Технологічний процес в електронній промисловості

Кристалічний кремній

Процесор Apple.

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

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

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

1. Етапи технологічного процесу

Пластина монокристалічного кремнію з готовими мікросхемами

Технологічний процес виробництва напівпровідникових приладів і інтегральних мікросхем ( мікропроцесорів, модулів пам'яті і 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 витравлення вікон в маскувальних покриттях, для прояву прихованого зображення в шарі експонованого фоторезиста, для видалення його заполімерізірованних залишків, для отримання контактних майданчиків і розведення в шарі металізації застосовують хімічну (електрохімічну) обробку.
• Епітаксіальні 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 подальших операціях легування. Найчастіше проводиться шляхом окислення епітаксійного шару кремнію в середовищі кисню при високій температурі.
• Фотолітографія - проводиться для утворення рельєфу в діелектричної плівці.
• Введення електрично активних домішок в пластину для утворення окремих p-і n-областей - потрібно для створення електричних переходів, ізолюючих дільниць. Виробляється методом дифузії з твердих, рідких або газоподібних джерел, основними діффузант в кремній є фосфор і бор.

Термічна дифузія - спрямоване переміщення частинок речовини в сторону зменшення їх концентрації: визначається градієнтом концентрації. Часто застосовується для отримання введення легуючих домішок в напівпровідникові пластини (або вирощені на них епітаксіальні шари) для отримання протилежного, 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 НВЧ-структур) визначається початкової кінетичної енергією іонів в напівпровіднику і виконується в два етапи:

1. в напівпровідникову пластину на вакуумній установці впроваджують іони
2. виробляється отжиг при високій температурі

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

• Отримання омічних контактів і створення пасивних елементів на пластині - за допомогою фотолітографії обробки в шарі оксиду, що покриває 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 (металлизируются), надлишок металу видаляють, залишивши його тільки на місцях контактних площадок і розведення. 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 (в сучасних процесах - близько 10 шарів), між шарами розташовують діелектрик ( англ. inter-metal dielectric , IMD) з наскрізними отворами.
• Пасивація поверхні пластини.
• Тестування нерозрізаний пластини.
• Поділ пластин на кристали - механічно поділяє (розрізанням) пластину на окремі кристали.
• Операції монтажу кристала в корпус і герметизація - приєднання до кристалу висновків і наступна упаковка в корпус, з подальшою його герметизацією.
• Електричні вимірювання та випробування - проводяться з метою від бракування виробів з невідповідні технічної документації параметри. Іноді спеціально випускаються мікросхеми з "відкритим" верхньою межею параметрів, що допускають згодом роботу в позаштатних для інших мікросхем режимах підвищеного навантаження (див., наприклад, Розгін комп'ютерів).
• Вихідний контроль (англ.), що завершує технологічний цикл виготовлення пристрою досить важлива і складна задача (так, для перевірки всіх комбінацій схеми, що складається з 20 елементів з 75 (сукупно) входами, при використанні пристрою працює за принципом функціонального контролю зі швидкістю ¹⁰ Квітень перевірок в секунду, потрібно 10 ¹⁹ років!)
• Маркування, нанесення захисного покриття, упаковка - завершальні операції перед відвантаженням готового виробу кінцевому споживачеві.

Для виконання вимог електронної виробничої гігієни будують особливо чисті приміщення (" чисті кімнати "), в яких люди можуть знаходитися тільки в спеціальному одязі

Технології виробництва напівпровідникової продукції з субмікронними розмірами елементів полягає в 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 отжиг в 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 усі працівники зобов'язані носити спеціальні комбінезони. ^[1]. У рекламних матеріалах Intel спецодяг працівників отримала назву bunny suit ("костюм кролика") ^{[2] [3]}.

2. Техпроцеси більше 100 нм

2.1. 3 мкм

3 мкм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутого в 1979 році Intel. Відповідає лінійному вирішенню літографічного обладнання, приблизно рівному 3 мкм.

• Intel 8086

2.2. 1,5 мкм

1,5 мкм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому Intel в 1982 році. Відповідає лінійному вирішенню літографічного обладнання, приблизно рівному 1,5 мкм.

• Intel 80286

2.3. 0,8 мкм

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

• Intel 80 486 (1989 рік)
• MicroSPARC I (1992 рік)
• Перші Intel P5 Pentium на частотах 60 і 66 МГц (1993 рік)

2.4. 0,6 мкм

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)

2.5. 0,35 мкм

350 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутого в 1997 провідними компаніями-виробниками мікросхем, такими як Intel, IBM, і TSMC. Відповідає лінійному вирішенню літографічного обладнання, приблизно рівному 0,35 мкм.

