Transcript Bab 4 : Gambaran keseluruhan fabrikasi peranti semikonduktor

Bab 4 : Gambaran keseluruhan fabrikasi peranti
semikonduktor
• Fabrikasi peranti semikonduktor ialah suatu siri proses yang
digunakan untuk membentuk peranti semikonduktor di
dalam dan di atas permukaan wafer.
• Fabrikasi peranti semikonduktor bermula dengan
permukaan berkilat dan kosong, dan berakhir dengan
permukaan diliputi dengan ratusan cip lengkap dan
sempurna.
Cip
Fabrikasi wafer
peringkat ke-3
Wafer kosong
Sisihan
wafer
Wafer siap
di fabrikasi
• Terminologi wafer
1. Cip, die, litar, mikrocip atau bar
– Istilah2 ini digunakan untuk mengenalpasti corak
mikrocip yang meliputi majoriti permukaan wafer.
2. Garis tulis ( scribe lines ), garis gergaji (saw lines),
jalanan, lebuh.
– Ruang antara cip yang digunakan untuk memisahakan cip
3. Die kejuruteraan, die ujian
– Cip ini berbeza daripada cip biasa.
– Ia mengandungi peranti khas dan elemen litar yang boleh
diuji secara elektrik semasa pemprosesan.
4. Die pinggir
– Pinggir wafer yang mempunyai separuh wafer.
– Cip ini tidak boleh berfungsi.
– Salah satu daripada daya pengerak di belakang wafer
berdiameter besar ialah untuk mengurangkan keluasan
yang diduduki oleh die pinggir.
5. Satah hablur wafer
– Bahagian terpotong menunjukkan struktur hablur bagi
wafer di bawah lapisan litar.
– Rajah menunjukan bahawa pinggir cip diorentasikan
kepada struktur hablur wafer.
6. Datar wafer
Rajah : Teminologi wafer
• Operasi asas fabrikasi-wafer
– Terdapat empat operasi asas dalam proses
fabrikasi,
iaitu :
1. Membuat lapisan ( Layering )
2. Pencorakan ( Patterning )
3. Pendopan ( Doping )
4. Rawatan haba.
• Membuat lapisan
– Ialah operasi menambah lapisan nipis di atas permukaan
wafer.
– Lapisan2 terdiri daripada bahan2 yang berbeza, samada
penebat,semikonduktor , atau pengkonduksi yang
ditumbuhkan atau dimendapakan di atas wafer dengan
pelbagai teknik.
– Terdapat dua teknik utama untuk menambahkan lapisan
di atas permukaan wafer - pertumbuhan dan pemendapan
– Pengoksidaan adalah suatu teknik pertumbuhan lapisan
SiO2 di atas wafer Si.
– Teknik pemendapan umum ialah pememdapan wap kimia
(CVD), pengewapan dan pemercitan
Rajah : Keratan-rentas get logam lengkap transistor
MOS dengan lapisan pertumbuhan dan pemendapan.
Operasi pelapisan
Pertumbuhan
Pemendapan
Pengoksidaan
Penitridan
CVD
Pengewapan
Pemercitan
Rajah : Operasi membuat lapisan
• Pencorakan
– Ialah satu siri langkah yang mengeluarkan bahagian
terpilih daripada permukaan yang telah ditambah.
– Selepas pengeluaran, suatu corak lapisan ditinggalkan di
atas permukaan wafer.
– Hasil yang tertinggal berkemungkinan berbentuk lubang
atau pulau di atas wafer.
– Proses pencorakan dikenali dengan nama fototopeng,
penopengan, fotolitografi dan mikrolitografi.
– Matlamat operasi ini ialah untuk membentuk di dalam
dan di atas permukaan wafer, bahagian-bahagian peranti
atau litar dalam dimensi yang tepat, yang diperlukan oleh
rekabentuk litar dan meletakkanya dalam kedudukan yg
betul atas permukaan wafer.
– Ralat dalam proses pencorakan akan meyebabkan
herotan atau salah-letak corak, yang menghasilkan
perubahan dalam fungsi elektrik bagi peranti atau litar.
Lubang
Proses
pencorakkan
Lapisan atas wafer
Pulau
Rajah : Pencorakkan
• Pendopan
– Ialah proses yang memasukkan amaun pendop spesifik
ke dalam permukaan wafer melalui bukaan lapisan
permukaan.
– Dua teknik pendopan ialah proses resapan terma dan
penanaman ion.
– Resapan terma ialah proses kimia yang berlaku apabila
wafer dipanaskan pada suhu sekitar 1000oC dan
didedahkan kepada wap pendop.
– Penanaman ion ialah proses fizikalyang mana atom
pendop diionkan, dipecutkan ke kelajuan tinggi, dan
ditembakan ke permukaan wafer.
– Tujuan operasi ini ialah membentuk poket samada jenis-n
atau jenis-p dalam wafer.
– Poket-poket ini membentuk simpangan N-P yang
diperlukan untuk operasi transistor, diod, kapasitor dan
perintang bagi litar.
Atom pendop
Sumber ion
Resapan terma
Penanaman ion
• Rawatan haba
– Ialah operasi yang mana wafer dipanaskan dan
disejukkan untuk memperolehi hasil yang spesifik.
– Dalam operasi rawatan haba, tiada bahan tambahan
ditambah atau dikeluarkan daripada wafer, meskipun
demikian cemaran dan wap pada permukaan akan
mengalami proses pengewapan dari permukaan wafer.
– Salah satu proses rawatan haba yang penting ialah
selepas proses penanaman ion.
• Dimana proses penanaman ion pendop akan
menyebabkan ganguan pada struktur hablur wafer,
yang boleh dibaik pulih dengan rawatan haba yang
dipangil sepuhlindap ( annealing ) pada suhu 1000oC.
