Halfgeleider fabricagetechnieken: van siliciumzuivering tot geïntegreerde schakeling fabricatie

De volgende overzicht richt zich exclusief op silicium-gebaseerde halfgeleiderfabricatie, het prevaalente materiaal in moderne geïntegreerde schakelingen. Siliciums unieke vermogen om een stabiele oxidadelaag te vormen maakt het ideaal voor nauwkeurige patterning van transistoren en andere microcomponenten.

Silicium

Silicium is het op een na meest voorkomende element in de aardkorst, primair als siliciumdioxide (SiO₂)—algemeen bekend als silikzand. Industriëel wordt silicium gewonnen door SiO₂ te reduceren met koolstof in een elektrisch-boogoven:

SiO₂ + C → CO₂ + Si

De resulterende metallurgische-graadsilicium is geschikt voor toepassingen zoals transformatorlaminatie, maar tekortkomt aan de zuiverheid die vereist is voor halfgeleiderapparaten. Om halfgeleider-graads zuiverheid te bereiken, wordt het silicium eerst omgezet in een chloride—SiCl₄ of SiHCl₃—dat kan worden gezuiverd door fractionerende destillatie. Vervolgreductie met ultrazuivere zink of magnesium levert een "spons" vorm silicium op, dat verder wordt verfijnd. Thermische decompositie van SiHCl₃ op een verwarmde polykristallijne siliciumstaaf met waterstofgas is een andere route naar ultra-zuiver silicium.

Si + 3HCl → SiHCl₃ + H₂
SiHCl₃ + H₂ → Si + 3HCl₂

Eenmaal gezuiverd, wordt het polykristallijne silicium gesmolten in een gesmeden-silica cadus, verwarmd via een inductie-verwarmde grafietsusceptor of een directestroom hoogstroomverwarmer. Het Czochralski proces trekt vervolgens een monokristallijne "boule" uit de smelt, waarbij kristalroosteroriëntatie en gecontroleerde diameter behouden blijven. Dopanten zoals fosfor of boor worden in de smelt geïntroduceerd om p-type of n-type geleiding te ontwerpen. De hele groeikamer werkt onder een inerte atmosfeer om besmetting te voorkomen.

De boule wordt geschreven tot een nauwkeurige diameter en aan de uiteinden getrimd. Vervolgens wordt hij in wafers gezaagd met een diamantgetande zaag. Opvolgende slijpen en polijsten leveren wafers op met sub-microon oppervlakteroughness. Een optionele epitaxiale n-type laag kan thermisch op de wafer gedeponeerd worden om de apparaatprestaties verder te verbeteren. Deze wafers worden vervolgens verzonden naar halfgeleiderfabs voor apparaatfabricatie.

Verwerking van halfgeleiders

Fotolithografie is de hoeksteen van halfgeleiderpatterning. Het proces parallellert dat gebruikt voor koperen printplaat (PCB) fabricatie, doch met hogere temperaturen en strakkere toleranties. De stappen zijn:

• Een positieve fotoweerstand aanbrengen op het waferoppervlak.
• De wafer draaien om de weerstand gelijkmatig te spreiden.
• De weerstand belichten door een chroom-op-glas masker onder ultraviolet licht.
• De belichte weerstand ontwikkelen in een alkalische oplossing, wat de verzachte gebieden verwijdert.
• De wafer etsen—meestal met fluorwaterstofzuur (HF) om vensters in de beschermende siliciumdioxidelag te openen.
• De overgebleven weerstand verwijderen en het wafer aan hoge-temperatuurdiffusie onderwerpen.

Fluorwaterstofzuur verwijdert selectief siliciumdioxide terwijl silicium ongerept blijft, wat nauwkeurige vensters creëert voor dopantdiffusie. Dopanten worden in gasvorm geïntroduceerd (bijv. POCl₃ voor n-type of B₂O₃ voor p-type) binnen een diffusieoven die boven 1000 °C werkt. Diffusie vindt alleen plaats door de vensters, wat goed gedefinieerde PN-knooppunten vormt.

Na dopantdiffusie creëren metallisatiestappen elektrische contacten. Fotolithografie wordt herhaald om metalenlagen (vaak aluminium of koper) te patroneren die meerdere transistoren in geïntegreerde schakelingen interconnecteren. Ten slotte wordt de wafer in individuele dies gediced, draadgebonden aan een leadframe, en geencapsuleerd in behuizingen.

Kernpunten

• Ultra-zuiver silicium is essentieel voor het creëren van de glazerige SiO₂ laag die dient als fotolithografische weerstand.
• De Czochralski methode produceert monokristallijne silicium boules die diamant-gezaagd worden in wafers.
• Fotolithografie op silicium spiegelt PCB fabricatie, met fotoweerstand, UV belichting, ontwikkeling, HF etsen en dopantdiffusie.
• Gecontroleerde diffusie van gasvormige dopanten bij hoge temperaturen vormt de actieve gebieden van diodes en transistoren.
• Herhaalde lithografie en metallisatiestappen maken integratie van duizenden apparaten op een enkele wafer mogelijk.

Gerelateerde bronnen

• Printplaat Layout en Fabricatie Werkblad