Une explication complète du processus de fabrication des puces (2/2) : du wafer au packaging 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 minces - interconnexion - tests - packaging.

Étape 5 : Dépôt de couches minces

Afin de créer les microdispositifs à l’intérieur de la puce, nous devons déposer en continu des couches de films minces et éliminer les parties en excès par gravure, ainsi qu’ajouter des matériaux pour séparer les différents dispositifs. Chaque transistor ou cellule mémoire est construit étape par étape selon le processus ci-dessus. Le « film mince » dont nous parlons ici fait référence à un « film » d'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 consistant à placer un film contenant les unités moléculaires ou atomiques requises sur une plaquette est le « dépôt ».

Pour former une structure semi-conductrice multicouche, nous devons d'abord créer un empilement de dispositifs, c'est-à-dire empiler alternativement plusieurs couches de films métalliques minces (conducteurs) et de films diélectriques (isolants) sur la surface de la plaquette, puis retirer l'excédent. pièces grâce à 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 en phase vapeur (CVD), le dépôt de couche atomique (ALD) et le dépôt physique en phase vapeur (PVD), et les méthodes utilisant ces techniques peuvent être divisées en dépôt sec et humide.

Dépôt chimique en phase vapeur (CVD)

Lors du dépôt chimique en phase vapeur, les gaz précurseurs réagissent dans une chambre de réaction pour former un film mince fixé à la surface de la tranche et des sous-produits qui sont pompés hors de la chambre. Le dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma utilise le plasma pour générer les gaz réactifs. Cette méthode réduit la température de réaction, ce qui la rend idéale pour les structures sensibles à la température. L’utilisation du plasma peut également réduire le nombre de dépôts, ce qui donne souvent lieu à des films de meilleure qualité.

Dépôt de couche atomique (ALD)

Le dépôt de couches atomiques forme des films minces en déposant seulement quelques couches atomiques à la fois. La clé de cette méthode est de parcourir les étapes indépendantes qui sont exécutées dans un certain ordre et de maintenir un bon contrôle. Le revêtement de la surface de la tranche avec un précurseur constitue la première étape, puis différents gaz sont introduits pour réagir avec le précurseur afin de former la substance souhaitée sur la surface de la tranche.

Dépôt physique en phase vapeur (PVD)

Comme son nom l’indique, le dépôt physique en phase vapeur fait référence à la formation de films minces par des moyens physiques. La pulvérisation cathodique est une méthode de dépôt physique en phase vapeur qui utilise un plasma d'argon pour pulvériser des atomes à partir d'une cible et les déposer sur 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 isolants), ce qui nous permet de contrôler totalement le flux d'électricité. Les processus de lithographie, de gravure et de dépôt sur tranche peuvent construire des composants tels que des transistors, mais ils doivent être connectés pour permettre la transmission et la réception de l'énergie et des signaux.

Les métaux sont utilisés pour l’interconnexion des circuits 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 faire passer du courant, les métaux qu'ils contiennent doivent avoir une faible résistance.

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

· Haute fiabilité: À mesure que la technologie des circuits intégrés se développe, même de petites quantités de matériaux d'interconnexion métalliques 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 d'une 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 de l'aluminium commence par le dépôt d'aluminium, l'application, l'exposition et le développement de la résine photosensible, suivis d'une gravure pour éliminer sélectivement tout excès d'aluminium et de résine photosensible 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 ce que l'interconnexion soit terminée.

En plus de son excellente conductivité, l’aluminium est également facile à photolithographier, à graver et à déposer. De plus, il présente un faible coût et une bonne adhérence au film d'oxyde. Ses inconvénients sont qu’il est facile à corroder et qu’il a un point de fusion bas. De plus, pour éviter que l'aluminium ne réagisse avec le silicium et ne provoque des problèmes de connexion, des dépôts métalliques doivent être ajoutés pour séparer l'aluminium de la plaquette. Ce dépôt est appelé « métal barrière ».

Les circuits d'aluminium sont formés par dépôt. Une fois que la plaquette entre dans la chambre à vide, un mince film formé de particules d’aluminium adhère à la plaquette. Ce processus est appelé « dépôt en phase vapeur (VD) », qui comprend le dépôt chimique en phase vapeur et le dépôt physique en phase vapeur.

