2010-12-07
1
Podstawy elektroniki
Podstawy elektroniki
i energoelektroniki
i energoelektroniki
Wykład 7
Wykład 7
Technologia krzemowa
Technologia krzemowa
dr in
ż
. Andrzej Kociubi
ń
ski
dr in
ż
. Andrzej Kociubi
ń
ski
grudzie
ń
2010
grudzie
ń
2010
Literatura
Literatura
•• wykład
wykład
•• Technologia krzemowa
Technologia krzemowa
–
– Romuald B. Beck
Romuald B. Beck
•• Procesy technologiczne w elektronice półprzewodnikowej
Procesy technologiczne w elektronice półprzewodnikowej
–
– praca zbiorowa
praca zbiorowa
•• literatura angloj
ę
zyczna
literatura angloj
ę
zyczna
•• internet
internet
DEFINICJA „idealistyczna”
DEFINICJA „idealistyczna”
Pró
ż
nia:
Pró
ż
nia:
przestrze
ń
wolna od jakiejkolwiek materii
przestrze
ń
wolna od jakiejkolwiek materii
Co to jest próżnia?
Co to jest próżnia?
DEFINICJA „techniczna”
DEFINICJA „techniczna”
Próżnia:
Próżnia:
przestrzeń, w której koncentracja bądź ciśnienie gazu
przestrzeń, w której koncentracja bądź ciśnienie gazu
są
są niższe
niższe od koncentracji lub ciśnienia powietrza
od koncentracji lub ciśnienia powietrza
atmosferycznego na poziomie morza (0 m n.p.m.)
atmosferycznego na poziomie morza (0 m n.p.m.)
Środowisko próżni
Środowisko próżni
plazm
ą
plazm
ą
składa
składa si
ę
si
ę
ze
ze swobodnych
swobodnych jonów
jonów (a
(a dokładniej
dokładniej
j
ą
der
j
ą
der atomowych)
atomowych) ii elektronów
elektronów
g
ę
sto
ść
g
ę
sto
ść
plazmy
plazmy jest
jest mała
mała w
w porównaniu
porównaniu z
z g
ę
sto
ś
ci
ą
g
ę
sto
ś
ci
ą
ciał
ciał
stałych,
stałych, cieczy
cieczy a
a nawet
nawet gazów
gazów
jako
jako cało
ść
cało
ść
plazma
plazma jest
jest elektrycznie
elektrycznie oboj
ę
tna
oboj
ę
tna
głównymi
głównymi parametrami
parametrami plazmy
plazmy s
ą
s
ą
jej
jej temperatura
temperatura oraz
oraz
koncentracja
koncentracja cz
ą
stek
cz
ą
stek naładowanych
naładowanych
Plazma idealna
Plazma idealna
przynajmniej
przynajmniej 99
99%
% widzialnej
widzialnej materii
materii we
we
wszech
ś
wiecie
wszech
ś
wiecie
istnieje
istnieje
w
w
postaci
postaci
plazmy
plazmy
przestrze
ń
przestrze
ń
pozaziemska
pozaziemska::
gwiazdy,
gwiazdy,
materia
materia
mi
ę
dzygwiazdowa,
mi
ę
dzygwiazdowa,
pasy
pasy
radiacyjne
radiacyjne promieniowania
promieniowania wokół
wokół Ziemi
Ziemi
Ziemia
Ziemia:: jonosfera,
jonosfera, zorza
zorza polarna,
polarna, słup
słup
wyładowania
wyładowania
atmosferycznego,
atmosferycznego,
płomie
ń
,
płomie
ń
, wyładowania
wyładowania w
w gazach,
gazach, łuk
łuk
elektryczny,
elektryczny,
wyładowanie
wyładowanie
koronowe,
koronowe,
ognie
ognie
ś
w
ś
w..
Elma,
Elma,
front
front
silnych
silnych
fal
fal
uderzeniowych
uderzeniowych (szczeg
(szczeg..,, detonacje
detonacje w
w
rozrzedzonych
rozrzedzonych gazach)
gazach)
Występowanie plazmy
Występowanie plazmy
2010-12-07
2
nanoszenie warstw
- rozpylanie (ang. sputtering)
- synteza PECVD
(ang. Plasma-enhanced chemical vapor deposition)
suche trawienie
płytkie domieszkowanie
inne – czyszczenie oraz obróbka (amorfizacja, planaryzacja)
powierzchni,
ź
ródła promieniowania X oraz gł
ę
bokiego UV w
litografii, wywoływanie fotorezystu...
