La fabrication de puces électroniques est le processus le plus complexe au monde aujourd'hui. Il s'agit d'un processus complexe mis en œuvre par de nombreuses entreprises de premier plan. Cet article s'efforce de résumer ce processus et de donner une description complète et générale de ce processus complexe.
Il existe de nombreux procédés de fabrication de semi-conducteurs, et on dit qu'ils comportent des centaines, voire des milliers d'étapes. Ce n'est pas une exagération. Une usine ayant investi un milliard de dollars ne peut réaliser qu'une petite partie du processus. Pour un processus aussi complexe, cet article sera divisé en cinq grandes catégories pour l'explication : la fabrication de plaquettes, la photolithographie et la gravure, l'implantation ionique, le dépôt de couches minces, et le conditionnement et les tests.
1. Procédé de fabrication de semi-conducteurs - fabrication de plaquettes
La fabrication de plaquettes peut être divisée en 5 processus principaux suivants :
(1) Tirage de cristal
◈ Le polysilicium dopé est fondu à 1400 degrés
◈ Injecter du gaz inerte d'argon de haute pureté
◈ Placez la « graine » de silicium monocristallin dans la masse fondue et faites-la tourner lentement lorsqu'elle est « retirée ».
◈ Le diamètre du lingot monocristallin est déterminé par la température et la vitesse d'extraction
(2) Le découpage des plaquettes utilise une « scie » de précision pour couper le lingot de silicium en plaquettes individuelles.
(3) Rodage, gravure de plaquettes
◈ Les plaquettes tranchées sont broyées mécaniquement à l'aide d'un broyeur rotatif et d'une suspension d'alumine pour rendre la surface de la plaquette plane et parallèle et réduire les défauts mécaniques.
◈ Les plaquettes sont ensuite gravées dans une solution d'acide nitruré/acide acétique pour éliminer les fissures microscopiques ou les dommages de surface, suivies d'une série de bains d'eau RO/DI de haute pureté.
(4) Polissage et nettoyage des plaquettes
◈ Ensuite, les plaquettes sont polies dans une série de processus de polissage chimique et mécanique appelés CMP (Chemical Mechanical Polish). ◈ Le processus de polissage comprend généralement deux à trois étapes de polissage utilisant des boues de plus en plus fines et un nettoyage intermédiaire à l'aide d'eau RO/DI. ◈ Un nettoyage final est effectué à l'aide d'une solution SC1 (ammoniac, peroxyde d'hydrogène et eau RO/DI) pour éliminer les impuretés et particules organiques. Ensuite, le HF est utilisé pour éliminer les oxydes natifs et les impuretés métalliques, et enfin la solution SC2 permet à de nouveaux oxydes natifs ultra-propres de se développer à la surface. (5) Traitement épitaxial des plaquettes
◈ La croissance épitaxiale (EPI) est utilisée pour faire croître une couche de silicium monocristallin à partir de vapeur sur un substrat de silicium monocristallin à haute température.
◈ Le processus de croissance d’une couche de silicium monocristallin à partir de la phase vapeur est appelé épitaxie en phase vapeur (EPV).
SiCl4 + 2H2 ↔ Si + 4HCl
SiCl4 (tétrachlorure de silicium)
La réaction est réversible, c'est-à-dire que si du HCl est ajouté, le silicium sera gravé de la surface de la plaquette.
Une autre réaction pour générer du Si est irréversible : SiH4 → Si + 2H2 (silane)
◈ Le but de la croissance EPI est de former des couches avec différentes concentrations (généralement plus faibles) de dopants électriquement actifs sur le substrat. Par exemple, une couche de type N sur une plaquette de type P.
◈ Environ 3 % de l’épaisseur de la plaquette.
◈ Aucune contamination des structures de transistors ultérieures.
