фоторезисту, для видалення його заполімерізірованних залишків, для отримання контактних майданчиків і розведення в шарі металізації застосовують хімічну (електрохімічну) обробку.
  • Епітаксіальне нарощування шару напівпровідника - осадження атомів напівпровідника на підкладку, в результаті чого на ній утворюється шар, кристалічна структура якого подібна структурі підкладки. При цьому підкладка часто виконує лише функції механічного носія.
  • Отримання маскуючого покриття - для захисту шару напівпровідника від проникнення домішок на наступних операціях легування. Найчастіше проводиться шляхом окислення епітаксійного шару кремнію в середовищі кисню при високій температурі.
  • Фотолітографія - виробляється для утворення рельєфу в діелектричній плівці.
  • Введення електрично активних домішок в пластину для утворення окремих p-і n-областей - потрібно для створення електричних переходів, ізолюючих дільниць. Проводиться методом дифузії з твердих, рідких або газоподібних джерел, основними діффузант в кремній є фосфор і бор.
  • Термічна дифузія - спрямоване переміщення частинок речовини в бік убування їх концентрації: визначається градієнтом концентрації. Часто застосовується для отримання введення легуючих домішок у напівпровідникові пластини (або вирощені на них епітаксіальні шари) для отримання протилежної, в порівнянні з вихідним матеріалом, типу провідності, або елементів з більш низьким електричним опором.
  • Іонне легування (застосовується при виготовленні напівпровідникових приладів з великою щільністю переходів, сонячних батарей і СВЧ-структур) визначається початковою кінетичною енергією іонів в напівпровіднику і виконується в два етапи:
    • в напівпровідникову пластину на вакуумній установці вводять іони
    • робиться відпал при високій температурі

У результаті відновлюється порушена структура напівпровідника і іони домішки займають вузли кристалічної решітки.

  • Отримання омічних контактів і створення пасивних елементів на пластині - за допомогою обробки фотолітографії в шарі оксиду, покриваючому області сформованих структур, над попередньо створеними сильно легованими областями n + - або p +-типу, які забезпечують низький перехідний опір контакту, розкривають вікна. Потім, методом вакуумного напилення всю поверхню пластини покривають шаром металу (металізують), надлишок металу видаляють, залишивши його тільки на місцях контактних майданчиків і розводки. Отримані таким чином контакти, для поліпшення адгезії матеріалу контакту до поверхні і зменшення перехідного опору, термічно обробляють (операція вжигания). У разі напилення на матеріал оксиду спеціальних сплавів отримують пасивні тонкоплівкові елементи - резистори, конденсатори, індуктивності.
  • Додавання додаткових шарів металу (у сучасних процесах - близько 10 шарів), між шарами розташовують діелектрик (англ. inter-metal dielectric, IMD) з наскрізними отворами.
  • Пасивація поверхні пластини. Перед контролем кристалів необхідно очистити їх зовнішню поверхню від різних забруднень. Більш зручною (в технологічному плані) є очищення пластин безпосередньо після скрайбування або різання диском, поки вони ще не розділені на кристали. Це доцільно й тому, що крихти напівпровідникового матеріалу, утворені при скрайбуванні або надрізанні пластин, потенційно є причиною появи браку при розмелюванні їх на кристали з утворенням подряпин при металізації. Найбільш часто пластини очищають у деіонізованій воді на установках гідромеханічної (кістьевой) відмивання, а потім сушать на центрифузі, в термошкафу при температурі не більше 60 ° C або інфрачервоним нагрівом. На очищеній пластині визначаються дефекти вносяться операцією скрайбування і розламування пластин на кристали, а також раніше проведених операціях - фотолітографії, окисленні, напилюванні, вимірі (відколи й мікротріщини на робочій поверхні, подряпини та інші ушкодження металізації, залишки оксиду на контактних майданчиках, різні залишкові забруднення у вигляді фоторезиста, лаку, маркувальної фарби і т. п.).
  • Тестування нерозрізаної пластини. Зазвичай це випробування ЗОНДОВИМИ головками на установках автоматичної разбраковки пластин. У момент торкання зондами разбраковуваних структур вимірюються електричні параметри. У процесі маркуються браковані кристали, які потім відкидаються. Лінійні розміри кристалів зазвичай не контролюють, так як їх висока точність забезпечується механічною та електрохімічною обробкою поверхні (товщина) і наступним скрайбуванням (довжина і ширина).
  • Поділ пластин на кристали - механічно поділяє (розрізанням) пластину на окремі кристали.
  • Збірка кристала і наступні операції монтажу кристала в корпус і герметизація - приєднання до кристалу виводів і подальша упаковка в корпус, з подальшою його герметизацією.
  • Електричні вимірювання та випробування - проводяться з метою відбракування виробів, що мають невідповідні технічної документації параметри. Іноді спеціально випускаються мікросхеми з «відкритим» верхньою межею параметрів, що допускають згодом роботу в позаштатних для решти мікросхем режимах підвищеного навантаження (див., наприклад, Розгін комп'ютерів).
  • Вихідний контроль (англ.), завершальний технологічний цикл виготовлення пристрою вельми важливе і складне завдання (так, для перевірки всіх комбінацій схеми, що складається з 20 елементів з 75 (сукупно) входами, при використанні пристрою, що працює за принципом функціонального контролю зі швидкістю 104 перевірок у секунду, буде потрібно 1019 років!)
  • Маркування, нанесення захисного покриття, упаковка - завершальні операції перед відвантаженням готового виробу кінцевому споживачеві.

