Una explicación completa del proceso de fabricación de chips (2/2): desde la oblea hasta el embalaje y las pruebas

La fabricación de cada producto semiconductor requiere cientos de procesos, y todo el proceso de fabricación se divide en ocho pasos:Procesamiento de obleas - oxidación - fotolitografía - grabado - deposición de película delgada - interconexión - prueba - embalaje.

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Paso 5: Deposición de la película delgada

Para crear los micro dispositivos dentro del chip, necesitamos depositar continuamente capas de películas delgadas y eliminar el exceso de piezas grabando, y también agregar algunos materiales para separar diferentes dispositivos. Cada transistor o celda de memoria se crea paso a paso a través del proceso anterior. La "película delgada" de la que estamos hablando aquí se refiere a una "película" con un grosor de menos de 1 micras (μm, una millonésima parte de un metro) que no puede ser fabricado por métodos de procesamiento mecánico ordinario. El proceso de colocar una película que contiene las unidades moleculares o atómicas requeridas en una oblea es "deposición".

Para formar una estructura de semiconductores de múltiples capas, primero debemos hacer una pila de dispositivos, es decir, alternativamente, apilando múltiples capas de películas de metal delgada (conductor) y películas dieléctricas (aislantes) en la superficie de la oblea, y luego elimine las partes excesivas a través de procesos de grabado repetidos para formar una estructura tridimensional. Las técnicas que se pueden utilizar para los procesos de deposición incluyen deposición de vapor químico (CVD), deposición de la capa atómica (ALD) y deposición física de vapor (PVD), y los métodos que utilizan estas técnicas se pueden dividir en deposición seca y húmeda.

Deposición de vapor químico (CVD)

En la deposición de vapor químico, los gases precursores reaccionan en una cámara de reacción para formar una película delgada unida a la superficie de la oblea y subproductos que se bombean de la cámara. La deposición de vapor químico mejorado por plasma utiliza plasma para generar los gases reactivos. Este método reduce la temperatura de reacción, por lo que es ideal para estructuras sensibles a la temperatura. El uso de plasma también puede reducir el número de deposiciones, lo que a menudo resulta en películas de mayor calidad.

Deposición de la capa atómica (ALD)

La deposición de la capa atómica forma películas delgadas al depositar solo unas pocas capas atómicas a la vez. La clave de este método es hacer un ciclo de pasos independientes que se realizan en un determinado orden y mantener un buen control. Recubrir la superficie de la oblea con un precursor es el primer paso, y luego se introducen diferentes gases para reaccionar con el precursor para formar la sustancia deseada en la superficie de la oblea.

Deposición de vapor físico (PVD)

Como su nombre lo indica, la deposición física del vapor se refiere a la formación de películas delgadas por medios físicos. La pulverización es un método de deposición de vapor físico que utiliza plasma de argón para pulverizar átomos de un objetivo y depositarlos en la superficie de una oblea para formar una película delgada. En algunos casos, la película depositada puede tratarse y mejorar a través de técnicas como el tratamiento térmico ultravioleta (UVTP).

Paso 6: interconexión

La conductividad de los semiconductores es entre conductores y no conductores (es decir, aisladores), lo que nos permite controlar completamente el flujo de electricidad. Los procesos de litografía, grabado y deposición basados ​​en obleas pueden construir componentes como transistores, pero deben conectarse para permitir la transmisión y recepción de energía y señales.

Los metales se utilizan para la interconexión de circuito debido a su conductividad. Los metales utilizados para los semiconductores deben cumplir con las siguientes condiciones:

· Baja resistividad: Dado que los circuitos de metal necesitan pasar la corriente, los metales en ellos deben tener baja resistencia.

· Estabilidad termoquímica: Las propiedades de los materiales metálicos deben permanecer sin cambios durante el proceso de interconexión del metal.

· Alta fiabilidad: A medida que se desarrolla la tecnología de circuito integrado, incluso pequeñas cantidades de materiales de interconexión de metal deben tener suficiente durabilidad.

· Costo de fabricación: Incluso si se cumplen las tres primeras condiciones, el costo del material es demasiado alto para satisfacer las necesidades de producción en masa.

El proceso de interconexión utiliza principalmente dos materiales, aluminio y cobre.

