Fases de elaboración de semiconductores

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DESCRIPCIÓN GENERAL de los pasos de procesamiento de semiconductores

La fabricación de dispositivos semiconductores es el proceso utilizado para crear chips, los circuitos integrados que están presentes en los dispositivos eléctricos y electrónicos cotidianos. Es una secuencia de múltiples pasos de procesamiento fotográfico y químico durante el cual se crean gradualmente circuitos electrónicos en una oblea hecha de material semiconductor puro. El silicio es el material semiconductor más utilizado en la actualidad, junto con varios semiconductores compuestos. Todo el proceso de fabricación, desde el inicio hasta el empaque de los chips listos para su envío, demora de seis a ocho semanas y se realiza en instalaciones altamente especializadas denominadas fábricas.

obleas
Una oblea típica está hecha de silicio extremadamente puro que se convierte en lingotes cilíndricos monocristalinos (bolas) de hasta 300 mm (un poco menos de 12 pulgadas) de diámetro mediante el proceso Czochralski. A continuación, estos lingotes se cortan en obleas de unos 0,75 mm de espesor y se pulen para obtener una superficie muy regular y plana. Una vez que se preparan las obleas, se necesitan muchos pasos de proceso para producir el circuito integrado semiconductor deseado. En general, los pasos se pueden agrupar en dos áreas:

Procesamiento frontal

Procesamiento de back-end

Procesando
En la fabricación de dispositivos semiconductores, los diversos pasos de procesamiento se dividen en cuatro categorías generales:

Deposición, Eliminación, Patrones y Modificación de propiedades eléctricas.
La deposición es cualquier proceso que crece, recubre o transfiere un material a la oblea. Las tecnologías disponibles consisten en deposición física de vapor (PVD), deposición química de vapor (CVD), deposición electroquímica (ECD), epitaxia de haz molecular (MBE) y, más recientemente, deposición de capa atómica (ALD), entre otras. Los procesos de eliminación son aquellos que eliminan material de la oblea, ya sea a granel o de forma selectiva, y consisten principalmente en procesos de grabado, tanto en húmedo como en seco, como el grabado con iones reactivos (RIE). La planarización químico-mecánica (CMP) también es un proceso de eliminación utilizado entre niveles. El modelado cubre la serie de procesos que dan forma o alteran la forma existente de los materiales depositados y generalmente se denomina litografía. Por ejemplo, en la litografía convencional, la oblea se recubre con un químico llamado "fotoprotector". La fotoprotección es expuesta por un "paso a paso", una máquina que enfoca, alinea y mueve la máscara, exponiendo porciones seleccionadas de la oblea a luz de longitud de onda corta. Las regiones no expuestas se lavan con una solución reveladora. Después del grabado u otro procesamiento, el fotoprotector restante se elimina mediante incineración de plasma. Históricamente, la modificación de las propiedades eléctricas ha consistido en dopar fuentes y drenajes de transistores, originalmente mediante hornos de difusión y luego mediante implantación de iones. Estos procesos de dopaje van seguidos de recocido en horno o, en dispositivos avanzados, de recocido térmico rápido (RTA) que sirven para activar los dopantes implantados. La modificación de las propiedades eléctricas ahora también se extiende a la reducción de la constante dieléctrica en materiales aislantes de bajo k mediante la exposición a la luz ultravioleta en el procesamiento UV (UVP). Muchos chips modernos tienen ocho o más niveles producidos en más de 300 pasos de procesamiento secuenciados.
Procesamiento frontal
"Procesamiento Front End" se refiere a la formación de los transistores directamente en el silicio. La oblea en bruto está diseñada mediante el crecimiento de una capa de silicio ultrapuro, prácticamente libre de defectos a través de la epitaxia. En los dispositivos lógicos más avanzados, previo al paso de epitaxia de silicio, se realizan trucos para mejorar el rendimiento de los transistores a construir. Un método implica la introducción de un "paso de deformación" en el que se deposita una variante de silicio como "silicio-germanio" (SiGe). Una vez que se deposita el silicio epitaxial, la red cristalina se estira algo, lo que mejora la movilidad electrónica. Otro método, llamado tecnología de "silicio sobre aislante" implica la inserción de una capa aislante entre la oblea de silicio en bruto y la capa delgada de epitaxia de silicio posterior. Este método da como resultado la creación de transistores con efectos parásitos reducidos.