2. Procédé de fabrication de semi-conducteurs - Photolithographie La machine de photolithographie, dont on parle beaucoup ces dernières années, n'est qu'un des nombreux équipements de traitement. La photolithographie comporte également de nombreuses étapes de traitement et de nombreux équipements.
(1) Revêtement photosensible
La résine photosensible est un matériau photosensible. Une petite quantité de liquide de résine photosensible est ajoutée à la plaquette. La plaquette est tournée à une vitesse de 1 000 à 5 000 tr/min, étalant la résine photosensible en un revêtement uniforme de 2 à 200 µm d'épaisseur. Il existe deux types de résine photosensible : négative et positive. Positif : L'exposition à la lumière peut décomposer la structure moléculaire complexe, la rendant facile à dissoudre. Négatif : L'exposition rend la structure moléculaire plus complexe et plus difficile à dissoudre. Les étapes impliquées dans chaque étape de photolithographie sont les suivantes : ◈ Nettoyer la plaquette ◈ Déposer une couche barrière SiO2, Si3N4, métal ◈ Appliquer la résine photosensible ◈ Cuisson douce ◈ Aligner le masque ◈ Exposition graphique ◈ Développement ◈ Cuisson ◈ Gravure ◈ Retirer la résine photosensible (2) Préparation du motif Préparation du motif Les concepteurs de circuits intégrés utilisent un logiciel de CAO pour concevoir le motif de chaque couche. Le motif est ensuite transféré sur un substrat de quartz optiquement transparent (modèle) avec le motif à l'aide d'un générateur de motif laser ou d'un faisceau d'électrons.
(3) Transfert de motif (exposition) Ici, une machine de photolithographie est utilisée pour projeter et copier le motif du gabarit sur la couche de puce.
(4) Développement et cuisson ◈ Après exposition, la plaquette est développée dans une solution acide ou alcaline pour éliminer les zones exposées de la résine photosensible. ◈ Une fois la résine photosensible exposée retirée, la plaquette est « cuite » à basse température pour durcir la résine photosensible restante.
3. Procédés de fabrication de semi-conducteurs - Gravure et implantation ionique (1) Gravure humide et sèche ◈ La gravure chimique est effectuée sur une grande plate-forme humide. ◈ Différents types de solutions acides, basiques et caustiques sont utilisés pour éliminer des zones sélectionnées de différents matériaux. ◈ Le BOE, ou agent de gravure à l'oxyde tamponné, est fabriqué à partir d'acide fluorhydrique tamponné avec du fluorure d'ammonium et est utilisé pour éliminer le dioxyde de silicium sans graver la couche de silicium ou de polysilicium sous-jacente. ◈ L'acide phosphorique est utilisé pour graver les couches de nitrure de silicium. ◈ L'acide nitrique est utilisé pour graver les métaux. ◈ La résine photosensible est éliminée avec de l'acide sulfurique. ◈ Pour la gravure sèche, la plaquette est placée dans une chambre de gravure et gravée au plasma. ◈ La sécurité du personnel est une préoccupation majeure. ◈ De nombreuses usines utilisent des équipements automatisés pour effectuer le processus de gravure. (2) Décapage de la résine
La résine photosensible est ensuite complètement retirée de la plaquette, laissant un motif d'oxyde sur la plaquette.
(3) Implantation ionique
◈ L’implantation ionique modifie les propriétés électriques de zones précises au sein des couches existantes sur la plaquette.
◈ Les implanteurs ioniques utilisent des tubes accélérateurs à courant élevé et des aimants de direction et de focalisation pour bombarder la surface de la plaquette avec des ions de dopants spécifiques.
◈ L’oxyde agit comme une barrière tandis que les produits chimiques dopants se déposent sur la surface et diffusent dans la surface.
◈ La surface du silicium est chauffée à 900 degrés pour le recuit, et les ions dopants implantés se diffusent davantage dans la plaquette de silicium.