Proceso de interconexión de aluminio

El proceso de interconexión de aluminio comienza con deposición de aluminio, aplicación fotorresistente, exposición y desarrollo, seguido de grabado para eliminar selectivamente cualquier exceso de aluminio y fotorresistencia antes de ingresar al proceso de oxidación. Después de completar los pasos anteriores, los procesos de fotolitografía, grabado y deposición se repiten hasta que se completa la interconexión.

Además de su excelente conductividad, el aluminio también es fácil de fotolitografía, grabado y depósito. Además, tiene un bajo costo y una buena adhesión a la película de óxido. Sus desventajas son que es fácil de corroerse y tiene un punto de fusión bajo. Además, para evitar que el aluminio reaccione con silicio y cause problemas de conexión, se deben agregar depósitos de metal a aluminio separado de la oblea. Este depósito se llama "Barrera Metal".

Los circuitos de aluminio se forman por deposición. Después de que la oblea ingresa a la cámara de vacío, una película delgada formada por partículas de aluminio se adherirá a la oblea. Este proceso se llama "deposición de vapor (VD)", que incluye deposición química de vapor y deposición física de vapor.

Proceso de interconexión de cobre

A medida que los procesos de semiconductores se vuelven más sofisticados y los tamaños de dispositivo se reducen, la velocidad de conexión y las propiedades eléctricas de los circuitos de aluminio ya no son adecuados, y se necesitan nuevos conductores que cumplan con los requisitos de tamaño y costo. La primera razón por la cual el cobre puede reemplazar el aluminio es que tiene una menor resistencia, lo que permite velocidades de conexión del dispositivo más rápidas. El cobre también es más confiable porque es más resistente a la electromigración, el movimiento de los iones metálicos cuando la corriente fluye a través de un metal, que aluminio.

Sin embargo, el cobre no forma fácilmente compuestos, lo que dificulta la vaporización y la eliminación de la superficie de una oblea. Para abordar este problema, en lugar de grabar cobre, depositamos y grabamos materiales dieléctricos, que forman patrones de línea de metal que consisten en trincheras y vías donde sea necesario, y luego llenamos los "patrones" mencionados anteriormente con cobre para lograr la interconexión, un proceso llamado "damasasceno".

A medida que los átomos de cobre continúan difundiendo en el dieléctrico, el aislamiento de este último disminuye y crea una capa de barrera que bloquea los átomos de cobre de una mayor difusión. Luego se forma una capa delgada de semilla de cobre en la capa de barrera. Este paso permite la electroplatación, que es el llenado de patrones de relación de aspecto altas con cobre. Después del llenado, el exceso de cobre se puede eliminar mediante pulido mecánico químico metálico (CMP). Después de la finalización, se puede depositar una película de óxido, y el exceso de película se puede eliminar mediante fotolitografía y procesos de grabado. El proceso anterior debe repetirse hasta que se complete la interconexión de cobre.

A partir de la comparación anterior, se puede ver que la diferencia entre la interconexión de cobre y la interconexión de aluminio es que el exceso de cobre es eliminado por CMP metálico en lugar del grabado.

Paso 7: Pruebas

El objetivo principal de la prueba es verificar si la calidad del chip de semiconductores cumple con un cierto estándar, a fin de eliminar productos defectuosos y mejorar la confiabilidad del chip. Además, los productos defectuosos probados no ingresarán al paso de empaque, lo que ayuda a ahorrar costos y tiempo. La clasificación electrónica de diedes (eds) es un método de prueba para obleas.

EDS es un proceso que verifica las características eléctricas de cada chip en el estado de la oblea y, por lo tanto, mejora el rendimiento de los semiconductores. Los EDS se pueden dividir en cinco pasos, de la siguiente manera:

01 Monitoreo de parámetros eléctricos (EPM)

EPM es el primer paso en la prueba de chips semiconductores. Este paso probará cada dispositivo (incluidos transistores, condensadores y diodos) requeridos para los circuitos integrados de semiconductores para garantizar que sus parámetros eléctricos cumplan con los estándares. La función principal de EPM es proporcionar datos de características eléctricas medidas, que se utilizarán para mejorar la eficiencia de los procesos de fabricación de semiconductores y el rendimiento del producto (no para detectar productos defectuosos).

