Une explication complète du processus de fabrication des puces (2/2): de la plaquette à l'emballage et aux tests

La fabrication de chaque produit semi-conducteur nécessite des centaines de processus, et l'ensemble du processus de fabrication est divisé en huit étapes:Traitement des plaquettes - Oxydation - Photolithographie - Gravure - Dépôt de couches mince - Interconnexion - Test - Emballage.

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Étape 5: Dépôt de couches minces

Afin de créer les micro dispositifs à l'intérieur de la puce, nous devons déposer en continu des couches de films minces et retirer les pièces excessives par gravure, et également ajouter des matériaux pour séparer différents appareils. Chaque transistor ou cellule de mémoire est construit étape par étape dans le processus ci-dessus. Le "film mince" dont nous parlons ici fait référence à un "film" avec une épaisseur inférieure à 1 micron (μm, un millionième de mètre) qui ne peut pas être fabriqué par des méthodes de traitement mécanique ordinaires. Le processus de placement d'un film contenant les unités moléculaires ou atomiques requises sur une plaquette est le «dépôt».

Pour former une structure de semi-conducteurs multicouches, nous devons d'abord faire une pile d'appareils, c'est-à-dire empiler alternativement plusieurs couches de films métalliques minces (conductrices) et des films diélectriques (isolants) à la surface de la tranche, puis retirer les pièces excessives à travers des processus de gravure répétés pour former une structure tridimensionnelle. Les techniques qui peuvent être utilisées pour les processus de dépôt comprennent le dépôt chimique de vapeur (CVD), le dépôt de couche atomique (ALD) et le dépôt physique de vapeur (PVD), et les méthodes utilisant ces techniques peuvent être divisées en dépôt sec et humide.

Dépôt de vapeur chimique (CVD)

Dans le dépôt de vapeur chimique, les gaz précurseurs réagissent dans une chambre de réaction pour former un film mince attaché à la surface de la tranche et des sous-produits qui sont pompés hors de la chambre. Le dépôt de vapeur chimique amélioré le plasma utilise du plasma pour générer les gaz réactifs. Cette méthode réduit la température de réaction, ce qui le rend idéal pour les structures sensibles à la température. L'utilisation du plasma peut également réduire le nombre de dépôts, ce qui entraîne souvent des films de meilleure qualité.

Dépôt de couche atomique (ALD)

Le dépôt de couche atomique forme des films minces en ne déposant que quelques couches atomiques à la fois. La clé de cette méthode est de faire du vélo d'étapes indépendantes qui sont effectuées dans un certain ordre et de maintenir un bon contrôle. Enrobage de la surface de la tranche avec un précurseur est la première étape, puis différents gaz sont introduits pour réagir avec le précurseur pour former la substance souhaitée sur la surface de la plaquette.

Dépôt de vapeur physique (PVD)

Comme son nom l'indique, le dépôt de vapeur physique fait référence à la formation de films minces par des moyens physiques. La pulvérisation est une méthode de dépôt physique de vapeur qui utilise du plasma d'argon pour pulvériser des atomes d'une cible et les déposer à la surface d'une tranche pour former un film mince. Dans certains cas, le film déposé peut être traité et amélioré grâce à des techniques telles que le traitement thermique ultraviolet (UVTP).

Étape 6: Interconnexion

La conductivité des semi-conducteurs se situe entre les conducteurs et les non-conducteurs (c'est-à-dire les isolateurs), ce qui nous permet de contrôler pleinement le débit d'électricité. Les processus de lithographie, de gravure et de dépôt à base de plaquettes peuvent construire des composants tels que les transistors, mais ils doivent être connectés pour permettre la transmission et la réception de la puissance et des signaux.

Les métaux sont utilisés pour l'interconnexion du circuit en raison de leur conductivité. Les métaux utilisés pour les semi-conducteurs doivent répondre aux conditions suivantes:

· Faible résistivité: Étant donné que les circuits métalliques doivent passer le courant, les métaux doivent avoir une faible résistance.

· Stabilité thermochimique: Les propriétés des matériaux métalliques doivent rester inchangées pendant le processus d'interconnexion métallique.

· Fiabilité élevée: À mesure que la technologie de circuit intégré se développe, même de petites quantités de matériaux d'interconnexion métallique doivent avoir une durabilité suffisante.

· Coût de fabrication: Même si les trois premières conditions sont remplies, le coût des matériaux est trop élevé pour répondre aux besoins de la production de masse.

