Od písku k procesoru — Tajemství tranzistorů | Kapitola 8
Seznam kapitol
Výroba integrovaného obvodu, jakým jsou například procesory nebo jádra grafických karet, vyžaduje stovky složitých operací a zabere mnoho času. Navážeme na článek, v němž jsme se věnovali výrobě waferu a vysvětlíme si, jak fungují a jak se vyrábějí tranzistory — základní stavební kámen integrovaného obvodu.
wafer se po vyčištění a vyleštění leskne jako zrcadlo
Na vyleštěném a připraveném waferu se hromadně vyrábí stovky až tisíce stejných integrovaných obvodů současně. Cílem je, aby byla výroba co nejlevnější a pokud možno beze ztrát. Ty jsou dané například kruhovým tvarem waferu. Čím je kruh menší, tím větší jsou ztráty dané nevyužitým místem. Současně však velké wafery vyžadují dokonalejší technologie. V minulosti se používaly wafery s průměrem od 50 do 200 mm. V současnosti se nejčastěji používají 300mm wafery a pokud to technologie umožní, rádi by velcí výrobci přešli na 450mm wafery. O jejich nasazení se však mluví již řadu let a vývoj provází řad problémů.
V dalším textu se zaměřím na výrobu jednoho tranzistoru a popíši ji až po finální tranzistor s kovovými kontakty. Stejné operace hromadně probíhají na celém waferu a vyrábějí se pomocí nich miliardy tranzistorů současně. Z důvodu velké složitosti celého procesu popíši jednotlivé kroky jen stručně a více se jim budu věnovat v příštím dílu seriálu. V něm se tak můžete těšit na popis všech technologií jako je fotolitografie, oxidace, epitaxe, difúze a obecně všech technologických kroků, u kterých bude v dalším textu uvedena závorka a název procesu.
substrát (wafer) s vrstvou oxidu, do které bylo vyleptáno okno pro vytvoření utopené vrstvy (zdroj: On Semiconductor)
Základním předpokladem pro výrobu integrovaných obvodů je připravený wafer (též označovaný jako substrát). V našem případě budeme vyrábět bipolární NPN tranzistory na křemíkovém substrátu typu P. Na substrátu se nejprve nechá vyrůst vrstva oxidu (proces oxidace), ve kterém se vyleptají okna pro vytvoření utopené vrstvy (proces fotolitografie).
prostor s otevřeným oknem je silně nadopován příměsí (je vytvořena utopená vrstva) a okno je uzavřeno (zdroj: On Semiconductor)
Celý wafer je vystaven silné dotaci příměsí (proces difúze nebo proces iontové implantace), během které do waferu v oblastech s otevřenými okny proniká příměs (v ostatních oblastech pronikání brání vrstva oxidu). V našem případě jde o pětimocnou příměs, které je do substrátu s vodivostí typu P (obsahuje třímocnou příměs) dodáno tolik, až část substrátu změní svou vodivost z typu P na silně dotovaný typ N+. Jakmile je proces dotace ukončen, jsou okna opětovně uzavřena oxidy křemíku (proces oxidace).
po odleptání oxidu je wafer připraven pro epitaxní růst (vlevo), po jeho nárůstu je povrch opět zoxidován (vpravo) (zdroj: On Semiconductor)
Dalším krokem je nárůst epitaxní vrstvy (proces epitaxe). V této části je důležité nejprve odleptat veškerý oxid z povrchu waferu a následně co nejrychleji zahájit proces epitaxního růstu nového polovodiče na povrchu waferu (v našem případě křemíku s vodivostí typu N). Pokud se tak totiž nestane, začne na běžném vzduchu povrch waferu samovolně opětovně oxidovat. Po ukončení epitaxního růstu je celý povrch waferu opětovně cíleně zoxidován (proces oxidace).
v oxidu jsou vytvořena okna pro izolaci (vlevo), po jejím vytvoření jsou okna opět uzavřena (vpravo) (zdroj: On Semiconductor)
Protože se na waferu vytváří miliardy tranzistorů současně a je nežádoucí, aby se vzájemně ovlivňovaly, je potřeba je od sebe izolovat. Ze spodní strany jsou izolované původním waferem (substrátem) s vodivostí typu P a stejným způsobem musí být izolovány i z boku. V oxidu jsou proto vytvořeny okna pro izolaci (proces fotolitografie) a následně je do epitaxní vrstvy s vodivostí typu N dopována třímocná příměs (proces difúze nebo proces iontové implantace) tak dlouho, dokud epitaxní vrstva pod otevřenými okny nezmění typ své vodivosti z typu N na typ P. Tím jsou budoucí tranzistory odizolovány od ostatních ze všech stran. Po ukončení dotace jsou okna opět uzavřena oxidy (proces oxidace).
Komentáře naleznete na konci poslední kapitoly.
