Die (elettronica): differenze tra le versioni

Versione delle 08:45, 2 set 2005

Versione delle 17:17, 23 ott 2005

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Il '''die''' (pl. dice, detto anche chip) è il substrato di un [[circuito integrato]].

Il processo di produzione parte da un cilindro di [[silicio]] cristallino lungo circa 1,5 m. Il cilindro viene poi tagliato in dischi del diametro tra i 20 e i 30 centimetri (solitamente il diametro viene misurato in pollici e l'attuale frontiera tecnologica e' a 12 pollici) e spessi 500 micron detti ''[[wafer]]'' che vengono accuratamente levigati ed esaminati da un [[laser]] che ne mette in rilievo le imperfezioni. I wafer con irregolarità superiori ai 3 micron vengono scartati.

Il processo di produzione avviene su un substrato di [[silicio]] monocristallino quanto più puro e privo di difetti cristallografici possibile. Tali substrati sono costituiti da wafer di silicio del diametro tra i 10 e i 12 pollici (dunque tra 25,40 e 30,48 cm)e dello spessore di circa 300 micron. Di questo substrato solo la parte superiore sarà interessata a lavorazioni in quanto tutti i dispositivi andranno collocati in una regione dello spessore dell'ordine dei 10-20 micron. La parte inferiore ad essa prende il nome di bulk. Per questa ragione, quando ci si riferisce alla tecnologia dei circuiti stampati si parla di [[silicon planar technology]].

I wafer vengono quindi ricoperti da [[diossido di silicio]] SiO₂, che diventerà il conduttore del [[circuito integrato]]. Successivamente si deposita sul disco una sostanza fotosensibile detta "gelatina" (photoresist). Una maschera fotografica con il disegno del circuito viene sovrapposta al wafer ed è esposto a [[radiazione ultravioletta|luce ultravioletta]] (processo di [[fotoincisione]]). La maschera fa in modo che il circuito venga riportato sul silicio. La gelatina resa morbida dalla luce viene rimossa con un solvente e lascia così scoperto lo strato di diossido di silicio sottostante, che può essere così sottoposto al processo di [[drogaggio]]. Il mascheramento e la fotoincisione vengono ripetuti per ogni strato della circuiteria.

I processi necessari per ottenere wafer per la fabbricazione dei circuiti stampati sono molto complessi ma possono essre così semplificati:

1)si parte dalla quarzite come materiale grezzo ed essa viene sottoposta a complicati processi di raffinazione per far si che diventi silicio policristallino di grado elettronico (EGS), cioè silicio con meno di un'impurità ogni miliardo di atomi.

A questo punto ogni wafer contiene alcune migliaia di [[chip]] (dice) che vengono testati elettricamente a più riprese sotto diverse condizioni. I chip che non passano un test vengono marcati e scartati nella fase successiva. In passato se ne incideva la superficie con una punta di [[diamante]], creando delle linee di frattura preferenziali dette di [[clivaggio]]. Correntemente vengono utilizzate delle "seghe circolari" che effettuano tagli larghi circa 50 μm mentre la tendenza futura e' quella di indurre dei difetti all'interno dello spessore del wafer utilizzando un raggio laser di frequenza opportuna.

2)Il polisilicio di tipo EGS viene sottoposto ad accrescimento cristallino per ottenere un lingotto monocristallino ultrapuro. A tal fine esistono due tecniche: la [[Czochralski]] ([[CZ]]) e la [[Float Zone]] ([[FZ]]).

La ''resa'' indica il rapporto percentuale tra dice funzionanti e il numero totale di chip presenti sul wafer. I dice vengono montati all'interno dei contenitori detti '''package''' (processo di ''packaging'') e collegati ai piedini del package (processo di ''bonding''). I piedini sono il tramite con cui il die può comunicare con la scheda su cui verrà montato.

3)Ogni lingotto vene segato, in modo da ottenere i wafer succitati e lappato per evitare che sulla superficie del wafer non ci siano irregolarità che si ripercuoterebbero in maniera pesante sul buon funzionamente del circuito integrato. A causa delle irregolarità, infatti, si potrebbero avere variazioni dello spessore delle piste conduttrici con conseguenti variazioni locali della conducibilità delle stesse.

Una volta realizzato il wafer è necessario proteggerlo da processi corrosivi, inevitabilmente innescati da eventuali perticelle d'acqua nell'aria, e dallo stess meccanico al quale può essere soggetto. A tal fine usualmente si effettua una deposizione di materiale isolante che, tra gli altri compiti, assolve anche a quello di impedire eventuali corto circuito tra le piste conduttrici depositate su layer diversi.

L'ossido di silicio, SiO₂, è il più diffuso isolante impiegato nella produzione dei circuiti integrati. Ci sono diverse tecniche che permettono di avere una crescita di ossido sulla superficie della fetta di silicio, ma quella più usata è l'ossidazione termica. Questa procedura consiste nell'esporre il silicio ad agenti ossidanti, quali acqua o ossigeno, ad elevate temperature e consente di avere un buon controllo sullo spessore e le proprietà chimiche dello strato di SiO₂ accresciuto. L'ossido di silicio, lasciato libero di agire senza nessun controllo esterno, tenderebbe a formare quarzo, ed è per questa ragione che è necessario lavorare a temperature dell'ordine dei 1000 °C. Costringendo l'ossido ad avere una crescita termica sulla fetta di silicio, infatti, si fa in modo che esso si deformi non costituendo più una struttura cristallina ma amorfa. Un'ossidazione a temperatura ambiente, inoltre, provocherebbe la [[passivazione]] del silicio e bloccherebbe così il proseguimento dell'ossidazione.