Processus d'interconnexion en cuivre

À mesure que les processus de semi-conducteurs deviennent plus sophistiqués et que la taille des appareils diminue, la vitesse de connexion et les propriétés électriques des circuits en aluminium ne sont plus adéquates, et de nouveaux conducteurs répondant à la fois 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 des appareils 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 de composés, ce qui le rend difficile à vaporiser et à éliminer de la surface d'une plaquette. Pour résoudre ce problème, au lieu de graver le cuivre, nous déposons et gravons des matériaux diélectriques, qui forment des motifs de lignes métalliques constitués de tranchées et de vias si nécessaire, puis remplissons les « motifs » susmentionnés avec du cuivre pour réaliser l'interconnexion, un processus appelé « damasquinage ». .

À mesure que les atomes de cuivre continuent de diffuser dans le diélectrique, l'isolation de ce dernier diminue et crée une couche barrière qui empêche les atomes de cuivre de poursuivre leur diffusion. Une fine couche de germes de cuivre se forme ensuite sur la couche barrière. Cette étape permet la galvanoplastie, qui consiste à remplir des motifs à rapport d’aspect élevé avec du cuivre. Après remplissage, l'excès de cuivre peut être éliminé par polissage mécano-chimique des métaux (CMP). Une fois terminé, un film d'oxyde peut être déposé et le film en excès peut être éliminé par des processus de photolithographie et de gravure. Le processus ci-dessus doit être répété jusqu'à ce que l'interconnexion en cuivre soit terminée.

De la comparaison ci-dessus, on peut voir que la différence entre l'interconnexion en cuivre et l'interconnexion en aluminium réside dans le fait que l'excès de cuivre est éliminé par CMP métallique plutôt que par 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 de gagner du temps et de l’argent. Le tri électronique (EDS) est une méthode de test pour les plaquettes.

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

01 Surveillance des paramètres électriques (EPM)

L'EPM est la première étape du test des puces semi-conductrices. Cette étape testera chaque dispositif (y compris les transistors, les condensateurs et les diodes) requis pour les circuits intégrés à semi-conducteurs afin de 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 les performances des produits (et non pour détecter les produits défectueux).

02 Test de vieillissement des plaquettes

Le taux de défauts des semi-conducteurs provient de deux aspects, à savoir le taux de défauts de fabrication (plus élevé au début) et le taux de défauts sur l’ensemble du cycle de vie. Le test de vieillissement de la tranche consiste à tester la tranche sous une certaine température et tension CA/CC pour découvrir les produits susceptibles de présenter 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 sonde, puis les tests de température, de vitesse et de mouvement peuvent être effectués sur la tranche pour vérifier les fonctions pertinentes du semi-conducteur. 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 Pointage

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

Étape 8 : Emballage

Après les plusieurs processus précédents, la plaquette formera des puces carrées de taille égale (également appelées « puces simples »). La prochaine étape consiste à obtenir des copeaux individuels par découpe. Les copeaux nouvellement coupés sont très fragiles et ne peuvent pas échanger de signaux électriques, ils doivent donc être traités séparément. Ce processus est un packaging, qui consiste à former une coque protectrice à l'extérieur de la puce semi-conductrice et à lui permettre d'échanger des signaux électriques avec l'extérieur. L'ensemble du processus d'emballage est divisé en cinq étapes, à savoir le sciage des plaquettes, la fixation d'une seule puce, l'interconnexion, le moulage et les tests d'emballage.

01 Sciage de plaquettes

Afin de couper d'innombrables copeaux densément disposés de la tranche, nous devons d'abord « broyer » soigneusement le dos de la tranche jusqu'à ce que son épaisseur réponde aux besoins du processus d'emballage. Après le meulage, nous pouvons couper le long de la ligne de découpe sur la tranche jusqu'à ce que la puce semi-conductrice soit séparée.

Il existe trois types de technologie de sciage de plaquettes : la découpe à la lame, la découpe au laser et la découpe au plasma. Le découpage en dés par lame consiste à utiliser une lame diamantée pour couper la plaquette, qui est sujette à la chaleur de friction et aux débris et endommage ainsi la plaquette. Le découpage en dés au laser a une plus grande précision et peut facilement traiter des tranches de fine épaisseur ou avec un petit espacement des lignes de traçage. La découpe au plasma utilise le principe de la gravure au plasma, cette technologie est donc également applicable même si l'espacement des lignes de traçage est très petit.

02 Fixation d'une 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 connexion). 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 signaux électriques. Deux méthodes de connexion peuvent être utilisées dans cette étape : la liaison filaire à l'aide de fils métalliques fins et la liaison par puce retournée à l'aide de blocs d'or sphériques ou de blocs d'étain. Le collage de fils est une méthode traditionnelle et la technologie de collage de puces retournées peut accélérer la fabrication de semi-conducteurs.