Dióxido de silicio
A la ingeniería de la superficie frontal le sigue: el crecimiento del dieléctrico de la compuerta, tradicionalmente dióxido de silicio (SiO2), el patrón de la compuerta, el patrón de las regiones de fuente y drenaje, y la posterior implantación o difusión de dopantes para obtener las propiedades eléctricas complementarias deseadas. En los dispositivos de memoria, las celdas de almacenamiento, convencionalmente condensadores, también se fabrican en este momento, ya sea en la superficie de silicio o apiladas sobre el transistor.

Capas de metal
Una vez que se han creado los diversos dispositivos semiconductores, deben interconectarse para formar los circuitos eléctricos deseados. Este "Back End Of Line" (BEOL), la última parte del extremo frontal de la fabricación de obleas, que no debe confundirse con el "extremo posterior" de la fabricación de chips que se refiere al paquete y las etapas de prueba) implica la creación de cables metálicos de interconexión que están aislados por dieléctricos aislantes. El material aislante era tradicionalmente una forma de SiO2 o un vidrio de silicato, pero recientemente se están utilizando nuevos materiales de baja constante dieléctrica. Estos dieléctricos actualmente toman la forma de SiOC y tienen constantes dieléctricas de alrededor de 2,7 (en comparación con 3,9 para SiO2), aunque se ofrecen materiales con constantes tan bajas como 2,2 a los fabricantes de chips.

Interconectar
Históricamente, los alambres metálicos consistían en aluminio. En este enfoque del cableado, a menudo llamado "aluminio sustractivo", primero se depositan películas de aluminio, se modelan y luego se graban, dejando cables aislados. Luego, el material dieléctrico se deposita sobre los cables expuestos. Las diversas capas de metal están interconectadas mediante el grabado de agujeros, llamados "vías", en el material aislante y depositando tungsteno en ellos con una técnica de CVD. Este enfoque todavía se usa en la fabricación de muchos chips de memoria, como la memoria dinámica de acceso aleatorio (DRAM), ya que la cantidad de niveles de interconexión es pequeña, actualmente no más de cuatro.
Más recientemente, dado que la cantidad de niveles de interconexión para la lógica ha aumentado sustancialmente debido a la gran cantidad de transistores que ahora están interconectados en un microprocesador moderno, la demora de tiempo en el cableado se ha vuelto significativa, lo que provocó un cambio en el material del cableado de aluminio a cobre y desde los dióxidos de silicio hasta el nuevo material de bajo K. Esta mejora del rendimiento también tiene un costo reducido a través del procesamiento de damasquinado que elimina los pasos de procesamiento. En el procesamiento de damasquinado, a diferencia de la tecnología sustractiva del aluminio, el material dieléctrico se deposita primero como una capa de película y se modela y graba dejando agujeros o surcos. En el procesamiento de "damasquinado simple", el cobre se deposita en los orificios o zanjas rodeados por una película de barrera delgada que da como resultado vías llenas o "líneas" de alambre, respectivamente. En la tecnología de "doble damasquinado", tanto la zanja como la vía se fabrican antes de la deposición de cobre, lo que da como resultado la formación de la vía y la línea simultáneamente, lo que reduce aún más el número de pasos de procesamiento. La película de barrera delgada, llamada semilla de barrera de cobre (CBS), es necesaria para evitar la difusión de cobre en el dieléctrico. La película de barrera ideal es eficaz, pero apenas existe. Dado que la presencia de una película de barrera excesiva compite con la sección transversal del cable de cobre disponible, la formación de la barrera más delgada pero continua representa uno de los mayores desafíos continuos en el procesamiento del cobre en la actualidad.
A medida que aumenta el número de niveles de interconexión, se requiere la planarización de las capas anteriores para garantizar una superficie plana antes de la litografía posterior. Sin él, los niveles se volverían cada vez más torcidos y se extenderían más allá de la profundidad de enfoque de la litografía disponible, lo que interferiría con la capacidad de generar patrones. CMP (pulido mecánico químico) es el método de procesamiento principal para lograr dicha planarización, aunque a veces todavía se emplea el "grabado posterior" seco si el número de niveles de interconexión no es más de tres.