4. Procédé de fabrication des semi-conducteurs - Dépôt de couches minces
Il existe de nombreuses méthodes et contenus de dépôt de couches minces, qui sont expliqués un par un ci-dessous : (1) Oxyde de silicium
Lorsque le silicium existe dans l'oxygène, SiO2 va croître thermiquement. L'oxygène provient de l'oxygène ou de la vapeur d'eau. La température ambiante doit être de 900 à 1200 degrés. La réaction chimique qui se produit est
Si + O2 → SiO2
Si +2H2O ->SiO2 + 2H2
La surface de la plaquette de silicium après oxydation sélective est représentée dans la figure ci-dessous :
L'oxygène et l'eau se diffusent à travers le SiO2 existant et se combinent avec le Si pour former du SiO2 supplémentaire. L'eau (vapeur) se diffuse plus facilement que l'oxygène, de sorte que la vapeur se développe beaucoup plus rapidement.
L'oxyde est utilisé pour fournir une couche isolante et de passivation pour former la grille du transistor. L'oxygène sec est utilisé pour former la grille et la fine couche d'oxyde. La vapeur est utilisée pour former une épaisse couche d'oxyde. La couche d'oxyde isolante mesure généralement environ 1 500 nm et la couche de grille est généralement comprise entre 200 et 500 nm.
(2) Dépôt chimique en phase vapeur
Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) forme un film mince sur la surface d'un substrat par décomposition thermique et/ou réaction de composés gazeux.
Il existe trois principaux types de réacteurs CVD : ◈ Dépôt chimique en phase vapeur atmosphérique
◈ CVD basse pression (LPCVD)
◈ Maladie cardiovasculaire améliorée par plasma (PECVD)
Le schéma du processus CVD basse pression est présenté ci-dessous.
Les principaux processus de réaction du CVD sont les suivants
i). Polysilicon PolysiliconSiH4 ->Si + 2h2 (600 degrés)
Taux de dépôt 100 - 200 nm/min
On peut ajouter du phosphore (phosphine), du bore (diborane) ou de l'arsenic gazeux. Le polysilicium peut également être dopé avec du gaz de diffusion après dépôt.
ii). Dioxyde de silicium
SiH4 + O2→SiO2 + 2h2 (300 - 500 degré)
Le SiO2 est utilisé comme isolant ou couche de passivation. Le phosphore est généralement ajouté pour obtenir de meilleures performances de flux d'électrons.
iii). Nitrure de silicium Nitrure de silicium
3SiH4 + 4NH3 ->Si3N4 + 12H2
(Silane) (Ammoniac) (Nitrure)
(3) Pulvérisation
La cible est bombardée avec des ions à haute énergie tels que Ar+, et les atomes de la cible seront déplacés et transportés vers le substrat.
Des métaux tels que l'aluminium et le titane peuvent être utilisés comme cibles. (4) Évaporation
L'Al ou l'Au (or) est chauffé jusqu'au point d'évaporation et la vapeur se condense et forme un film mince recouvrant la surface de la plaquette.
L'exemple suivant explique en détail comment le circuit sur la plaquette de silicium est formé étape par étape, de la photolithographie à la gravure jusqu'au dépôt d'ions :
5. Processus de fabrication des semi-conducteurs - Test d'emballage (post-traitement)
(1) Test de plaquette Une fois la préparation finale du circuit terminée, les dispositifs de test sur la plaquette sont testés à l'aide d'une méthode de test de sonde automatisée pour éliminer les produits défectueux.
(2) Découpe de la plaquette Après le test de la sonde, la plaquette est découpée en puces individuelles.
(3) Câblage et conditionnement ◈ Les puces individuelles sont connectées au cadre de connexion et les fils en aluminium ou en or sont connectés par compression thermique ou soudage par ultrasons. ◈ L'emballage est complété en scellant l'appareil dans un boîtier en céramique ou en plastique. ◈ La plupart des puces doivent encore subir des tests fonctionnels finaux avant d'être envoyées aux utilisateurs en aval.