Le processus d'interconnexion utilise principalement deux matériaux, l'aluminium et le cuivre.

Processus d'interconnexion en aluminium

Le processus d'interconnexion en aluminium commence par le dépôt d'aluminium, l'application de la photorésistaire, l'exposition et le développement, suivis d'une gravure pour éliminer sélectivement tout excès d'aluminium et de photorésistaire avant d'entrer dans le processus d'oxydation. Une fois les étapes ci-dessus terminées, les processus de photolithographie, de gravure et de dépôt sont répétés jusqu'à la fin de l'interconnexion.

En plus de son excellente conductivité, l'aluminium est également facile à photolithographier, à gravir et à dépôt. De plus, il a un faible coût et une bonne adhérence au film d'oxyde. Ses inconvénients sont qu'il est facile à corroder et a un faible point de fusion. De plus, pour empêcher l'aluminium de réagir avec le silicium et provoquer des problèmes de connexion, les dépôts métalliques doivent être ajoutés pour séparer l'aluminium de la tranche. Ce gisement est appelé "métal barrière".

Les circuits en aluminium sont formés par dépôt. Une fois que la tranche est entrée dans la chambre à vide, un film mince formé de particules en aluminium adhèrera à la tranche. Ce processus est appelé "dépôt de vapeur (VD)", qui comprend un dépôt chimique de vapeur et un dépôt physique de vapeur.

Processus d'interconnexion en cuivre

À mesure que les processus semi-conducteurs deviennent plus sophistiqués et que les tailles de dispositifs diminuent, la vitesse de connexion et les propriétés électriques des circuits en aluminium ne sont plus adéquates, et de nouveaux conducteurs qui répondent aux exigences de taille et de coût sont nécessaires. La première raison pour laquelle le cuivre peut remplacer l'aluminium est qu'il a une résistance plus faible, ce qui permet des vitesses de connexion de l'appareil plus rapides. Le cuivre est également plus fiable car il est plus résistant à l'électromigration, le mouvement des ions métalliques lorsque le courant traverse un métal, que l'aluminium.

Cependant, le cuivre ne forme pas facilement des composés, ce qui rend difficile la vaporisation et la retirer de la surface d'une tranche. Pour résoudre ce problème, au lieu de gravir du cuivre, nous déposons et grognons les matériaux diélectriques, qui forment des modèles de lignes métalliques composés de tranchées et de vias au besoin, puis remplissent les "modèles" susmentionnés avec du cuivre pour obtenir une interconnexion, un processus appelé "Damascène".

Alors que les atomes de cuivre continuent de se diffuser dans le diélectrique, l'isolation de ce dernier diminue et crée une couche de barrière qui bloque les atomes de cuivre de la diffusion supplémentaire. Une fine couche de graines de cuivre est ensuite formée sur la couche de barrière. Cette étape permet l'électroples, qui est le remplissage de modèles de rapport d'aspect élevé avec du cuivre. Après remplissage, l'excès de cuivre peut être éliminé par le polissage mécanique chimique métallique (CMP). Une fois terminé, un film d'oxyde peut être déposé et l'excès de film peut être supprimé par la photolithographie et les processus de gravure. Le processus ci-dessus doit être répété jusqu'à la fin de l'interconnexion en cuivre.

D'après la comparaison ci-dessus, on peut voir que la différence entre l'interconnexion du cuivre et l'interconnexion en aluminium est que l'excès de cuivre est éliminé par le CMP métallique plutôt que la gravure.

Étape 7: Test

L'objectif principal du test est de vérifier si la qualité de la puce semi-conductrice répond à une certaine norme, afin d'éliminer les produits défectueux et d'améliorer la fiabilité de la puce. De plus, les produits défectueux testés n'entreront pas dans l'étape d'emballage, ce qui permet d'économiser le coût et le temps. Le tri électronique de la matrice (EDS) est une méthode de test pour les plaquettes.

EDS est un processus qui vérifie les caractéristiques électriques de chaque puce à l'état de la plaquette et améliore ainsi le rendement des semi-conducteurs. Les EDS peuvent être divisés en cinq étapes, comme suit:

01 Surveillance des paramètres électriques (EPM)

L'EPM est la première étape du test de puces semi-conducteur. Cette étape testera chaque appareil (y compris les transistors, condensateurs et diodes) requis pour les circuits intégrés semi-conducteurs pour garantir que leurs paramètres électriques répondent aux normes. La fonction principale de l'EPM est de fournir des données caractéristiques électriques mesurées, qui seront utilisées pour améliorer l'efficacité des processus de fabrication de semi-conducteurs et des performances du produit (pas pour détecter les produits défectueux).