Prueba de obleas
La naturaleza altamente serializada del procesamiento de obleas ha aumentado la demanda de metrología entre los distintos pasos de procesamiento. El equipo de metrología de prueba de obleas se utiliza para verificar que las obleas todavía estén en buen estado y que no hayan sido dañadas por los pasos de procesamiento anteriores. Si el número de circuitos integrados que "mueren" eventualmente se convertirán en "chips" en una oblea que miden como falla supera un umbral predeterminado, la oblea se desecha en lugar de invertir en un procesamiento adicional.

Prueba de dispositivo
Una vez que se ha completado el Proceso Front End, los dispositivos semiconductores se someten a una variedad de pruebas eléctricas para determinar si funcionan correctamente. La proporción de dispositivos en la oblea que funcionan correctamente se denomina rendimiento. La fábrica prueba los chips en la oblea con un probador electrónico que presiona pequeñas sondas contra el chip. La máquina marca cada ficha defectuosa con una gota de tinte. La fábrica cobra por el tiempo de prueba; los precios están en el orden de centavos por segundo. Los chips a menudo se diseñan con "características de capacidad de prueba" para acelerar las pruebas y reducir los costos de las pruebas. Los buenos diseños intentan probar y administrar estadísticamente las esquinas: extremos del comportamiento del silicio causados por la temperatura de funcionamiento combinados con los extremos de los pasos de procesamiento de fábrica. La mayoría de los diseños se adaptan a más de 64 esquinas.

embalaje
Una vez probada, la oblea se marca y luego se rompe en dados individuales. Solo los buenos chips sin teñir se envasan. El empaque de plástico o cerámica implica montar el troquel, conectar el troquel almohadillas a los pasadores en el paquete y sellando el troquel. Se utilizan pequeños cables para conectar las almohadillas a los pines. En los viejos tiempos, los cables se conectaban a mano, pero ahora las máquinas especialmente diseñadas realizan la tarea. Tradicionalmente, los cables de los chips eran de oro, lo que conducía a un "marco de plomo" (pronunciado "marco de leed") de cobre, que había sido revestido con soldadura, una mezcla de estaño y plomo. El plomo es venenoso, por lo que los "marcos de plomo" sin plomo son ahora la mejor práctica. El paquete a escala de chip (CSP) es otra tecnología de empaque. Los chips envasados en plástico suelen ser considerablemente más grandes que el troquel real, mientras que los chips CSP tienen casi el tamaño del troquel. El CSP se puede construir para cada matriz antes de cortar la oblea.
Los chips empaquetados se vuelven a probar para asegurarse de que no se dañaron durante el embalaje y que la operación de interconexión de matriz a patilla se realizó correctamente. Un láser graba el nombre y los números de los chips en el paquete.

Lista de pasos:
Esta es una lista de técnicas de procesamiento que se emplean numerosas veces en un dispositivo electrónico moderno y no necesariamente implican un orden específico.

Procesamiento de obleas - Limpieza en húmedo - Fotolitografía - Implantación de iones (en la que los dopantes se incrustan en la oblea creando regiones de conductividad aumentada (o disminuida)) - Grabado en seco - Grabado en húmedo - Incineración con plasma - Tratamientos térmicos - Recocido térmico rápido - Recocido en horno - Térmico oxidación - Deposición química de vapor (CVD) - Deposición física de vapor (PVD) - Epitaxia de haz molecular (MBE) - Deposición electroquímica (ECD) - Planarización químico-mecánica (CMP) - Prueba de obleas (donde se verifica el rendimiento eléctrico) - Rectificado de obleas (para reducir el grosor de la oblea para que el chip resultante pueda colocarse en un dispositivo delgado como una tarjeta inteligente o una tarjeta PCMCIA). - Preparación del troquel - Montaje de la oblea - Troquelado - Empaquetado de circuitos integrados - Fijación del troquel - Unión de circuitos integrados - Unión de cables - Voltear chip - Adhesión de pestañas - Encapsulación de circuitos integrados - Horneado - Enchapado - Marcado láser - Corte y forma - Circuitos integrados Pruebas

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