Mikroelektronikába: technológiai eljárások Villamosmérnöki Szak, II. évfolyam Elektronika I. Bevezetés a Mikroelektronikába: technológiai eljárások

Integrált áramkörök: a fejlődési tendenciák Az integrált áramkörök fejlődését az un. „roadmap-ek” foglalják ösze. Ezek az elektronika és a mikroelektronika különböző szakértőinek közreműködésével készült, többnyire önbeteljesítő előrejelzések a mikroelektronika fejlődési tendenciáira:

Mit kell megvalósítan? Rétegszerkezeteket ! Tranzisztorok keresztmetszetei: npn bipoláris tranzisztor SZIGETELÉS n csatornás MOS tranzisztor

Többrétegű összeköttetésrendszer keresztmetszete Wire Via

Technológia és tervezés „Vertikális” struktúra kialakítása: technológia „Horizontális” struktúra kialakítása: tervezés Időben és térben elkülönülnek A kettő közötti kapcsolatot az adott technológiához rendelt Tervezési Szabályok adják meg.

VLSI áramkörök gyártástechnológiája: planár technológia A planár szó arra utal, hogy az integrált áramkörök gyártása síkbeli elrendezésben történik. A gyártás „síkja” a félvezető szelet (wafer) felülete. Kiindulási alap: a rudakban készülő szilicium egykristály. Ezekből szeletelik a 2-12” átmérőjű kb. negyed milliméter - 1 mm vastag szeleteket. Egy szeleten több ezer IC (chip vagy die) készül egyszerre. Darabolt szelet: chip-ek, lapkák, IC lapkák, morzsák.

A megmunkálás során a szeletek csoportosan járják végig a technológia lépéseit, egy ilyen csoport neve: party Az ábrán egy party-nak a diffúziós (oxidációs) kályhába történő behelyezése látható A félvezető gyártás különösen nagy tisztasági igényű. A technológiai lépések un. tiszta szobák-ban történnek

Félvezető gyártás A félvezető gyártás során adalékolási (diffúzió,ionimplantáció), rétegfelviteli (oxidáció, epitaxia, fizikai és kémiai rétegleválasztás) litográfiai műveletek váltják egymást

A chip keresztmetszete: méretviszonyok SiO2 ~1μm Eszközök, elektródák formálása ~10μm Szubsztrát (hordozó) Si, vastagság ~ 200-1000 μm

Réteg leválasztási eljárások Kémiai vagy fizikai módszerek, amikkel a teljes szelet felületét beborító, összefüggő réteget hoznak létre. Oxidáció A Si felületén a SiO2 réteg létrehozása oxigén környezetben kb.1000-1200C hőmérséklet hatására. A felületen a SiO2 réteg tökéletes szigetelő, vegyi anyagokkal szemben szelektíven viselkedik. A SiO2 szerepe kettős: 1. gyártástechnológiai (maszkol) 2. elektronikai szigetel a felületi rétegek között (vastag oxid) MOS tranzisztorokban dielektrikum (vékony oxid)

Oxidáció Si oxidálása száraz O2-ben vagy H2O gőz tartalmú O2-ben 56% 44% SiO2 d =2 nm -1000 nm Si Ekr=5x108 V/m, e =3.8-4, a felületi állapotok sűrűsége Qss= 1010-1011/cm2

Oxidlépcső képződése 56% 44% SiO2 Si Az oxidlépcső nehézségeket okoz a fotolitográfiában és a fémezés során.

Epitaxia Epitaxiális réteg növesztés A felületen olyan Si réteg létrehozása, ami az egykristályos szerkezetet folytatja, de pl. kisebb adalékolású. 1000-1200C hőmérsékletű művelet. Eszköze rendszerint a CVD (Chemical Vapor Deposition) Kémiai gőzfázisú reakció hatására amorf vagy polikristályos, esetleg egykristályos (epitaxiális) Si leválasztása a felületre

Epitaxia SiCl4 hőbontása H2 gázközegben (kvarccsőben, kályhában, 1000-1200 fokon). d =2 -10 mikron Si, n- Ugrásszerű adalékolás változás az átmeneten ! Si, p+ SiCl4 + H2=Si + 4HCl A réteg leválasztás közben adalékolható.

Adalékolási műveletek Cél: a felület bizonyos helyein a félvezető adalékolásának megváltoztatása. Módjai: Diffúzió Ionimplantáció Diffúzió: nagy hőmérséklet (kb.1000-1200C ) hatására a felületre felvitt adalék atomok bediffundálnak a sziliciumba azokon a helyeken, ahol a felületet nem védi szilicium dioxid. A szilicium dioxid „maszkol” a diffúzióval szemben.

