Технологический процесс полупроводникового производства — технологический процесс изготовления полупроводниковых (п/п) изделий и материалов, и состоит из последовательности технологических (обработка, сборка) и контрольных операций, часть производственного процесса производства п/п изделий (транзисторов, диодов и т. п.).

При производстве п/п интегральных микросхем применяется фотолитография и литографическое оборудование. Разрешающая способность (в мкм и нм) этого оборудования (т. н. проектные нормы) и определяет название применяемого конкретного технологического процесса.

Совершенствование технологии и пропорциональное уменьшение размеров п/п структур способствуют улучшению характеристик (размеры, энергопотребление, стоимость) полупроводниковых приборов (микросхем, процессоров, микроконтроллеров и тд.). Особую значимость это имеет для процессорных ядер, в аспектах потребления электроэнергии и повышения производительности, поэтому ниже указаны процессоры (ядра) массового производства на данном техпроцессе.

Этапы технологического процесса

Технологический процесс производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (микропроцессоров, модулей памяти и др.) включает нижеследующие операции.

• Механическую обработку полупроводниковых пластин — получают пластины полупроводника со строго заданной геометрией, нужной кристаллографической ориентацией (не хуже ±5 %) и классом чистоты поверхности. Эти пластины в дальнейшем служат заготовками в производстве приборов или подложками для нанесения эпитаксиального слоя.
• Химическую обработку (предшествующую всем термическим операциям) — удаление механически нарушенного слоя полупроводника и очистка поверхности пластины. Основные методы химической обработки: жидкостное и газовое травление, плазмохимические методы. Для получения на пластине рельефа (профилирование поверхности) в виде чередующихся выступов и впадин определённой геометрии, для вытравливания окон в маскирующих покрытиях, для проявления скрытого изображения в слое экспонированного фоторезиста, для удаления его заполимеризированных остатков, для получения контактных площадок и разводки в слое металлизации применяют химическую (электрохимическую) обработку.
• Эпитаксиальное наращивание слоя полупроводника — осаждение атомов полупроводника на подложку, в результате чего на ней образуется слой, кристаллическая структура которого подобна структуре подложки. При этом подложка часто выполняет лишь функции механического носителя.
• Получение маскирующего покрытия — для защиты слоя полупроводника от проникновения примесей на последующих операциях легирования. Чаще всего проводится путём окисления эпитаксиального слоя кремния в среде кислорода при высокой температуре.
• Фотолитография — производится для образования рельефа в диэлектрической плёнке.
• Введение электрически активных примесей в пластину для образования отдельных p- и n-областей — нужно для создания электрических переходов, изолирующих участков. Производится методом диффузии из твёрдых, жидких или газообразных источников, основными диффузантами в кремний являются фосфор и бор.

Термическая диффузия — направленное перемещение частиц вещества в сторону убывания их концентрации: определяется градиентом концентрации. Часто применяется для получения введения легирующих примесей в полупроводниковые пластины (или выращенные на них эпитаксиальные слои) для получения противоположного, по сравнению с исходным материалом, типа проводимости, либо элементов с более низким электрическим сопротивлением.

Ионное легирование (применяемое при изготовлении полупроводниковых приборов с большой плотностью переходов, солнечных батарей и СВЧ-структур) определяется начальной кинетической энергией ионов в полупроводнике и выполняется в два этапа:

1. в полупроводниковую пластину на вакуумной установке внедряют ионы
2. производится отжиг при высокой температуре

В результате восстанавливается нарушенная структура полупроводника и ионы примеси занимают узлы кристаллической решётки.

