Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Technológia: alaplépések,

Az előadások a következő témára: "Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Technológia: alaplépések,"— Előadás másolata:

1 http://www.eet.bme.hu Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Technológia: alaplépések, a tanszéki processz http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/02-pMOS-technologia.pptx

2 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 2 Technológia ► Alapvető technológiai lépések ► Egyes gyártóberendezések

3 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 3 Alapvető gyártási lépések ► Rétegleválasztás vagy növesztés: új anyagréteg jön létre a félvezető (szilícium) szelet teljes felületén ► Struktúrálás (patterning): a kialakított anyagrétegben mintázatot alakítunk ki  fotoreziszt felvitele  mintázat ráfényképezése a rezisztre, a reziszt előhívása  mintázat átvitele a rezisztről valamilyen marási művelettel (etching)  reziszt eltávolítása ► Külső adalékok mélységi bevitele: ion implantáció (korábban diffúzió)

4 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 4 Mintázat kialakítása ► Az eredeti mintázat egy fotomaszkon van  üveg hordozón króm mintázat ► Nagy pontossági igény:  0.03µm / 30cm!  10 -7 ► Látható fény:  =0.3-0.6 µm  deep UV-re van szükség!

5 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 5 Monolitikus IC-k Mono lit = egy kő Mélységi struktúra Felületi struktúra (mintázat, pattern) MFS – min. csíkszélesség a legfontosabb jellemző: 15  m  0.18  m vagy még kisebb...

6 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 6 ► Rétegleválasztás / rétegnövesztés:  epitaxiális réteg növesztése (a meglévő Si egykristállyal egyező szerkezetű, esetleg másképp adalékolt réteg) ma pl.: IBE – ion-beam epitaxy: atomi rétegek leválasztásának a lehetősége / kvantumos hatások lehetősége az eszközökben  oxidáció (SiO 2 leválasztás vagy növesztés)  vákuumpárologtatás (evaporation) – pl. Al fémezés  Egyéb rétegleválasztási módszerek katódporlasztás (sputtering) CVD: chemical vapor deposition – kémiai gőzfázisú leválasztás, stb. Mélységi struktúra kialakítása

7 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 7 ► A klasszikus epitaxia: egykristályos réteg hozzánövesztése a hordozóhoz  gőz vagy folyadék fázisból  A növesztett réteg kristályszerkezet u.a. mint szubsztráté Epitaxiális rétegnövesztés Si szeletek ~1200 o C

8 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 8 ► A SiCl 4 /H 2 arányától függően  egkristály növesztése  polikristályos Si növesztése: poliszilícium lehet még amorf szilíciumot is létrehozni  maratás Adalékolni is lehet! Epitaxiális rétegnövesztés

9 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 9 Epitaxiális rétegnövesztés Oxidnövesztés ► Termikus oxidálás (900-1200 o C) ► Kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) MBE: molecular beam epitaxy ► Molekula sugaras epitaxia:  ún. kvantum eszközök készülnek ilyennel

10 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 10 Vákuumpárologtatás ► Szabad úthossz > edény mérte ► Fémezés: ~0.1-0.5 µm ► Ma: elektronsugaras forrás

11 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 11 Katódporlasztás ► Kis nyomáson gázkisülés (pl. Ar atmoszférában) hordozza a leválasztandó anyagot ► Nagyfrekvenciás meghajtással szigeteleő anyagok is porlaszthatók

12 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 12 ► Adalék atomok bevitele a Si-egykristályba a Si tulajdonságainak módosítása végett Mélységi struktúra kialakítása 3D gyémántrács Egyszerű 2D nézet V. oszlopbeli adalék (5 v.é): extra elektron DONOR n-típusú Si III. oszlopbeli adalék (3 v.é.): elektron hiány ACCEPTOR p-típusú Si

13 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 13 Az adalékolás szelektivitása? ► A SiO 2 kitűnően maszkolja az adalék atomokat (ellenálló, összefüggő réteg – GaAs-nél ilyen nincs) ► Ahol ablak van benne, ott behatolnak az adalékok Diffúzió mély profil Ion implantáció sekély profil A SiO 2 mintázat maszkolja

14 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 14 ► Adalékok bevitele diffúzióval  Az adalék atomok diffundálnak az igen nagy hőmérsékletű Si-ban  Mozgató az atomok energiájának statisztikus eloszlása: intersticiális vándorlás: helycsere a Si atomokkal hibahelyeken vándorlás  Milyen mélységi eloszlás alakul ki? Fick törvények: Mélységi struktúra kialakítása