Adalékprofil Diffúziós egyenlet írja le, megoldása Gauss vagy erfc függvény (adalékprofil) A diffúzióval létrehozott rétegek koncentráció eloszlása (adalékprofil) x = 0 a felület, növekvő x értékek a szeletre merőleges irányba mutatnak. A felületi rétegek adalékoltsága erősebb Oldalirányú diffúzióval is kell számolni.

Ionimplantáció (ionbeültetés) Elektrosztatikusan felgyorsított ionok belövése az anyagba (nagyvákuum térben). Ionimplantációval létrehozott réteg koncentráció eloszlása, x = 0 a felület, növekvő x értékek a szeletre merőleges irányba mutatnak (Gauss függvény).

Ionimplanter B Ionforrás előgyorsító B: indukció a tömegszeparátorban 10 kV Ionimplanter B Ionforrás előgyorsító B: indukció a tömegszeparátorban apertúra utógyorsító eltérítő szelet Utógyorsító: 100 kV-2.5 MV = ionenergia

Az ionimplantáció előnyei a diffúzióval szemben: nagyobb pontosság, tisztaság (tömegszeparátor), alacsony hőmérsékletű művelet (fotoreziszt is maszkolja) nincsen jelentős oldalirányú méretkülönbség az ablak és az implantált terület között, Hátrányai: károsítja a kristályszerkezetet (hőkezelni kell) kevésbé termelékeny, mint a diffúzió, drágább, veszélyesebb üzemű.

Fizikai gőzfázisú leválasztás PVD (Physical Vapor Deposition) Fémrétegek leválasztása katódporlasztás vagy vákuum-párologtatás útján Az elporlasztandó katódanyag: W, Cr, Ni, Al, Cu, Si Ar Argon atmoszférában kis nyomáson egyenfeszültségű v. RF gázkisülés keltése: Ar ionok + elektronok = plazma. Ar Ar Vákuum: szabad úthossz > edény Gázelszívás

Vákum-párologtatás Gázelszívás Vákuum: szabad úthossz > edény Al forrás Si szeletek forgó tányéron Tömítés Gázelszívás Vákuum: szabad úthossz > edény

Litográfiai eljárások Ezek segítségével hozzák létre a szilicium dioxidban a szükséges mintázatot. Lépései fotoreziszt felvitel a szeletre (lakkcentrifuga, szárítás) minta leképezés (megvilágítás, előhívás, beégetés) oxid marás, lakk eltávolítás Leggyakrabban a maszkokon keresztül történő megvilágítással hozzuk létre fototechnikai úton a SiO2-ben a szükséges mintázatot. Minden technológiai lépéshez más maszk szükségesegy technológiát egy maszk sorozat definiál. A mintázatot (pattern data) számítógépi tervező programok készítik.

A minta leképezés lehetséges módozatai Vetítés léptetve, kicsinyítéssel, kontakt/proximity másolás, közvetlen szeletre írás (elektronsugaras)

Fotolitográfiai lépések A szükséges mintázat kialakítása a SiO2-ban maszk reziszt Si-dioxid Si hordozó A megvilágított területeken a fotoreziszt anyag oldhatóvá válik, így a maszk mintázat átkerül a fotorezisztbe. Si hordozó Si-dioxid Előhívás után

Si hordozó Oxidmarás után Si hordozó Tisztítás, lakkeltávolítás után Adalékok bejuttatása (pl.diffúzió) Si hordozó A SiO2-ben kialakított mintázat maszkol a diffúzióval szemben

Egyedi műveletek Szeletelés A szeleteken végzett műveletek csoportos műveletek olcsók. Az egyedi műveletek drágák, minimalizálandók. Az ellenőrzési (tesztelési) lépésekből minél többet célszerű még a szeleten elvégezni, hogy a rossz lapkákat ne tokozzák be. Szeletelés

Jellegzetes tokozási módok: aranyhuzalos kikötésű (bondolt) tokozás flip chip tokozás

MOS IC-k gyártásának lépései (összefoglalás) oxid Struktúra: p+ field implant (csatorna stop) n+ n+ p- Source/drain adalékolás Vékony oxid poli-Si gate fémezés, kontaktus Layout: W L

Wafer

Példa: egy elkészült IC kis részlete, (pásztázó elektronmikroszkópi kép, szigetelés kimarva)