Występowanie plazmy w technologii
Występowanie plazmy w technologii
atomy
atomy plazmy
plazmy rzeczywistej
rzeczywistej s
ą
s
ą
zazwyczaj
zazwyczaj zjonizowane
zjonizowane w
w
ró
ż
nym
ró
ż
nym stopniu
stopniu (pojedynczo,
(pojedynczo, podwójnie
podwójnie itd
itd..))
plazma
plazma taka
taka jest
jest tylko
tylko cz
ęś
ciowo
cz
ęś
ciowo zjonizowana,
zjonizowana, tj
tj.. oprócz
oprócz
swobodnych
swobodnych jonów
jonów ii elektronów
elektronów zawiera
zawiera równie
ż
równie
ż
cz
ą
stki
cz
ą
stki
neutralne
neutralne b
ą
d
ź
b
ą
d
ź
wzbudzone
wzbudzone oraz
oraz fotony
fotony
plazma
plazma
mo
ż
e
mo
ż
e
by
ć
by
ć
bardzo
bardzo
g
ę
sta,
g
ę
sta,
tj
tj..
wyst
ę
powa
ć
wyst
ę
powa
ć
pod
pod
ci
ś
nieniem
ci
ś
nieniem
atmosferycznym
atmosferycznym
czy
czy
nawet
nawet
przy
przy
ci
ś
nieniach/g
ę
sto
ś
ciach
ci
ś
nieniach/g
ę
sto
ś
ciach bardzo
bardzo ekstremalnych
ekstremalnych (j
ą
dro
(j
ą
dro sło
ń
ca,
sło
ń
ca,
biały
biały karzeł,
karzeł, gwiazda
gwiazda neutronowa)
neutronowa)
Plazma rzeczywista
Plazma rzeczywista
Czystość jest najważniejsza
Czystość jest najważniejsza
włos ludzki
włos ludzki
~80 µm
~80 µm
►
►
zakłócenia we wzro
ś
cie warstw epitaksjalnych (dyslokacje
zakłócenia we wzro
ś
cie warstw epitaksjalnych (dyslokacje
i defekty),
i defekty),
►
►
pogorszenie parametrów warstw dielektrycznych:
pogorszenie parametrów warstw dielektrycznych:
−−
upływno
ść
upływno
ść
,,
−−
wytrzymało
ść
elektryczna
wytrzymało
ść
elektryczna
,,
−−
niezawodno
ść
niezawodno
ść
..
►
►
zakłócenia w wierno
ś
ci odwzorowywania kształtów
zakłócenia w wierno
ś
ci odwzorowywania kształtów
metodami litograficznymi,
metodami litograficznymi,
►
►
zakłócenia ci
ą
gło
ś
ci warstw i struktur.
zakłócenia ci
ą
gło
ś
ci warstw i struktur.
Czystość
Czystość
Zagro
ż
enia
Zagro
ż
enia wynikaj
ą
ce
wynikaj
ą
ce z
z obecno
ś
ci
obecno
ś
ci drobin
drobin pyłów
pyłów dla
dla
jako
ś
ci
jako
ś
ci procesów
procesów technologicznych
technologicznych
Budowa układów scalonych wymaga
Budowa układów scalonych wymaga
ultraczystych, bardzo precyzyjnych fabryk
ultraczystych, bardzo precyzyjnych fabryk
Process Area
Equipment Area
Class 1000
Equipment Area
Class 1000
Raised Floor with Grid Panels
Return Air
HEPA Filter
Fans
Pump, RF and etc.