15 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 15 Diffúzió ► Egy fontos megoldás: ► Gyakorlati végrehajtás 2 lépésben  elődiffúzió (pl. 1100 o C, 3 óra)  behajtás / drive-in(pl. 1240 o C, 1 óra) ► Ma: ion implantáció után végső profil kialakítása

16 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 16 Diffúzió ► A diffúziós kályha (furnace) A SiO 2 mintázat maszkolja kvarc csónak

17 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 17 Ipari méretű diffúziós kályha

18 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 18 Ion implantáció ► Tömegspektrométerrel egy ionsugárból kiválasztott ionokat lövünk a Si szeletre mint target-re ► Az adalékok kezdeti eloszlása az ionsugár energiájától és dózisától függ ► Az implantációt hőkezelés követi  a szilícium egykristály szerkezetének helyreállítása  az adalékok behajtása: végső adalékeloszlás (adalék profil) kialakítása ► ~100 kV nagyságrendű feszültség

19 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 19 Ion implantáció A SiO 2 mintázat maszkolja Átlagos behatolási mélység, körülötte véletlen eloszlás  Gauss profil

20 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 20 Ion implantáció A SiO 2 mintázat maszkolja Alacsony hőmérsékletű lépés. Előny: korábbi adalékprofilokat nem nagyon rontjuk el

21 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 21 Struktúrálás: fotolitográfia SiO 2 lesz az adalékolás maszkoló rétege 1.fotoreziszt felvtele 2.mintázat fényképezése a rezisztre 3.előhívás (oldás, hőkezelés) 4.mintázat átvitele a rezisztről az oxidre nedves marással patterning / mintázat kialakítása

22 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 22 A felületi struktúra kialakítása ► Fotolitográfiával – ez minden mintázatkialakítás (patterning) első lépése ► Az oxidlépcsők problémája: step coverage Ablaknyitás az oxidon - fotolitográfiával

23 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 23 Az ablaknyitás lépései Fémezés mintázatához teli-fémezés fotoreziszt fényképezés, előhívás fölösleges fém kimaratása reziszt eltávolítása

24 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 24 Fotolitográfia ► Sárga fényű helyiségben – a reziszt UV-re érzékeny, sárgára nem Monolit IC Labor, Mikroelektronika szakirány az EET-n IC gyár valahol a világban Új tanszéki labor

25 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 25 Egy egyszerű pMOS technológia ► Technológiai lépések az EET Félvezető Laboratóriumában (tiszta szobájában)

26 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 26 P-csatornás monolit IC készítése Szelettisztítás

27 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 27 Vastagoxid-növesztés (ún. field oxide) P-csatornás monolit IC készítése

28 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 28 Fotolitográfia: reziszt cseppentés, felpörgetés P-csatornás monolit IC készítése

29 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 29 Fotolitográfia: maszkillesztés P-csatornás monolit IC készítése

30 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 30 Fotolitográfia: megvilágítás P-csatornás monolit IC készítése

31 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 31 Fotolitográfia: előhívás P-csatornás monolit IC készítése

32 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 32 P-csatornás monolit IC készítése Mintázat átmásolása: az oxid kimarásával

33 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 33 P-csatornás monolit IC készítése Fotolitográfia: oxidmarás, lakkeltávolítás

34 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 34 Bórdiffúzió szilárd fázisból, elődiffúzió P-csatornás monolit IC készítése

35 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 35 Bórüveg eltávolítása P-csatornás monolit IC készítése

36 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 36 P-csatornás monolit IC készítése Bórdiffúzió második lépése: behajtás (oxigénben)

37 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 37 P-csatornás monolit IC készítése Fotolitográfia: ablaknyitás a gate-oxid számáraFotolitográfia: lakk eltávolításaVékonyoxid-növesztés a gate számáraFotolitográfia: ablaknyitás a fémezés számáraFotolitográfia: lakk eltávolításaAlumínium vákuumgőzölése fémezés céljára

38 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 38 P-csatornás monolit IC készítése Fotolitográfia: fém vezetékhálózat kialakításaFotolitográfia: lakk eltávolításaKész struktúra

39 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 39 P-csatornás monolit IC készítése Darabolás, eutektikus kötés, termokompresszió

40 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 2014-09-19 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés © Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2014 40 P-csatornás monolit IC készítése ► Akit érdekel, érdeklődhet Juhász László adjunktusnál ► Lehetőségek:  Monolit IC készítése  Napelem készítés választható tárgyak, valamint:  TDK (érdeklődni: Bognár György TDK felelősnél)  Önálló labor (érdeklődni: Bognár Györgynél)  Szakdolgozat (érdeklődni: Kollár Ernőnél) napelem készítése