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

2.6. 0,25 мкм

250 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутого в 1998 році провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійному вирішенню літографічного обладнання, приблизно рівному 0,25 мкм.

шарів металу до 6. мінімальна кількість масок 22

• Pentium II (Deschutes)

2.7. 0,18 мкм

180 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутого в 1999 році провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійному вирішенню літографічного обладнання, приблизно рівному 0,180 мкм.

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

• AMD Athlon XP Palomino

2.8. 0,13 мкм

130 нм - техпроцес, відповідний рівнем технології, досягнутого в 2000 - 2001 роках провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійному вирішенню літографічного обладнання, приблизно рівному 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
• МЦСТ-R500S (1891ВМ3) - 2008, 500 МГц

3. Техпроцеси менше 100 нм

3.1. 90 нм (0,09 мкм)

90 нм - техпроцес, що відповідає рівню напівпровідникової технології, яка була досягнута до 2002 - 2003 років. Відповідає лінійному вирішенню літографічного обладнання, приблизно рівному 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 новий діелектричний матеріал з низькою діелектричною проникністю.

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

3.2. 65 нм (0,065 мкм)

65 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому до 2004 провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійному вирішенню літографічного обладнання, приблизно рівному 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

3.3. 50 нм (0,050 мкм)

50 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому до 2005 провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійному вирішенню літографічного обладнання, приблизно рівному 50 нм.

3.4. 45 нм (0,045 мкм)

45 нм - техпроцес, що відповідає рівню технології, досягнутому до 2006 - 2007 роках провідними компаніями-виробниками мікросхем. Відповідає лінійному вирішенню літографічного обладнання, приблизно рівному 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 SiO ₂ / 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

3.5. 32 нм (0,032 мкм)

32 нм - техпроцес, відповідний рівнем 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 проводиться процесори з даного техпроцесу.

• AMD Bulldozer
• Intel Sandy Bridge (анонсований 3 січня 2011)

3.6. 28 нм (0,028 мкм)

У третьому кварталі 2010 року на нових потужностях розташованої на Тайвані фабрики Fab 12 компанії Taiwan Semiconductor Manufacturing Company ( TSMC) повинен початися серійний випуск продукції по 28-нанометровій технології ^[9].

• Багатоядерні процесори Snapdragon фірми Qualcomm (очікуються 2 кв. 2011)

У травні 2011 за технологією 28 нм фірмою Altera була випущена найбільша в світі мікросхема, що складається з 3,9 млрд транзисторів. ^[10]

3.7. 22 нм (0,022 мкм)

Перші працездатні тестові зразки регулярних структур ( SRAM) представлені публіці компанією Intel в 2009 ^[11]. 22-нм тестові мікросхеми являють собою пам'ять SRAM і логічні модулі. SRAM-осередки розміром 0,108 і 0,092 мкм функціонують у складі масивів по 364 млн біт. Осередок площею 0,108 мкм оптимізована для роботи в низьковольтної середовищі, а осередок площею 0,092 мкм є наймініатюрнішою з відомих сьогодні осередків SRAM.

22-нм елементи формуються при літографії шляхом експонування маски світлом довжиною хвилі 193 нм ^[12]

Введення в виробництво планується в другій половині 2011. Про це заявив глава Intel Пол Отелліні, продемонструвавши кремнієву пластину з чіпами, створену за 22-нм технології ^[13].

Також про розробку осередки пам'яті типу SRAM площею 0,1 мкм створену по техпроцесу 22 нм оголосили IBM і AMD ^[14]

У 2008 році, на щорічній виставці високих технологій International Electron Devices Meeting в Сан-Франциско технологічний альянс компаній IBM, AMD і Toshiba продемонстрував комірку пам'яті SRAM, виконану за 22-нм техпроцесу з транзисторів типу FinFET, які, в свою чергу, виконуються за прогресивною технології high-k/metal gate (затвори транзистора виготовляються не з кремнію, а з гафнію), площею всього 0,128 мкм (0,58 0,22 мкм) ^[15].

• Intel Ivy Bridge очікується в квітні 2012 року. ^[16]

3.8. 14 нм (0,014 мкм)

Будівництво заводу під назвою Fab42 в американському штаті Арізона почнеться в середині 2011 року, а в експлуатацію він буде зданий в 2013. 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. 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 у великих обсягах.

3.9. 10 нм (0,01 мкм)

Плани по випуску серверних рішень і розвитку техпроцесу до 2018 року. ^[17]

Література

• Готра З. Ю. Довідник з технології мікроелектронних пристроїв - Львів: Каменяр, 1986. - 287 с.
• Бер А. Ю., Мінскер Ф. Е. Складання напівпровідникових приладів та інтегральних мікросхем - М: "Вища школа", 1986. - 279 с.