Process Tool
Process Tool
Makeup Air
Makeup Air
Class 1
Cleanroom
Cleanroom
2010-12-07
3
Wytwarzanie monokryształu krzemu
Wytwarzanie monokryształu krzemu
Cięcie monokryształu krzemu
Cięcie monokryształu krzemu
na pojedyncze płytki
na pojedyncze płytki
Schemat procesu wytwarzania
Schemat procesu wytwarzania
układu scalonego
układu scalonego
Wytwarzanie nowej warstwy
Wytwarzanie nowej warstwy
(utlenianie, osadzanie, naparowywanie, domieszkowanie, implantacja)
(utlenianie, osadzanie, naparowywanie, domieszkowanie, implantacja)
Odwzorowanie wzorów obszarów
Odwzorowanie wzorów obszarów
Usuwanie zb
ę
dnych fragmentów
Usuwanie zb
ę
dnych fragmentów
(trawienie)
(trawienie)
Wytwarzanie masek
Wytwarzanie masek
Litografia
Litografia
Epitaksja
Epitaksja
Utlenianie
Utlenianie
Osadzanie i nakładanie warstw
Osadzanie i nakładanie warstw
Trawienie
Trawienie
Dyfuzja
Dyfuzja
Implantacja
Implantacja
Polerowanie
Polerowanie
Pakowanie
Pakowanie
Diagnostyka
Diagnostyka
Podstawowe procesy technologiczne
Podstawowe procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
2010-12-07
4
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
Procesy technologiczne
2010-12-07
5
Epitaksja
Epitaksja
Mo
ż
e nast
ę
powa
ć
z fazy
Mo
ż
e nast
ę
powa
ć
z fazy
gazowej, ciekłej i stałej.
gazowej, ciekłej i stałej.
Uporz
ą
dkowany wzrost na podło
ż
u krystalicznym warstwy
Uporz
ą
dkowany wzrost na podło
ż
u krystalicznym warstwy
krystalicznej, zachowuj
ą
cej struktur
ę
podło
ż
a.
krystalicznej, zachowuj
ą
cej struktur
ę
podło
ż
a.
Homoepitaksja
Homoepitaksja
–
– identyczny skład chemiczny podło
ż
a i
identyczny skład chemiczny podło
ż
a i
warstwy;
warstwy;
Heteroepitaksja
Heteroepitaksja
–
– ró
ż
ny
ró
ż
ny
skład chemiczny
skład chemiczny
podło
ż
a i warstwy
podło
ż
a i warstwy
Po co?
Po co?
--
modyfikacja
modyfikacja własno
ś
ci
własno
ś
ci elektrycznych
elektrycznych materiału,
materiału,
--
mo
ż
liwo
ść
mo
ż
liwo
ść
wytwarzania
wytwarzania „ostrych”
„ostrych” przej
ść
przej
ść
pomi
ę
dzy
pomi
ę
dzy
ró
ż
nymi
ró
ż
nymi materiałami,
materiałami, np
np.. struktury
struktury wielowarstwowe
wielowarstwowe
(tzw
(tzw.. studnie
studnie kwantowe)
kwantowe)
Epitaksja
Epitaksja
Advanced Micro Devices
Stanowiska procesu metalizacji
Stanowiska procesu metalizacji
Passivation layer
Bonding pad
metal
p
+
Silicon substrate
LI
oxide
ST
I
n-
well
p-
well
ILD-
1
ILD-
2
ILD-
3
ILD-
4
ILD-
5
M-
1
M-
2
M-
3
M-
4
Poly
gate
p
-
Epitaxial layer
p
+
n
+
ILD-6
LI
metal
Via
p
+
p
+
n
+
n
+
Przekrój inwertera CMOS (
Przekrój inwertera CMOS (0
0,,18
18 µ
µm)
m)
Metalizacja wielopoziomowa
Metalizacja wielopoziomowa
Maj
ą
Maj
ą
one
one charakter
charakter::
homogeniczny
homogeniczny
–
– przebiegaj
ą
przebiegaj
ą
w
w obj
ę
to
ś
ci
obj
ę
to
ś
ci
gazu
gazu
heterogeniczny
heterogeniczny
–
–
zachodz
ą
zachodz
ą
na
na
lub
lub
w
w
bezpo
ś
rednim
bezpo
ś
rednim
s
ą
siedztwie
s
ą
siedztwie
(zazwyczaj
(zazwyczaj
grzanego)
grzanego) podło
ż
a
podło
ż
a..
CVD
CVD -- Chemical Vapor Deposition
Chemical Vapor Deposition
Technika CVD
Technika CVD –
– chemiczne osadzanie
chemiczne osadzanie
z fazy gazowej
z fazy gazowej
Proces
Proces syntezy
syntezy materiału
materiału w
w wyniku
wyniku reakcji/procesów
reakcji/procesów chemicznych
chemicznych
zachodz
ą
cych
zachodz
ą
cych
pomi
ę
dzy
pomi
ę
dzy
lotnymi
lotnymi
prekursorami
prekursorami..