02 Test de vieillissement de la plaquette

Le taux de défaut de semi-conducteur provient de deux aspects, à savoir le taux de défauts de fabrication (plus élevé au début) et le taux de défauts dans tout le cycle de vie. Le test de vieillissement de la plaquette fait référence au test de la tranche sous une certaine température et une certaine tension AC / DC pour découvrir les produits qui peuvent avoir des défauts à un stade précoce, c'est-à-dire pour améliorer la fiabilité du produit final en découvrant des défauts potentiels.

03 Détection

Une fois le test de vieillissement terminé, la puce semi-conductrice doit être connectée au dispositif de test avec une carte de sonde, puis les tests de température, de vitesse et de mouvement peuvent être effectués sur la tranche pour vérifier les fonctions semi-conductrices pertinentes. Veuillez consulter le tableau pour une description des étapes de test spécifiques.

04 Réparation

La réparation est l'étape de test la plus importante car certaines puces défectueuses peuvent être réparées en remplaçant les composants problématiques.

05 Dotting

Les puces qui ont échoué le test électrique ont été réglées dans les étapes précédentes, mais elles doivent encore être marquées pour les distinguer. Dans le passé, nous devions marquer des puces défectueuses avec de l'encre spéciale pour nous assurer qu'elles pourraient être identifiées à l'œil nu, mais maintenant le système les trie automatiquement en fonction de la valeur des données de test.

Étape 8: emballage

Après plusieurs processus précédents, la plaquette formera des puces carrées de taille égale (également appelées "puces simples"). La prochaine chose à faire est d'obtenir des puces individuelles en coupe. Les puces nouvellement coupées sont très fragiles et ne peuvent pas échanger des signaux électriques, ils doivent donc être traités séparément. Ce processus est l'emballage, qui comprend la formation d'une coquille de protection à l'extérieur de la puce semi-conductrice et leur permettant d'échanger des signaux électriques avec l'extérieur. L'ensemble du processus d'emballage est divisé en cinq étapes, à savoir les tests de sciage, de fixation, d'interconnexion, de moulage et d'emballage à une seule puce.

01 Sciage de plaquette

Afin de couper d'innombrables puces densément disposées de la plaquette, nous devons d'abord "broyer" le dos de la tranche jusqu'à ce que son épaisseur réponde aux besoins du processus d'emballage. Après le broyage, nous pouvons couper le long de la ligne du scribe sur la plaquette jusqu'à ce que la puce semi-conductrice soit séparée.

Il existe trois types de technologie de sciage de plaquettes: la coupe des lames, la coupe laser et la coupe du plasma. Le déshabillage de lame est l'utilisation d'une lame de diamant pour couper la tranche, qui est sujette à la chaleur et aux débris de friction et endommage donc la tranche. Le désir laser a une précision plus élevée et peut facilement gérer les plaquettes avec une épaisseur mince ou un petit espacement des lignes de scribe. Le déshabillage de plasma utilise le principe de la gravure du plasma, de sorte que cette technologie est également applicable même si l'espacement des lignes de scribe est très faible.

02 Attachement à la plaquette unique

Une fois que toutes les puces sont séparées de la tranche, nous devons fixer les puces individuelles (plaquettes simples) au substrat (cadre de plomb). La fonction du substrat est de protéger les puces semi-conductrices et de leur permettre d'échanger des signaux électriques avec des circuits externes. Des adhésifs liquides ou solides peuvent être utilisés pour fixer les puces.

03 Interconnexion

Après avoir fixé la puce au substrat, nous devons également connecter les points de contact des deux pour réaliser un échange de signal électrique. Il existe deux méthodes de connexion qui peuvent être utilisées dans cette étape: la liaison de fil à l'aide de fils métalliques minces et de la liaison de la puce de retournement à l'aide de blocs en or sphériques ou de blocs en étain. La liaison avec les câbles est une méthode traditionnelle, et la technologie de liaison à la puce FLIP peut accélérer la fabrication de semi-conducteurs.

04 Moulage

Après avoir terminé la connexion de la puce semi-conductrice, un processus de moulage est nécessaire pour ajouter un paquet à l'extérieur de la puce pour protéger le circuit intégré semi-conducteur des conditions externes telles que la température et l'humidité. Une fois le moule d'emballage fabriqué au besoin, nous devons mettre la puce semi-conductrice et le composé de moulage par époxy (EMC) dans le moule et le sceller. La puce scellée est la forme finale.