A seconda che si usi come agente ossidante ossigeno, O₂, o acqua, si parla rispettivamente di dry ossidation e di wet ossidation.

Le reazioni chimiche che avvengono in queste ossidazioni sono rispettivamente:

Si+O₂ --> SiO₂ (dry ossidation);

Si+2H₂O --> SiO₂+2H₂ (steam ossidation).

L'ossido di silicio, essendo un ottimo isolante viene usato per la [[passivazione del silicio]], altri composti come il nitruro di silicio, Si₃N₄, vengono utilizzati per proteggere il chip dall'umidità.

Questi strati isolanti vengono di solito deposti per [[sputtering]] o [[chemical vapor deposition]] (CVD).

Man mano che il processo di ossidazione avanza, il silicio viene consumato e lo spessore del layer di SiO₂ aumenta spostando l'interfaccia Si-SiO₂ più in profondità el substrato di silicio.

Poichè la densità del silicio è pari a 5,0*10²² atomi/cm³, mentre quella dell'ossido di silicio è pari a 2,2*10²²atomi/cm³, l'ossidazione comporta un aumento di volume. Tale aumento di volume si può valutare dal rapporto tra volume di ossido accresciuto e volume di silicio consumato, ed essendo pari al rapporto tra la densità del silicio e quella dell'ossido di silicio, è pari a 2,28.

L'interfaccia ossido silicio, pertanto, si abbasserà, rispetto alla posizione iniziale, del 44% dello spessore dell'ossido accresciuto, essendo 2,28^-1=0,44 approssimando per eccesso alla seconda cifra decimale.

La fabbricazione dei circuiti integrati sui wafer di silicio richiede che molti layer, ognuno con uno schema diverso, sia depositato sulla superficie uno alla volta, e che il drogaggio delle zone attive venga fatto nelle giuste dosi evitando che esso diffonda in regioni diverse da quelle di progetto. I vari pattern usati nella deposizione dei layer sul substrato sono realizzati grazie ad un processo chiamato litografia.

Il processo di litografia si sviluppa in varie fasi.

Dapprima la superficie del wafer viene rivestita con un materiale chiamato photoresist (PR); tale strato viene poi esposto selettivamente a radiazione quale luce ultravioletta, raggi X, fascio elettronico. La selezione dell'area da irragare avviene mediante l'uso di una maschera sulla quale è stato precedentemente realizzato il pattern che si vuole conferire al layer sul substrato di silicio, e che è trasparente ovunque tranne nelle zone sulle quali sono state realizzate le forme dello schema, oppure, nel caso di uso di un fascio ionico, utilizzando un cannone, controllato da un opportuno software, simile a quelli presenti nei cinescopi dei televisori. In questo ultimo caso si parla di elettrolitografia, mentre quando si fa uso di radiazione luminosa si parla di fotolitografia.

Quando il photoresist viene bombardato da una opportuna radiazione, esso polimerizza. Dopo l'esposizione il PR è soggetto a sviluppo (come una pellicola fotografica) che distrugge le zone esposte alla radiazione o quelle in ombra a seconda che si sia usato un PR positivo o negativo. Il primo, infatti, lascia attaccare le zone polimerizzate, il secondo, al contrario, quelle non polimerizzate ottenendo le forme duali a quelle ottenute con il primo PR citato. Solitamente lo svilupo consta di tre attacchi acidi: nel primo si scava nel PR fino allo strato di ossido, nel secondo si giunge fino al silicio sottostante e con l'ultimo viene asportato il photoresist residuo.

Il processo di rimozione del photoresist è un processo isotropo e per questa ragione può avvenire il fenomeno del sotto attacco o under etching nel durante il quale viene scavato anche ciò che si trova sotto il resist.

I processi di etching generalmente si dividono in quelli completamente isotropi, che fanno uso di reagenti chimci (attacco acido) e che vengono chiamati wet etching, e quelli completamente anisotropi chiamati dry etching. Questi ultimi utilizzano agenti ossidanti e riducenti prodotti da gas di processo ionizzati mediante una scarica di [[plasma]]. Per questo motivo si parla di plasma etching.

Questo ultimo tipo di etching, oltre all'isotropia, è caratterizzato dall'essere più lento del primo, dall'avere un buon controllo, una più alta risoluzione e un più alto costo di realizzazione rispeto a quello di tipo wet che dal canto suo permette di ottenere superfici con una rugosità più bassa.

A questo punto i chip prodotti vengono controllati.

Si definisce resa il rapporto tra il numero di dice funzionanti e quello di dice totali prodotti. Tale valore nelle moderne fabbriche è anche superiore al 90%.

La ''resa'' indica il rapporto percentuale tra dice funzionanti e il numero totale di chip presenti sul wafer. I dice vengono montati all'interno dei contenitori detti '''package''' (processo di ''packaging'') e collegati ai piedini del package (processo di ''bonding''). I piedini sono il tramite con cui il die può comunicare con la scheda su cui verrà montato.

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