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La fabbricazione di dispositivi a semiconduttore è il processo usato per creare chips, i circuiti integrati che sono presenti nella maggior parte dei dispositivi elettrici ed elettronici. È un processo con molte fasi sequenziali fotografiche e di processi chimici, durante le quali i circuiti elettronici sono gradualmente creati su un wafer fatto di un materiale semiconduttore ad alto livello di purezza. Il silicio è il materiale semiconduttore più comunemente usato, anche se in alcune applicazioni specifiche vengono usati l'arseniuro di gallio, il germanio ed altri materiali semiconduttori.

Il processo dipende dal tipo di circuito integrato che si intende fabbricare, in questo articolo si descrive il processo tipico di circuiti a semiconduttore ad alto livello di integrazione quali CMOS e microprocessori. In tali circuiti complessi la durata dell'intero processo di fabbricazione, a partire dal wafer fino al montaggio del dispositivo finale può superare i due mesi di lavoro continuo.

[modifica] Wafer

Un tipico wafer è fatto di silicio di elevata purezza che viene cresciuto in forma monocristallina sotto forma di lingotto (di forma quasi cilindrica) con un diametro massimo attuale (2006) di 40 cm. Il metodo di crescita più comune è il processo Czochralski. Il diametro tipico dei lingotti cresciuti è aumentato con legge quasi lineare nel tempo; per avere una idea, all'inizio degli anni '90, il diametro massimo dei lingotti era di circa 20 cm.

In seguito i lingotti vengono sezionati in wafer (fette), che attualmente (2006) sono di uno spessore di 0.75 mm. Lo spessore del wafer aumenta all'aumentare del diametro del lingotto. Da lingotti di 40 cm si riescono a produrre wafer di 30 cm di diametro che rappresentano il massimo diametro attuale per i wafer di silicio commerciali. La superficie del wafer viene sottoposta ad un trattamento superficiale di planarizzazione e le due facce vengono rese parallele. La planarità di un wafer di silicio è tra le massime possibili tra le superfici lavorate di interesse tecnologico.

I wafer vengono prodotti da alcune ditte specializzate. Il processo vero e proprio di produzione del circuito integrato richiede un numero molto elevato di fasi di processo, che debbono essere espletate in fabbriche specializzate. Nel 1995 una di tali fabbriche costava 750 milioni di dollari, nel 2005 il costo è divenuto di circa 3 miliardi di Euro. Una delle sfide dell'industria dei semiconduttori è la riduzione della tendenza all'aumento del costo aumentando la produttività e la resa.

Qui proviamo a dare una idea dei vari processi che portano a partire dalla fetta di silicio al dispositivo finale. Le fasi di processo si possono raggruppare in quattro grande aree:

• Processi iniziali
• Processi finali
• Test
• Inglobamento nel contenitore

[modifica] Processi

Nella fabbricazione di dispositivi a semiconduttore, i vari processi ricadono in quattro categorie generali: deposizione, rimozione, litografia e modifica delle proprietà elettriche.

• La deposizione è ogni processo che cresce, copre o in qualsiasi maniera trasferisce del materiale sul wafer. Le tecniche possibili sono principalmente la deposizione fisica da vapore (dall'inglese physical vapor deposition, PVD), la deposizione chimica da vapore (dall'inglese chemical vapor deposition, CVD), deposizione elettrochimica (dall'inglese electrochemical deposition, ECD), crescita epitassiale molecolare (dall'inglese molecular beam epitaxy, MBE) e più recentemenete la deposizione a stati atomici (dall'inglese atomic layer deposition, ALD).

• Sotto il nome di rimozione si includono quei processi che o sottraggono materiale dal volume globale del wafer o in maniera selettiva e consiste principalmente di processi di corrosione o in fase liquida o in fase gassosa come ad esempio corrosione reattiva mediante ioni (dall'inglese reactive ion etching, RIE). Planarizzazione chimico-maccanica (dall'inglese Chemical-mechanical planarization, CMP) è un ulteriore processo di abrasione meccanico chimico come suggerisce il nome stesso e viene in genere usato tra vari livelli di deposizione.

• La litografia include tutti i processi che sagomano o alterano le forme preesistenti sul materiale depositato. Per esempio, nella litografia convenzionale, il wafer viene ricoperto tramite spin coating con una sostanza chimica detta photoresist. Il photoresist viene esposto mediante delle macchine opportune, mask-aligner o stepper, che allineano delle maschere (in genere di quarzo), focalizzano la radiazione ed espongono il photoresist ad una radiazione ultravioletta di lunghezza opportuna. La regione non esposta viene rimossa dalla soluzione di sviluppo. Dopo etching ed altri possibili processi il restante photoresist viene rimosso a secco mediante incenerimento in plasma (dall'inglese plasma ashing) o più semplicemente dissolvendolo in un opportuno solvente.