Reakcje
Reakcje
te,
te,
to
to
dysocjacja
dysocjacja
i/lub
i/lub
reakcje
reakcje
chemiczne
chemiczne
aktywowane
aktywowane
termicznie,
termicznie,
promieniowaniem
promieniowaniem elektromagnetycznym,
elektromagnetycznym, b
ą
d
ź
b
ą
d
ź
w
w
ś
rodowisku
ś
rodowisku plazmy
plazmy..
2010-12-07
6
Capacitive-coupled
RF input
Susceptor
Heat lamps
Wafer
Gas inlet
Exhaust
Chemical vapor deposition
Process chamber
CVD cluster tool
Technika CVD
Technika CVD
SiH
4
(gas) + O
2
(gas)
SiO
2
(solid)
+ 2H
2
(gas)
SiH
4
(gas) + H
2
(gas) +SiH
2
(gas
)
2H
2
(gas) +
PolySilicon (solid)
Continuous gas flow
Deposited film
Silicon substrate
Boundary layer
Diffusion of reactants
Osadzanie plazmowe
Osadzanie plazmowe
Proces
Proces syntezy
syntezy materiału
materiału bez
bez udziału
udziału reakcji
reakcji chemicznych,
chemicznych,
w
w wyniku
wyniku kondensacji
kondensacji tworz
ą
cych
tworz
ą
cych go
go atomów
atomów z
z fazy
fazy lotnej
lotnej..
S
ą
S
ą
one
one uwalniane
uwalniane ze
ze
ź
ródła/
ź
ródeł
ź
ródła/
ź
ródeł termicznie
termicznie (grzanie,
(grzanie,
ablacja
ablacja wi
ą
zk
ą
wi
ą
zk
ą
laserow
ą
)
laserow
ą
) b
ą
d
ź
b
ą
d
ź
wskutek
wskutek bombardowania
bombardowania
wysokoenergetycznymi
wysokoenergetycznymi
cz
ą
stkami,
cz
ą
stkami,
a
a
nast
ę
pnie
nast
ę
pnie
transportowane
transportowane poprzez
poprzez obszar
obszar o
o obni
ż
onym
obni
ż
onym ci
ś
nieniu
ci
ś
nieniu do
do
podło
ż
a,
podło
ż
a, na
na którym
którym ulegaj
ą
ulegaj
ą
adsorpcji
adsorpcji..
PVD
PVD -- Physical Vapor Deposition
Physical Vapor Deposition
Technika PVD
Technika PVD –
– fizycznie osadzanie
fizycznie osadzanie
z fazy gazowej
z fazy gazowej
PVD
PVD
CVD
CVD
Bird's baek
Bird's baek
LOCOS
LOCOS
–
– Local Oxidation of Silicon
Local Oxidation of Silicon
Utlenianie krzemu
Utlenianie krzemu
Advanced Micro Devices
Stanowiska procesu fotolitografii
Stanowiska procesu fotolitografii
Metody odwzorowania kształtów
Metody odwzorowania kształtów
Metody odwzorowania kształtów
Metody odwzorowania kształtów
Wzór przenoszony na płytk
ę
Wzór przenoszony na płytk
ę
za po
ś
rednictwem emulsji
za po
ś
rednictwem emulsji
Wzór przenoszony na płytk
ę
Wzór przenoszony na płytk
ę
bez po
ś
rednictwa emulsji
bez po
ś
rednictwa emulsji
Metoda addytywna
Metoda addytywna
(litografia + odrywanie)
(litografia + odrywanie)
Metoda substraktywna
Metoda substraktywna
(litografia + trawienie)
(litografia + trawienie)
Bezpo
ś
rednie trawienie
Bezpo
ś
rednie trawienie
skanuj
ą
c
ą
wi
ą
zk
ą
jonow
ą
skanuj
ą
c
ą
wi
ą
zk
ą
jonow
ą
2010-12-07
7
Proces fotolitografii
Proces fotolitografii
wyspa
okno
Wystawiony na działanie ultrafioletu fotorezyst (emulsja
ś
wiatłoczuła
Wystawiony na działanie ultrafioletu fotorezyst (emulsja
ś
wiatłoczuła
negatywowa) polimeryzuje i staje si
ę
odporny na działanie chemikaliów.
negatywowa) polimeryzuje i staje si
ę
odporny na działanie chemikaliów.