Техпроцеси більше 100 нм[ред.ред. код]

3 мкм[ред.ред. код]

3 мкм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому в 1979 році Intel. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 3 мкм.

  • Intel 8086

1,5 мкм[ред.ред. код]

1,5 мкм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому Intel в 1982 році. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 1,5 мкм.

  • Intel 80286

0,8 мкм[ред.ред. код]

0,8 мкм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому в кінці 1980-х - початку 1990-х років компаніями Intel і IBM.

  • Intel 80486 (1989 рік)
  • MicroSPARC I (1992 рік)
  • Перші Intel P5 Pentium на частотах 60 і 66 МГц (1993 рік)

0,6 мкм[ред.ред. код]

Техпроцес, досягнутий виробничими потужностями компаніями Intel і IBM в 1994-1995 роках.

  • 80486DX4 CPU (1994 рік)
  • IBM / Motorola PowerPC 601, перший чіп архітектури PowerPC
  • Intel Pentium на частотах 75, 90 і 100 МГц
  • МЦСТ-R100 (1998 р., 0,5 мкм, 50 МГц)

0,35 мкм[ред.ред. код]

350 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому в 1997 році провідними компаніями-виробниками мікросхем, такими як Intel, IBM, і TSMC. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 0,35 мкм.

  • Intel Pentium MMX (P55)
  • Intel Pentium Pro
  • Pentium II (Klamath)
  • МЦСТ-R150 (2001 р., 150 МГц)

0,25 мкм[ред.ред. код]

250 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому в 1998 році провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 0,25 мкм.

шарів металу до 6. мінімальна кількість масок 22

  • Pentium II (Deschutes)
  • Pentium III (Katmai)

0,18 мкм[ред.ред. код]

180 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому в 1999 році провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 0,180 мкм.

шарів металу до 6-7. мінімальна кількість масок 22-24

  • AMD Athlon XP (Palomino)
  • Intel Pentium III (Coppermine)

0,13 мкм[ред.ред. код]

130 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому в 2000-2001 роках провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 130 нм.

  • Intel Pentium III Tualatin
  • Intel Celeron Tualatin-256 - жовтень 2001
  • Intel Pentium M Banias - березень 2003
  • Intel Pentium 4 Northwood - січень 2002
  • Intel Celeron Northwood-128 - вересень 2002
  • Intel Xeon Prestonia і Gallatin - лютий 2002
  • AMD Athlon XP Thoroughbred, Thorton і Barton
  • AMD Athlon MP Thoroughbred - серпень 2002
  • AMD Athlon XP-M Thoroughbred, Barton і Dublin
  • AMD Duron Applebred - серпень 2003
  • AMD K7 Sempron Thoroughbred-B, Thorton і Barton - липень 2004
  • AMD K8 Sempron Paris - липень 2004
  • AMD Athlon 64 Clawhammer і Newcastle - вересень 2003
  • AMD Opteron Sledgehammer - червень 2003
  • МЦСТ Ельбрус 2000 (1891BM4Я) - липень 2008 р.
  • МЦСТ-R500S (1891ВМ3) - 2008, 500 МГц

Техпроцеси менше 100 нм[ред.ред. код]

90 нм (0,09 мкм)[ред.ред. код]

90 нм - техпроцес, що відповідає рівню напівпровідникової технології, яка була досягнута до 2002-2003 рокам. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 90 нм.

Технологічний процес з проектною нормою 90 нм часто використовується з технологіями напруженого кремнію, мідних з'єднань з меншим опором, ніж у раніше застосовуваного алюмінію, а також новим діелектричним матеріалом з низькою діелектричною проникністю.

  • Intel Pentium 4 (Prescott)
  • МЦСТ-4R (готується до випуску, 4 ядра, 1 ГГц)
  • AMD Turion 64 X2 (мобільний)

65 нм (0,065 мкм)[ред.ред. код]

65 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому до 2004 року провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 65-70 нм.