– Satu lagi rawatan haba yang berlaku ialah selepas jalur
logam terbentuk atas wafer.
– Jalur-jalur logam atas peranti ini membawa arus elektrik
antara peranti dalam litar.
– Untuk menentukan pengkonduksian elektrik yang baik,
logam perlu dialoikan ke permukaan wafer dengan
rawatan haba, berlaku pada suhu 450oC.
– Proses ketiga penting yang perlu rawatan haba ialah
pemanasan wafer dengan lapisan fotorintang, bagi
mengeluarkan pelarut organik yang akan menganggu
ketepatan proses pencorakkan.
• Pembuatan peranti semikonduktor dan litar
– Pembuatan litar semikonduktor ialah proses pelbagai
langkah yang memerlukan ratusan langkah individu yang
perlu ditambah atas permukaan bagi menbentuk peranti
di atas wafer.
• Cth. Peranti 64 Gb CMOS memrlukan 180 langkah
utama, 52 proses pelucutan ( sripping )/pencucian, dan
28 kali proses pencorakkan.
– Keempat-empat operasi asas digunakan dalam turutan
spesifik untuk membina bahagian-bahagian peranti di
dalam dan di atas permukaan wafer.
• Rekabentuk litar
– Rekabentuk litar ialah pertama dalam menbentuk cip.
– Pereka litar akan bermula dengan rajah berfungsi blok
bagi litar, seperti rajah logik ( lihat rajah )
• Rajah ini memberikan fungsi utama dan operasi yang
diperlukan oleh litar.
– Kemudian, pereka akan menterjemahkan rajah fungsi
kepada rajah skematik ( lihat rajah )
• Rajah ini menunjukkan bilangan dan lokasi pelbagai komponen
litar.
• Setiap komponen diwakili oleh simbol.
• Bersama dengan rajah skema ialah parameter elektrik ( voltan,
arus, perintang dll ) yang diperlukan supaya peranti boleh
beroperasi.
Rajah : Contoh rekabentuk logik berfungsi bagi litar
mudah
Rajah : Contoh rajah skema litar dengan simbol komponen.
– Langkah ketiga, sunsunatur litar kepada litar
semikonduktor.
– Operasi litar bergantung kepada beberapa faktor,
termasuklah kerintangan bahan, fizik bahan dan juga
dimensi fizikal “parts” komponen individu.
– Sunsunatur bermula dengan terjemahan bagi setiap
komponen litar ke dimensi sebenar relatif kepada dimensi
akhir di dalam dan di atas permukaan wafer.
– Sunsunatur di lakukan dengan sistem CAD ( Computeraided design ) yang canggih.
– Sistem ini menghasilkan gambar rajah komposit
permukaan litar, yang menunjukkan kesemua corak
sublapisan.
– Oleh kerana litar semikonduktor dibina di atas satu
lapisan pada satu masa, maka perlu dipisahkan gambar
rajah komposit kepada lapisan individu.
Rajah : Ilustrasi komposit dan lapisan untuk 5-topeng
transistor get silikon.
• “ Reticle ” dan topeng
– Pencorakan adalah proses yang digunakan bagi
membentuk lapisan corak dan dimensi di atas dan di
dalam wafer.
– Reticle ialah ‘salinan cetak’ bagi ilustrasi individu yang
dibentuk semula dalam lapisan nipis krom (chrome)
yang dimendapkan atas plat kaca atau kuartz.
– Biasanya reticle akan mempunyai imej dan saiz ciri yang
lebih besar daripada imej yang yang dipancarkan ke atas
wafer.
• Hanya meliputi sebahagian wafer sahaja.
• Perlu didedahkan pada pancaran UV sebanyak beberapa kali
bagi meliputi seluruh wafer.
– Reticle boleh digunakan terus dalam proses pencorakkan
atau digunakan bagi menghasilkan fototopeng.
– Fototopeng ialah satu plat kaca berkrom yang
mengandungi imej keseluruhan wafer dan mempunyai
dimensi yang sama dengan dimensi yang dikehendaki
pada wafer.
• Ia digunakan untuk mencorakkan keseluruhan
permukaan wafer dalam satu kali dedahan cahaya UV.
Rajah : (a) Krom atas kaca (b) fototopeng bagi corak
yang sama
UV
Atom pendop
Perlogaman
Fotorintang
SiO2
Rajah : Contoh proses fabrikasi
• Cip terminology
1. Transistor dwipolar
2. No. penentuan
3. Bonding pad
4. Cemaran pada
bonding pad
5. Jalur perlogaman
6. Garis lukis
7. Komponen
taktersambung
8.Penanda penjajaran
topeng
• Pengasingan wafer
– Adalah langkah yang sangat penting selepas proses
fabrikasi wafer.
– Semasa ujian, setipa cip diuji secara elektrik untuk
prestasi elektrik dan kefungsian litar.
– Wafer diletakkan di atas chuck vakum dan diselaraskan
dengan penduga elektrik nipis yang menyentuh setiap
bonding pad atas cip.
– Penduga bersambung dengan bekalan kuasa yang
menguji litar dan merekodkan keputusanya.
Rajah : Sisihan wafer
– Terdapat 3 tujuan utama pengasingan cip.
– Pertama, bagi menentukan cip yang berfungsi sebelum
operasi pembungkusan.
– Kedua, membuat pencirian elektrik ke atas peranti/litar.
• Jurutera perlu mengesan taburan parameter bagi mengekalkan
kualiti proses.
– Ketiga, memberikan maklumat terperinci keseluruhan
prestasi wafer.
• Menyimpan maklumat pemetaan wafer, kawasan peranti
berfungsi dan tak berfungsi.