• Получение омических контактов и создание пассивных элементов на пластине — с помощью фотолитографической обработки в слое оксида, покрывающем области сформированных структур, над предварительно созданными сильно легированными областями n⁺- или p⁺-типа, которые обеспечивают низкое переходное сопротивление контакта, вскрывают окна. Затем, методом вакуумного напыления всю поверхность пластины покрывают слоем металла (металлизируют), излишек металла удаляют, оставив его только на местах контактных площадок и разводки. Полученные таким образом контакты, для улучшения адгезии материала контакта к поверхности и уменьшения переходного сопротивления, термически обрабатывают (операция вжигания). В случае напыления на материал оксида специальных сплавов получают пассивные тонкоплёночные элементы — резисторы, конденсаторы, индуктивности.
• Добавление дополнительных слоев металла (в современных процессах — около 10 слоев), между слоями располагают диэлектрик (англ. inter-metal dielectric, IMD) со сквозными отверстиями.
• Пассивация поверхности пластины. Перед контролем кристаллов необходимо очистить их внешнюю поверхность от различных загрязнений. Более удобной (в технологическом плане) является очистка пластин непосредственно после скрайбирования или резки диском, пока они ещё не разделены на кристаллы. Это целесообразно и потому, что крошки полупроводникового материала, образуемые при скрайбировании или надрезании пластин, потенциально являются причиной появления брака при размалывании их на кристаллы с образованием царапин при металлизации. Наиболее часто пластины очищают в деионизированной воде на установках гидромеханической (кистьевой) отмывки, а затем сушат на центрифуге, в термошкафу при температуре не более 60° C или инфракрасным нагревом. На очищенной пластине определяются дефекты вносимые операцией скрайбирования и разламывания пластин на кристаллы, а также ранее проводимых операциях — фотолитографии, окислении, напылении, измерении (сколы и микротрещины на рабочей поверхности, царапины и другие повреждения металлизации, остатки оксида на контактных площадках, различные остаточные загрязнения в виде фоторезиста, лака, маркировочной краски и т. п.).
• Тестирование неразрезанной пластины. Обычно это испытания зондовыми головками на установках автоматической разбраковки пластин. В момент касания зондами разбраковываемых структур измеряются электрические параметры. В процессе маркируются бракованные кристаллы, которые затем отбрасываются. Линейные размеры кристаллов обычно не контролируют, так как их высокая точность обеспечивается механической и электрохимической обработкой поверхности (толщина) и последующим скрайбированием (длина и ширина).
• Разделение пластин на кристаллы — механически разделяет (разрезанием) пластину на отдельные кристаллы.
• Сборка кристалла и последующие операции монтажа кристалла в корпус и герметизация — присоединение к кристаллу выводов и последующая упаковка в корпус, с последующей его герметизацией.
• Электрические измерения и испытания — проводятся с целью отбраковки изделий, имеющих несоответствующие технической документации параметры. Иногда специально выпускаются микросхемы с «открытым» верхним пределом параметров, допускающих впоследствии работу в нештатных для остальных микросхем режимах повышенной нагрузки (см., например, Разгон компьютеров).
• Выходной контроль (англ.), завершающий технологический цикл изготовления устройства весьма важная и сложная задача (так, для проверки всех комбинаций схемы, состоящей из 20 элементов с 75 (совокупно) входами, при использовании устройства работающего по принципу функционального контроля со скоростью 10⁴ проверок в секунду, потребуется 10¹⁹ лет!)
• Маркировка, нанесение защитного покрытия, упаковка — завершающие операции перед отгрузкой готового изделия конечному потребителю.

Технологии производства полупроводниковой продукции с субмикронными размерами элементов основана на чрезвычайно широком круге сложных физико-химических процессов: получение тонких плёнок термическим и ионно-плазменным распылением в вакууме, механическая обработка пластин производится по 14-му классу чистоты с отклонением от плоскостности не более 1 мкм, широко применяется ультразвук и лазерное излучение, используются отжиг в кислороде и водороде, рабочие температуры при плавлении металлов достигают более 1500 °C, при этом диффузионные печи поддерживают температуру с точностью 0,5 °C, широко применяются опасные химические элементы и соединения (например, белый фосфор).

Всё это обусловливает особые требования к производственной гигиене, так называемую «электронную гигиену», ведь в рабочей зоне обработки полупроводниковых пластин или на операциях сборки кристалла не должно быть более пяти пылинок размером 0,5 мкм в 1 л воздуха. Поэтому в чистых комнатах на фабриках по производству подобных изделий все работники обязаны носить специальные комбинезоны.^[1]. В рекламных материалах Intel спецодежда работников получила название bunny suit («костюм кролика») ^{[2] [3]}.