• La modifica delle proprietà elettriche è consistita storicamente nell'aggiunta di impurità al silicio (chiamata tecnicamente drogaggio). Infatti nei Transistor l'emettitore ed il collettore vanno drogati in maniera opportuna e in maniera simile il gate ed il drain dei MOSFET; tale procedura nei primi anni della microlettronica consisteva nell'uso di forni a diffusione, mentre negli ultimi anni l'impiantazione ionica è diventata una tecnica più diffusa. Questo processo di drogaggio selettivo viene seguito da un processo di ricottura o nel caso dei dispositivi avanzati viene effettuata una ricottura estremamente rapida per attivare le specie droganti impiantate o per ricostruire localmente la struttura cristallina. Attualmente rientra in questo tipo di processo anche la modifica della costante dielettrica relativa per materiali isolanti mediante esposizione con raggi ultravioletti.

I chip moderni hanno varie decine di strati di film e necessitano di molte centinaia di passi di processo.

Il processi iniziali riguardano la formazione dei transistor direttamente sul silicio Il wafer grezzo è processato al minimo mediante la crescita di uno strato ultrapuro privo di difetti cristallini mediante crescita epitassiale. Bisogna aggiungere che per alcuni particolari processi di fabbricazione di componenti logici avanzati, per aumentare la qualità dei transistor da fabbricare viene interposto uno strato di silicio-germanio tra il silicio grezzo ed il silicio epitassiale. Tale strato dà uno stress tensile alla struttura cristallina del silicio epitassiale aumentandone la mobilità. Esiste un altro metodo detto Silicio sopra l'isolante che prevede la interposizione di uno strato isolante in genere biossido di silicio. Lo scopo di tale strato è di ridurre effetti parassiti dovuti all'inerfaccia silicio grezzo e silicio epitassiale.

I processi seguenti sono la crescita del dielettrico del gate, in genere biossido di silicio, sagomatura delle regioni del gate, del source e del drain. Solo in seguito le varie parti vengono drogate o mediante impiantazione ionica o mediante diffusione. In seguito vengono sagomati il gate, drain ed il source per ottenere le proprietà elettriche volute. Nella fabbricazione di memorie sono necessari dei condensatori che sono fabbricati a questo stesso livello di metallizzazione o impilato sopra il transistor.

Una volta che tutti i dispositivi sono fabbricati, è necessario fabbricare i fili metallici, isolati dal resto mediante un dielettrico. Tale processo è considerato il processo finale. tradizionalmente il dielettrico è costituito da SiO₂. Attualmente si stanno studiando materiali alternativi con costante dielettrica relativa minore quali il SiOC (costante dielettrica relativa 2.7), ma vi sono materiali attualmente studiati con costante dielettrica relativa di 2.2.

I fili di metallo comunemente sono di alluminio, negli ultimi anni per evitare l'elettromigrazione si inizia ad usare il rame a partire dai microprocessori. L'alluminio viene depositato su tutto il wafer, sagomato mediante protezione con photoresist e infine la parte non protetta viene rimossa, lasciando i fili isolati. Sui fili viene in seguito deposto del materiale dielettrico. I vari strati metallici sono interconnessi mediante fori nel materiale isolante, detti in gergo vias. La interconnessione avviene mediante uno strato di tungsteno che depositato con CVD permette una buona ricopertura di bordi, necessaria per garantire la continuità elettrica. Tale appproccio viene usato quando il numero di livelli di interconnesione è piccolo (minore o eguale a quattro).

Il numero dei livelli di interconnessione tende a crescere con la complessità e la densità superficiale dei dispositivi. Il tempo di ritardo tende sempre più a essere dominato dal ritardo delle linee di trasmissione, la sostituzione dell' alluminio con il rame, metallo di elevata conducibilità elettrica serve a ridurre tale tempo di ritardo. Attualmente (2006) solo i microprocessori hanno operato tale sostituzione, mentre nelle DRAM viene utilizzato ancora l'alluminio per le interconnessioni. La velocità di una linea di trasmissione dipende anche dalla costante dielettrica relativa. Il miglioramento delle prestazioni viene ottenuto mediante un processo innovativo in cui tutto l'ossido viene depositato su tutto il campione, patternato per creare barriere e vie di contatto nello stesso processo di fabbricazione. La tecnologia con il film di Rame conosce continui miglioramenti tecnologici.

All'aumentare dei livelli di interconnessione, è necessaria una tecnica di planarizzazione per assicurare una sueperficie piana prima della successiva litografia. Senza di essa, i livelli diventerebbero intricati e si estenderebbero al di là della profondità di campo litografica, diminuendo la risoluzione. La planarizzazione chimica meccanica (indicata con il suo acronimo CMP dall'inglese chemical mechanical planarization) è la tecnica principale sviluppata a questo scopo. Seppure nel caso di processi a pochi livelli di livelli si usano a volte tecniche di attacco a secco.