Przeniesiony z maski wzór na
Przeniesiony z maski wzór na
powierzchni półprzewodnika po
powierzchni półprzewodnika po
wytrawieniu fotorezystu
wytrawieniu fotorezystu
Podło
ż
e krzemowe
Podło
ż
e krzemowe
Cie
ń
na
fotorezy
ś
cie
fotorezyst
fotorezyst
Na
ś
wietlona
powierzchnia
fotorezystu
Pokryta chromem
maska szklana
Ultrafiolet
tlenek
tlenek
fotorezyst
fotorezyst
tlenek
tlenek
Litografia negatywowa
Litografia negatywowa
Exposed area
of photoresist
Podło
ż
e krzemowe
Podło
ż
e krzemowe
tlenek
tlenek
tlenek
tlenek
wyspa
okno
Cie
ń
na
fotorezy
ś
cie
fotorezyst
fotorezyst
Na
ś
wietlona
powierzchnia
fotorezystu
Pokryta chromem
maska szklana
Ultrafiolet
fotorezyst
fotorezyst
tlenek
tlenek
Promieniowanie ultrafioletowe na
ś
wietla fotorezyst (emulsj
ę
ś
wiatłoczuł
ą
) poprzez
Promieniowanie ultrafioletowe na
ś
wietla fotorezyst (emulsj
ę
ś
wiatłoczuł
ą
) poprzez
okna w szklanej masce pokrytej chromem. Na
ś
wietlony fotorezyst (emulsja
okna w szklanej masce pokrytej chromem. Na
ś
wietlony fotorezyst (emulsja
pozytywowa) jest łatwo usuwany podczas obróbki chemicznej.
pozytywowa) jest łatwo usuwany podczas obróbki chemicznej.
Litografia pozytywowa
Litografia pozytywowa
Przeniesiony z maski wzór na
Przeniesiony z maski wzór na
powierzchni półprzewodnika po
powierzchni półprzewodnika po
wytrawieniu fotorezystu
wytrawieniu fotorezystu
Nakładanie fotorezystu
Nakładanie fotorezystu
Naświetlanie
Naświetlanie
formowanie się porów,
formowanie się porów,
wtrąceń (tzw.„pinholes”),
wtrąceń (tzw.„pinholes”),
przewężenia ścieżek,
przewężenia ścieżek,
zwarcia.
zwarcia.
Problemy przy procesie fotolitografii
Problemy przy procesie fotolitografii
2010-12-07
8
Wierna reprodukcja wzoru maski
Wierna reprodukcja wzoru maski
anizotropowe
anizotropowe
izotropowe
izotropowe
Trawienie
Trawienie
Trawienie
Trawienie
Trawienie a orientacja krystalograficzna
Trawienie a orientacja krystalograficzna
Selektywno
ść
Selektywno
ść
wzgl
ę
dem
wzgl
ę
dem materiału
materiału maski,
maski,
Selektywno
ść
Selektywno
ść
wzgl
ę
dem
wzgl
ę
dem materiału
materiału znajduj
ą
cego
znajduj
ą
cego si
ę
si
ę
pod
pod materiałem
materiałem trawionym,
trawionym,
Odpowiednie
Odpowiednie tempo
tempo procesu,
procesu,
Jednorodno
ść
Jednorodno
ść
(zarówno
(zarówno
na
na
całej
całej
trawionej
trawionej
powierzchni,
powierzchni,
jak
jak
ii
powtarzalno
ść
powtarzalno
ść
przy
przy
trawieniu
trawieniu
kolejnych
kolejnych podło
ż
y),
podło
ż
y),
Trawienie
Trawienie –
– pożądane cechy procesu
pożądane cechy procesu
bezpiecze
ń
stwo,
bezpiecze
ń
stwo,
redukcja
redukcja uszkodze
ń
uszkodze
ń
podło
ż
y
podło
ż
y do
do minimum,
minimum,
łatwo
ść
łatwo
ść
usuwania
usuwania
maskuj
ą
cego
maskuj
ą
cego
materiału
materiału
po
po
zako
ń
czeniu
zako
ń
czeniu trawienia,
trawienia,
czysto
ść
czysto
ść
(czyli
(czyli minimalizacja
minimalizacja ilo
ś
ci
ilo
ś
ci wprowadzanych
wprowadzanych
zanieczyszcze
ń
),
zanieczyszcze
ń
),
mo
ż
liwo
ść
mo
ż
liwo
ść
automatyzacji
automatyzacji..