02 prueba de envejecimiento de obleas

La tasa de defectos semiconductores proviene de dos aspectos, a saber, la tasa de defectos de fabricación (más alta en la etapa temprana) y la tasa de defectos en todo el ciclo de vida. La prueba de envejecimiento de la oblea se refiere a probar la oblea bajo cierta temperatura y voltaje de CA/CC para descubrir los productos que pueden tener defectos en la etapa inicial, es decir, para mejorar la confiabilidad del producto final al descubrir posibles defectos.

03 detección

Una vez que se completa la prueba de envejecimiento, el chip semiconductor debe conectarse al dispositivo de prueba con una tarjeta de sonda, y luego las pruebas de temperatura, velocidad y movimiento se pueden realizar en la oblea para verificar las funciones semiconductoras relevantes. Consulte la tabla para obtener una descripción de los pasos de prueba específicos.

04 reparación

La reparación es el paso de prueba más importante porque algunos chips defectuosos se pueden reparar reemplazando los componentes problemáticos.

05 apaseo

Los chips que fallaron la prueba eléctrica se han resuelto en los pasos anteriores, pero aún deben ser marcados para distinguirlos. En el pasado, necesitábamos marcar chips defectuosos con tinta especial para garantizar que pudieran identificarse a simple vista, pero ahora el sistema los clasifica automáticamente de acuerdo con el valor de los datos de la prueba.

Paso 8: Embalaje

Después de los varios procesos anteriores, la oblea formará chips cuadrados de igual tamaño (también conocido como "chips individuales"). Lo siguiente que debe hacer es obtener chips individuales cortando. Los chips recién cortados son muy frágiles y no pueden intercambiar señales eléctricas, por lo que deben procesarse por separado. Este proceso es un embalaje, que incluye formar una carcasa protectora fuera del chip de semiconductores y permitirles intercambiar señales eléctricas con el exterior. Todo el proceso de envasado se divide en cinco pasos, a saber, aserrado de obleas, accesorio de chips individuales, interconexión, moldeo y pruebas de embalaje.

01 aserrado de obleas

Para cortar innumerables chips densamente dispuestos de la oblea, primero debemos "moler" cuidadosamente la parte posterior de la oblea hasta que su grosor satisfaga las necesidades del proceso de empaque. Después de moler, podemos cortar la línea del escriba en la oblea hasta que el chip de semiconductores esté separado.

Hay tres tipos de tecnología de aserración de obleas: corte de cuchillas, corte con láser y corte de plasma. La cuchilla de cuchilla es el uso de una cuchilla de diamante para cortar la oblea, que es propensa al calor y los desechos de fricción y, por lo tanto, daña la oblea. El depósito de láser tiene una mayor precisión y puede manejar fácilmente las obleas con espesor delgado o un pequeño espaciado de la línea de escribas. El depósito de plasma utiliza el principio del grabado de plasma, por lo que esta tecnología también es aplicable incluso si el espaciado de la línea del escriba es muy pequeño.

02 Adjunto de una sola oblea

Después de que todos los chips estén separados de la oblea, necesitamos unir los chips individuales (obleas individuales) al sustrato (marco de plomo). La función del sustrato es proteger los chips semiconductores y permitirles intercambiar señales eléctricas con circuitos externos. Se pueden usar adhesivos de cinta líquida o sólida para unir las chips.

03 interconexión

Después de unir el chip al sustrato, también necesitamos conectar los puntos de contacto de los dos para lograr el intercambio de señales eléctricas. Hay dos métodos de conexión que se pueden usar en este paso: unión de alambre con cables de metal delgados y unión de folletos con bloques de oro esféricos o bloques de estaño. La unión de cables es un método tradicional, y la tecnología de unión de chips Flip puede acelerar la fabricación de semiconductores.

04 molduras

Después de completar la conexión del chip de semiconductores, se necesita un proceso de moldeo para agregar un paquete al exterior del chip para proteger el circuito integrado de semiconductores de condiciones externas como la temperatura y la humedad. Después de que el molde del paquete se realiza según sea necesario, necesitamos colocar el chip de semiconductores y el compuesto de moldeo epoxi (EMC) en el molde y sellarlo. El chip sellado es la forma final.

