Binnenin de processor: zo ontstaan computerchips

Stap 6: Ionen-bombardement

In deze stap worden de geleidende eigenschappen van het silicium gewijzigd. Men kan p-type of n-type materiaal maken en kan het meer of minder geleidend maken. Dit gebeurt door het silicium te bombarderen met ionen van een ander materiaal. De ionen nestelen zich in de ontblote delen van de wafer: de bronnen en de afvoeren van de transistors (groen). Voor sommige ionen zoals Fosfor (P) of Arseen (As) wordt het een n-mos-transistor, andere ionen zoals Boor (B) zorgen voor een p-mos-transistor. Visueel zien beiden er hetzelfde uit, maar de elektrische eigenschappen verschillen. Zoals gezegd laat de n-mos-transistor enkel stroom door wanneer de poort op een positieve spanning staat t.o.v de bron. De p-mos laat stroom door van bron naar afvoer voor negatieve spanningen op de poort. De ionen versmelten in essentie met het silicium-monokristal en geven het zo andere elektrische eigenschappen.  Hoe meer ionen er geïmplanteerd worden, hoe meer geleidend de halfgeleider wordt. Dat gaat niet met alle materialen; je hebt er een halfgeleider voor nodig.

De stappen in het fabricageproces zijn erg chemisch. Materialen reageren met elkaar en dat gaat beter als het warm is. De meeste stappen gebeuren daarom op hoge temperatuur, tot wel 800 of zelfs 1000  graden Celsius. Dat verklaart meteen waarom chips ‘gebakken’ worden.

Woestijn

Een eenvoudige, zij het ietwat grove visualisatie helpt misschien: zie de wafer in deze fase als een immense woestijn. De oxidelaag is woestijngras. De hele woestijn is gevuld met miljarden barre rechthoeken waar geen gras groeit, maar je enkel zand ziet. Die rechthoeken raken elkaar nooit: stukken met gras belemmeren dat. De zanderige vakken zijn in twee gesplitst door een dikke balk: de transistorpoort. Tot slot passeren er twee zandstormen. De ene heeft erg donker zand bij. Dat mengt zich met de bovenste laag van enkele blootgestelde vierkanten. Zij worden p-mos-transistors. De tweede zandstorm met lichter zand treft de andere vierkanten. Die noemen we nu n-mos-transistors. Het resultaat: een woestijn met veel woestijngras en daarin miljarden barre vakjes, sommigen met licht zand, sommigen met donker zand, allemaal met een balk die hen doormidden splitst.

In werkelijkheid is het productieproces aanzienlijk ingewikkelder dan wat we hierboven beschrijven. Er komen meer materialen aan te pas, maar het principe is telkens hetzelfde: de hele wafer wordt bedekt, lithografie zorgt voor een patroon van beschermend fotoresist en zuur of gas etst onbeschermde delen weg, totdat de gewenste constructies overblijven.

Kleiner dan klein

Intel bakt z’n Skylake- en Broadwellchips op 14 nanometer, maar dat wil niet zeggen dat de transistors maar 14 nanometer groot zijn. De 14 nanometer is in dit geval een vrij belangrijk, maar niet noodzakelijk nauwkeurig, getal dat weergeeft wat het gemiddelde formaat van een constructie (poort, bron, afvoer…) op de chip is. Sommige delen zijn iets kleiner dan 14 nm, andere groter.

Na het ionenbombardement en opeenvolgingen van het deponeren van materiaal, lithografie en etsen zijn de transistors klaar.

Ze worden vrijwel helemaal bedekt door een isolerend materiaal, op drie contactpunten (rood) na: de bron, de poort en de afvoer krijgen zo’n metalen contactje mee.