Техпроцессы более 100 нм

3 мкм

3 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1979 году Intel. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 3 мкм.

• Intel 8086

1,5 мкм

1,5 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому Intel в 1982 году. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 1,5 мкм.

• Intel 80286

0,8 мкм

0,8 мкм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в конце 1980-х — начале 1990-х годов компаниями Intel и IBM.

• Intel 80486 (1989 год)
• MicroSPARC I (1992 год)
• Первые Intel P5 Pentium на частотах 60 и 66 МГц (1993 год)

0,6 мкм

Техпроцесс, достигнутый производственными мощностями компаниями Intel и IBM в 1994—1995 годах.

• 80486DX4 CPU (1994 год)
• IBM/Motorola PowerPC 601, первый чип архитектуры PowerPC
• Intel Pentium на частотах 75, 90 и 100 МГц
• МЦСТ-R100 (1998 г., 0,5 мкм, 50 МГц)

0,35 мкм

350 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1997 году ведущими компаниями-производителями микросхем, такими как Intel, IBM, и TSMC. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 0,35 мкм.

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

0,25 мкм

250 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1998 году ведущими компаниями-производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 0,25 мкм.

слоев металла до 6. минимальное количество масок 22

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

0,18 мкм

180 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 1999 году ведущими компаниями-производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 0,180 мкм.

слоев металла до 6-7. минимальное количество масок 22-24

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

0,13 мкм

130 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому в 2000—2001 годах ведущими компаниями-производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 130 нм.

• Intel Pentium III Tualatin
• Intel Celeron Tualatin-256 — октябрь 2001
• Intel Pentium M Banias — март 2003
• Intel Pentium 4 Northwood — январь 2002
• Intel Celeron Northwood-128 — сентябрь 2002
• Intel Xeon Prestonia и Gallatin — февраль 2002
• AMD Athlon XP Thoroughbred, Thorton и Barton
• AMD Athlon MP Thoroughbred — август 2002
• AMD Athlon XP-M Thoroughbred, Barton и Dublin
• AMD Duron Applebred — август 2003
• AMD K7 Sempron Thoroughbred-B, Thorton и Barton — июль 2004
• AMD K8 Sempron Paris — июль 2004
• AMD Athlon 64 Clawhammer и Newcastle — сентябрь 2003
• AMD Opteron Sledgehammer — июнь 2003
• МЦСТ Эльбрус 2000 (1891BM4Я) — июль 2008
• МЦСТ-R500S (1891ВМ3) — 2008, 500 МГц

Техпроцессы менее 100 нм

90 нм (0,09 мкм)

90 нм — техпроцесс, соответствующий уровню полупроводниковой технологии, которая была достигнута к 2002—2003 годам. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 90 нм.

Технологический процесс с проектной нормой 90 нм часто используется с технологиями напряженного кремния, медных соединений с меньшим сопротивлением, чем у ранее применяемого алюминия, а также новый диэлектрический материал с низкой диэлектрической проницаемостью.

• Intel Pentium 4 (Prescott)
• МЦСТ-4R (готовится к выпуску, 4 ядра, 1 ГГц)
• AMD Turion 64 X2 (мобильный)

65 нм (0,065 мкм)

65 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2004 году ведущими компаниями-производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 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 (мобильный)
• AMD Turion 64 X2 Ultra (мобильный)

• 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)

50 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2005 году ведущими компаниями-производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 50 нм.

45 нм (0,045 мкм)

45 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2006—2007 годах ведущими компаниями-производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 45 нм. Для микроэлектронной промышленности стал революционным, так как это был первый техпроцесс, использующий технологию high-k/metal gate (HfSiON/TaN в технологии компании Intel), для замены физически себя исчерпавших 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 от GlobalFoundries, с 2010)

32 нм (0,032 мкм)

32 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2009—2010 годах ведущими компаниями-производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 32 нм. Осенью 2009 компания Intel находилась на этапе перехода к этому новому техпроцессу^{[4][5][6][7][8]}. С начала 2011 начали производиться процессоры по данному техпроцессу.