05 Prueba de embalaje

Los chips que ya han tenido su forma final también deben pasar la prueba de defecto final. Todos los chips de semiconductores terminados que ingresan a la prueba final están terminados con chips de semiconductores. Se colocarán en el equipo de prueba y establecerán diferentes condiciones, como voltaje, temperatura y humedad para pruebas eléctricas, funcionales y de velocidad. Los resultados de estas pruebas se pueden utilizar para encontrar defectos y mejorar la calidad del producto y la eficiencia de producción.

Evolución de la tecnología de envasado

A medida que el tamaño del chip disminuye y los requisitos de rendimiento aumentan, el embalaje ha sufrido muchas innovaciones tecnológicas en los últimos años. Algunas tecnologías y soluciones de envasado orientadas al futuro incluyen el uso de la deposición para procesos tradicionales de back-end, como empaquetado a nivel de oblea (WLP), procesos de expulsión y tecnología de capa de redistribución (RDL), así como tecnologías de grabado y limpieza para la fabricación de obleas frontales.

¿Qué es el embalaje avanzado?

El embalaje tradicional requiere que cada chip se corte de la oblea y se coloque en un molde. El embalaje a nivel de oblea (WLP) es un tipo de tecnología de embalaje avanzada, que se refiere a empacar directamente el chip aún en la oblea. El proceso de WLP es empaquetar y probar primero, y luego separar todos los chips formados de la oblea a la vez. En comparación con el embalaje tradicional, la ventaja de WLP es un costo de producción más bajo.

El embalaje avanzado se puede dividir en envases 2D, envasado 2.5D y envasado 3D.

Embalaje 2D más pequeño

Como se mencionó anteriormente, el propósito principal del proceso de empaque incluye enviar la señal del chip de semiconductores al exterior, y los baches formados en la oblea son los puntos de contacto para enviar señales de entrada/salida. Estos golpes se dividen en ventilador y ventilador. La primera en forma de ventilador está dentro del chip, y el último en forma de ventilador está más allá del rango de chips. Llamamos a las E/S de la señal de entrada/salida (entrada/salida), y el número de entrada/salida se llama recuento de E/S. El recuento de E/S es una base importante para determinar el método de embalaje. Si el recuento de E/S es bajo, se utiliza el empaque de ventilador. Dado que el tamaño del chip no cambia mucho después del embalaje, este proceso también se llama empaque a escala de chip (CSP) o envasado a escala de chips a nivel de oblea (WLCSP). Si el recuento de E/S es alto, el embalaje de ventilador generalmente se usa y se requieren capas de redistribución (RDL) además de los baches para habilitar el enrutamiento de la señal. Este es "Embalaje a nivel de oblea de ventilador (FOWLP)".

2.5D Embalaje

La tecnología de embalaje 2.5D puede poner dos o más tipos de chips en un solo paquete al tiempo que permite que las señales se enruten lateralmente, lo que puede aumentar el tamaño y el rendimiento del paquete. El método de empaque 2.5D más utilizado es colocar la memoria y los chips lógicos en un solo paquete a través de un interposer de silicio. El embalaje 2.5D requiere tecnologías centrales como VIA a través de Silicon (TSV), micro golpe y RDL de lanzamiento fino.

Embalaje 3D

La tecnología de embalaje 3D puede colocar dos o más tipos de chips en un solo paquete al tiempo que permite que las señales se enruten verticalmente. Esta tecnología es adecuada para chips de semiconductores con recuento de E/S más pequeño y superior. El TSV se puede usar para chips con recuentos de E/S altos, y la unión de cables se puede usar para chips con recuentos de E/S bajos y, en última instancia, formar un sistema de señal en el que los chips se organizan verticalmente. Las tecnologías centrales requeridas para el embalaje 3D incluyen TSV y tecnología de micro-bump.

Hasta ahora, los ocho pasos de la fabricación de productos de semiconductores "procesamiento de obleas - oxidación - fotolitografía - grabado - deposición de película delgada - interconexión - prueba - envasado" se han introducido completamente. Desde "arena" hasta "chips", la tecnología de semiconductores está realizando una versión real de "convertir piedras en oro".

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