05 Test d'emballage

Les puces qui ont déjà eu leur formulaire final doivent également passer le test de défaut final. Toutes les puces semi-conductrices finies qui entrent dans le test final sont des puces semi-conductrices terminées. Ils seront placés dans l'équipement de test et définiront différentes conditions telles que la tension, la température et l'humidité pour les tests électriques, fonctionnels et de vitesse. Les résultats de ces tests peuvent être utilisés pour trouver des défauts et améliorer la qualité des produits et l'efficacité de la production.

Évolution de la technologie d'emballage

À mesure que la taille des puces diminue et que les exigences de performance augmentent, l'emballage a subi de nombreuses innovations technologiques au cours des dernières années. Certaines technologies et solutions d'emballage orientées vers l'avenir incluent l'utilisation du dépôt pour les processus traditionnels de back-end tels que l'emballage au niveau de la plaquette (WLP), les processus de bosse et la technologie de couche de redistribution (RDL), ainsi que les technologies de gravure et de nettoyage pour la fabrication de plafonds avant.

Qu'est-ce que l'emballage avancé?

L'emballage traditionnel nécessite que chaque puce soit découpée de la tranche et placée dans un moule. L'emballage de niveau de la plaquette (WLP) est un type de technologie d'emballage avancée, qui fait référence à l'emballage directement de la puce toujours sur la tranche. Le processus de WLP consiste d'abord à emballer et à tester, puis à séparer toutes les puces formées de la tranche en même temps. Par rapport à l'emballage traditionnel, l'avantage du WLP est un coût de production inférieur.

L'emballage avancé peut être divisé en emballage 2D, emballage 2.5D et emballage 3D.

Emballage 2D plus petit

Comme mentionné précédemment, l'objectif principal du processus d'emballage comprend l'envoi du signal de la puce semi-conducteur à l'extérieur, et les bosses formées sur la plaquette sont les points de contact pour l'envoi de signaux d'entrée / sortie. Ces bosses sont divisées en fan-in et en fan-out. La première en forme de ventilateur est à l'intérieur de la puce, et le dernier en forme de ventilateur est au-delà de la gamme de puces. Nous appelons les E / S du signal d'entrée / sortie (entrée / sortie), et le nombre d'entrée / sortie est appelé nombre d'E / S. Le nombre d'E / S est une base importante pour déterminer la méthode d'emballage. Si le nombre d'E / S est faible, l'emballage de ventilateur est utilisé. Étant donné que la taille de la puce ne change pas beaucoup après l'emballage, ce processus est également appelé emballage à échelle de puce (CSP) ou emballage à l'échelle de puce (WLCSP). Si le nombre d'E / S est élevé, l'emballage de ventilateur est généralement utilisé et les couches de redistribution (RDL) sont nécessaires en plus des bosses pour activer le routage du signal. Il s'agit d'un "emballage au niveau de la plaquette à fan-out (FOWLP)".

Emballage 2.5D

2.5D La technologie d'emballage peut mettre deux ou plusieurs types de puces dans un seul package tout en permettant à la mise en roue des signaux latéralement, ce qui peut augmenter la taille et les performances de l'emballage. La méthode d'emballage 2.5D la plus largement utilisée consiste à mettre des puces de mémoire et de logique dans un seul package via un interposeur de silicium. L'emballage 2.5D nécessite des technologies de base telles que les vias à travers silicium (TSV), les micro-bosses et les RDL à finesse.

Emballage 3D

La technologie d'emballage 3D peut mettre deux ou plusieurs types de puces dans un seul package tout en permettant à la routage des signaux verticalement. Cette technologie convient aux puces semi-conductrices à comptage d'E / S plus petites et supérieures. Le TSV peut être utilisé pour les puces avec un nombre d'E / S élevé, et la liaison des câbles peut être utilisée pour les puces avec un faible nombre d'E / S, et finalement former un système de signal dans lequel les puces sont disposées verticalement. Les technologies de base requises pour l'emballage 3D comprennent la technologie TSV et micro-bombe.

Jusqu'à présent, les huit étapes de la fabrication de produits semi-conducteurs "Traitement des plaquettes - oxydation - Photolithographie - gravure - Dépôt de couches mince - Interconnexion - Essais - Emballage" ont été entièrement introduits. Du "sable" aux "puces", la technologie semi-conductrice effectue une véritable version de "Turning Stones en or".

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