• Intel Sandy Bridge
• AMD Bulldozer
• AMD Piledriver (второе поколение Bulldozer)
• APU от AMD: Llano и Trinity (второе поколение AMD APU)

28 нм (0,028 мкм)

В третьем квартале 2010 года на новых мощностях расположенной на Тайване фабрики Fab 12 компании TSMC должен начаться серийный выпуск продукции по 28-нанометровой технологии^[9].

• Многоядерные процессоры Snapdragon фирмы Qualcomm.

В мае 2011 по технологии 28 нм фирмой Altera была выпущена самая большая в мире микросхема, состоящая из 3,9 млрд транзисторов.^[10]

22 нм (0,022 мкм)

22 нм — техпроцесс, соответствующий уровню технологии, достигнутому к 2009—2012 гг. ведущими компаниями — производителями микросхем. Соответствует линейному разрешению литографического оборудования, примерно равному 22 нм. 22-нм элементы формируются при литографии путем экспонирования маски светом длиной волны 193 нм^[11]

В 2008 году, на ежегодной выставке высоких технологий International Electron Devices Meeting в Сан-Франциско технологический альянс компаний IBM, AMD и Toshiba продемонстрировал ячейку памяти SRAM, выполненую по 22-нм техпроцессу из транзисторов типа FinFET, которые, в свою очередь, выполняются по прогрессивной технологии high-k/metal gate (затворы транзистора изготавливаются не из кремния, а из гафния), площадью всего 0,128 мкм² (0,58×0,22 мкм)^[12]. Также о разработке ячейки памяти типа SRAM площадью 0,1 мкм² созданную по техпроцессу 22 нм объявили IBM и AMD^[13]
Первые работоспособные тестовые образцы регулярных структур (SRAM) представлены публике компанией Intel в 2009 году^[14]. 22-нм тестовые микросхемы представляют собой память SRAM и логические модули. SRAM-ячейки размером 0,108 и 0,092 мкм² функционируют в составе массивов по 364 млн бит. Ячейка площадью 0,108 мкм² оптимизирована для работы в низковольтной среде, а ячейка площадью 0,092 мкм² является самой миниатюрной из известных сегодня ячеек SRAM.

Производятся процессоры по такой технологии с начала 2012 года.

• Intel Ivy Bridge
• Intel Haswell (последователь Ivy Bridge, ожидаются в 2013 году).

14 нм (0,014 мкм)

Строительство завода под названием Fab42 в американском штате Аризона началось в середине 2011 года, а в эксплуатацию он будет сдан в 2013 году. По заявлению Intel, он станет самым современным заводом по массовому выпуску компьютерных процессоров — Intel будет выпускать здесь продукцию по 14-нанометровой технологии на основе 300-миллиметровых кремниевых пластин. Завод также станет первым массовым производством, совместимым с 450-мм пластинами.^[15][16] В стройку планируется вложить более $5 млрд. На момент запуска Fab 42 станет, как ожидается, одним из самых передовых в мире заводов по выпуску полупроводниковой продукции в больших объёмах.

10 нм (0,01 мкм)

Планы по выпуску серверных решений и развитию техпроцесса до 2018 года.^[17]

Техпроцесс атомарного уровня

В 2012 году исследователи из Университета Южного Уэльса представили способ создания транзисторов, размеры которых были бы равны размерам одного атома. Демонстрация способа была произведена на примере атома фосфора, размещённого на полупроводниковом кристалле. Результаты этой работы могут быть положены в основу создания квантовых компьютеров будущего^[18].

См. также

• Полупроводниковая пластина
• Подложка
• Список микроэлектронных производств
• Нанотехнология
• Международный план по развитию полупроводниковой технологии (ITRS) — набор плановых документов мировых лидеров полупроводниковой промышленности, для международного планирования производства, исследований и соответствия технологий и техпроцессов в рамках индустрии.

Литература

• Готра З. Ю. Справочник по технологии микроэлектронных устройств. — Львов: Каменяр, 1986. — 287 с.
• Бер А. Ю., Минскер Ф. Е. Сборка полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. — М: «Высшая школа», 1986. — 279 с.

Ссылки

• Тасит Мурки. Закон Мура против нанометров. Всё, что вы хотели знать о микроэлектронике, но почему-то не узнали… // ixbt.com

Примечания