  • Intel Pentium 4 (Cedar Mill) - 2006-01-16
  • Intel Pentium D 900-series - 2006-01-16
  • Intel Celeron D (Cedar Mill cores) - 2006-05-28
  • Intel Celeron M
  • Intel Core - 2006-01-05
  • Intel Core 2 - 2006-07-27
  • Intel Core 2 Duo
  • Intel Core 2 Quad
  • Intel Xeon - 2006-03-14
  • AMD Athlon 64 - 2007-02-20
  • AMD Phenom X3, X4
  • AMD Turion 64 X2 (мобільний)
  • AMD Turion 64 X2 Ultra (мобільний)
  • STI Cell - PlayStation 3 - 2007-11-17
  • Microsoft Xbox 360 «Falcon» CPU - 2007-09
  • Microsoft Xbox 360 «Opus» CPU - 2008
  • Microsoft Xbox 360 «Jasper» CPU - 2008-10
  • Microsoft Xbox 360 «Jasper» GPU - 2008-10
  • Sun UltraSPARC T2 - 2007-10
  • TI OMAP 3 - 2008-02
  • VIA Nano - 2008-05
  • Loongson - 2009

50 нм (0,050 мкм)[ред.ред. код]

50 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому до 2005 року провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 50 нм. 45 нм (0,045 мкм)

45 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому до 2006-2007 роках провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 45 нм. Для мікроелектронної промисловості став революційним, оскільки це був перший техпроцес, що використовує технологію high-k/metal gate (HfSiON / TaN в технології компанії Intel), для заміни фізично себе вичерпали SiO2/poly-Si

  • Intel Core 2 Duo
  • Intel Core 2 Quad
  • Intel Core i3, i5, i7
  • AMD Phenom II X2, X3, X4, X6
  • AMD Athlon II X2, X3, X4
  • Fujitsu SPARC64 VIIIfx
  • XCGPU (APU від GlobalFoundries, з 2010)

32 нм (0,032 мкм)[ред.ред. код]

32 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому до 2009-2010 роках провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійному вирішенню літографічного обладнання, приблизно рівному 32 нм. Восени 2009 компанія Intel перебувала на етапі переходу до цього нового техпроцесу [4] [5] [6] [7] [8]. З початку 2011 почали проводитися процесори з даного техпроцесу.

  • Intel Sandy Bridge
  • Intel Saltwell
  • AMD Bulldozer
  • AMD Piledriver (друге покоління Bulldozer)
  • APU від AMD: Llano і Trinity (друге покоління AMD APU)

28 нм (0,028 мкм)[ред.ред. код]

У третьому кварталі 2010 року на нових потужностях розташованої на Тайвані фабрики Fab 12 компанії TSMC повинен початися серійний випуск продукції за 28-нанометровій технології.

  • Багатоядерні процесори Snapdragon фірми Qualcomm.

У травні 2011 за технологією 28 нм фірмою Altera була випущена найбільша у світі мікросхема, що складається з 3,9 млрд транзисторів.

22 нм (0,022 мкм)[ред.ред. код]

22 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому до 2009-2012 рр.. провідними компаніями - виробниками мікросхем. Відповідає лінійній роздільній здатності літографічного обладнання, приблизно рівній 22 нм. 22-нм елементи формуються при літографії шляхом експонування маски світлом довжиною хвилі 193 нм

У 2008 році, на щорічній виставці високих технологій International Electron Devices Meeting у Сан-Франциско технологічний альянс компаній IBM, AMD і Toshiba продемонстрував комірку пам'яті SRAM, виконану за 22-нм техпроцесом з транзисторів типу FinFET, які, у свою чергу, виконуються за прогресивною технологією high-k/metal gate (затвори транзистора виготовляються не з кремнію, а з гафнію), площею всього 0,128 мкм ² (0,58 × 0,22 мкм) . Також про розробку комірки пам'яті типу SRAM площею 0,1 мкм ² створену по техпроцесу 22 нм оголосили IBM і AMD. Перші працездатні тестові зразки регулярних структур (SRAM) представлені публіці компанією Intel в 2009 році . 22-нм тестові мікросхеми являють собою пам'ять SRAM і логічні модулі. SRAM-осередки розміром 0,108 і 0,092 мкм ² функціонують у складі масивів за 364 млн біт. Осередок площею 0,108 мкм ² оптимізований для роботи в низьковольтному середовищі, а осередок площею 0,092 мкм ² є найбільш мініатюрним з відомих сьогодні осередків SRAM.

Виробляються процесори за такою технологією з початку 2012 року.

  • Intel Ivy Bridge
  • Intel Haswell (послідовник Ivy Bridge).

14 нм (0,014 мкм)[ред.ред. код]

Будівництво заводу під назвою Fab42 в американському штаті Арізона почалося в середині 2011 року, а в експлуатацію він буде зданий в 2013 році. За заявою Intel, він стане найсучаснішим заводом з масового випуску комп'ютерних процесорів - Intel буде випускати тут продукцію по 14-нанометровій технології на основі 300-міліметрових кремнієвих пластин. Завод також стане першим масовим виробництвом, сумісним з 450-мм пластинами. У будівництво планується вкласти понад $ 5 млрд. На момент запуску Fab 42 стане, як очікується, одним з найбільш передових у світі заводів з випуску напівпровідникової продукції в великих обсягах.

10 нм (0,01 мкм)[ред.ред. код]

Тайванський напівпровідниковий виробник United Microelectronics (UMC) повідомив, що приєднається до технологічного альянсу IBM для участі в розробці 10-нм CMOS-техпроцесу. Плани з випуску серверних рішень і розвитку техпроцесу до 2018 року.

Див. також[ред.ред. код]