04 Moulage

Une fois la connexion de la puce semi-conductrice terminée, un processus de moulage est nécessaire pour ajouter un boîtier à l'extérieur de la puce afin de protéger le circuit intégré semi-conducteur des conditions extérieures telles que la température et l'humidité. Une fois le moule du boîtier fabriqué selon les besoins, nous devons mettre la puce semi-conductrice et le composé de moulage 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 forme définitive doivent également passer le test final de défaut. Toutes les puces semi-conductrices finies qui entrent dans le test final sont des puces semi-conductrices finies. 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 détecter des défauts et améliorer la qualité des produits et l’efficacité de la production.

Évolution de la technologie de l'emballage

À mesure que la taille des puces diminue et que les exigences de performance augmentent, l’emballage a fait l’objet de nombreuses innovations technologiques au cours des dernières années. Certaines technologies et solutions d'emballage tournées vers l'avenir incluent l'utilisation du dépôt pour les processus back-end traditionnels tels que le packaging au niveau des tranches (WLP), les processus de bumping et la technologie de couche de redistribution (RDL), ainsi que les technologies de gravure et de nettoyage pour le front-end. fabrication de plaquettes.

Qu’est-ce que l’emballage avancé ?

L'emballage traditionnel nécessite que chaque puce soit découpée dans la plaquette et placée dans un moule. Le packaging au niveau de la tranche (WLP) est un type de technologie d'emballage avancée, qui consiste à emballer directement la puce encore sur la tranche. Le processus WLP consiste d'abord à emballer et à tester, puis à séparer simultanément toutes les puces formées de la tranche. 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 consiste à envoyer le signal de la puce semi-conductrice vers l'extérieur, et les bosses formées sur la tranche sont les points de contact pour l'envoi des signaux d'entrée/sortie. Ces bosses sont divisées en fan-in et fan-out. Le premier en forme d'éventail se trouve à l'intérieur de la puce et le second en forme d'éventail se trouve au-delà de la plage de la puce. Nous appelons le signal d'entrée/sortie I/O (entrée/sortie), et le nombre d'entrées/sorties est appelé nombre d'E/S. Le nombre d’E/S est une base importante pour déterminer la méthode de packaging. Si le nombre d’E/S est faible, un emballage en ventilateur est utilisé. Étant donné que la taille de la puce ne change pas beaucoup après le conditionnement, ce processus est également appelé conditionnement à l'échelle d'une puce (CSP) ou conditionnement à l'échelle d'une puce au niveau d'une tranche (WLCSP). Si le nombre d'E/S est élevé, un emballage de sortance est généralement utilisé et des couches de redistribution (RDL) sont nécessaires en plus des bosses pour permettre le routage du signal. Il s'agit d'un « conditionnement au niveau des tranches en éventail (FOWLP) ».

Emballage 2.5D

La technologie de packaging 2.5D peut regrouper deux types de puces ou plus dans un seul boîtier tout en permettant aux signaux d'être acheminés latéralement, ce qui peut augmenter la taille et les performances du boîtier. La méthode de packaging 2.5D la plus largement utilisée consiste à regrouper la mémoire et les puces logiques dans un seul boîtier via un interposeur en silicium. Le packaging 2.5D nécessite des technologies de base telles que des vias traversants en silicium (TSV), des micro-bosses et des RDL à pas fin.

Emballage 3D

La technologie de packaging 3D peut regrouper deux types de puces ou plus dans un seul boîtier tout en permettant aux signaux d'être acheminés verticalement. Cette technologie convient aux puces semi-conductrices plus petites et à nombre d’E/S plus élevé. Le TSV peut être utilisé pour les puces avec un nombre d'E/S élevé, et la liaison filaire peut être utilisée pour les puces avec un faible nombre d'E/S, et forme finalement un système de signal dans lequel les puces sont disposées verticalement. Les technologies de base requises pour l'emballage 3D incluent la technologie TSV et micro-bump.

Jusqu'à présent, les huit étapes de fabrication des produits semi-conducteurs « traitement des plaquettes – oxydation – photolithographie – gravure – dépôt de couches minces – interconnexion – tests – emballage » ont été entièrement introduites. Du « sable » aux « chips », la technologie des semi-conducteurs réalise une véritable version de « transformer les pierres en or ».

VeTek Semiconductor est un fabricant chinois professionnel deRevêtement en carbure de tantale, Revêtement en carbure de silicium, Graphite spécial, Céramiques de carbure de siliciumetAutres céramiques semi-conductrices. VeTek Semiconductor s'engage à fournir des solutions avancées pour divers produits SiC Wafer destinés à l'industrie des semi-conducteurs.

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