Trawienie
Trawienie –
– pożądane cechy procesu
pożądane cechy procesu
Trawienie
Trawienie
2010-12-07
9
(rozpylanie)
(rozpylanie) fizyczne
fizyczne czyli
czyli „sputtering”
„sputtering”
(w
(w plazmie,
plazmie, ale
ale tak
ż
e
tak
ż
e wi
ą
zk
ą
wi
ą
zk
ą
jonów)
jonów)
reaktywne
reaktywne trawienie
trawienie jonowe,
jonowe,
czyli
czyli „reactive
„reactive ion
ion etching”
etching” (RIE)
(RIE)
((precyzyjniej
precyzyjniej:: trawienie
trawienie wspomagane
wspomagane jonami)
jonami)
(chemiczne)
(chemiczne) trawienie
trawienie plazmowe
plazmowe
Energia
Ci
ś
nienie
< 0,1 Pa
0,1…10 Pa
> 10 Pa
Trawienie suche
Trawienie suche
proces
proces fizyczny
fizyczny (przekazywanie
(przekazywanie p
ę
du
p
ę
du jonów),
jonów),
silna
silna kierunkowo
ść
kierunkowo
ść
(anizotropia)
(anizotropia) procesu,
procesu,
niska
niska selektywno
ść
selektywno
ść
(stosunek
(stosunek warto
ś
ci
warto
ś
ci współczynników
współczynników
rozpylania
rozpylania dla
dla wi
ę
kszo
ś
ci
wi
ę
kszo
ś
ci materiałów
materiałów max
max ~
~ 3
3),
),
defekty
defekty radiacyjne
radiacyjne..
Rozpylanie
Rozpylanie
kombinacja
kombinacja procesu
procesu fizycznego
fizycznego (przekazywanie
(przekazywanie p
ę
du
p
ę
du
jonów)
jonów) ii chemicznego,
chemicznego,
kierunkowo
ść
,
kierunkowo
ść
,
wi
ę
ksza
wi
ę
ksza selektywno
ść
selektywno
ść
ni
ż
ni
ż
rozpylania
rozpylania..
Reaktywne trawienie jonowe (RIE)
Reaktywne trawienie jonowe (RIE)
proces chemiczny,
proces chemiczny,
proces izotropowy (brak kierunkowo
ś
ci),
proces izotropowy (brak kierunkowo
ś
ci),
najlepsza selektywno
ść
,
najlepsza selektywno
ść
,
najni
ż
szy poziom defektów radiacyjnych.
najni
ż
szy poziom defektów radiacyjnych.
Trawienie plazmowe
Trawienie plazmowe
e
-
e
-
R
+
λ
Glow discharge
(plasma)
Gas distribution baffle
High-frequency energy
Flow of byproducts and process gases
Anode electrode
Electromagnetic field
(confines plasma)
Free electron
Ion sheath
Chamber wall
Positive ion
Etchant gas (e.g.HF) entering gas inlet
RF coax cable
Photon
Wafer
Cathode electrode
Radical chemical
Vacuum line
Exhaust to vacuum pump
Vacuum gauge
e
-
Trawienie plazmowe
Trawienie plazmowe
LI metal
LI oxide
Polerowanie
Polerowanie
2010-12-07
10
Advanced Micro Devices
Stanowiska procesu polerowania
Stanowiska procesu polerowania
Procesy modyfikujące właściwości warstw
Procesy modyfikujące właściwości warstw
Zmiana typu przewodnictwa i rozkładu
Zmiana typu przewodnictwa i rozkładu
domieszek za pomoc
ą
procesów:
domieszek za pomoc
ą
procesów:
•• dyfuzjii
dyfuzjii
•• implantacji
implantacji
Poly Si
n
+
P-type Silicon
n
+
SiO
2
P
+
Implantacja jonów
Implantacja jonów
Ion source
Analyzing magnet
Acceleration column
Beamline tube
Ion beam
Plasma
Graphite
Process chamber
Scanning disk
Mass resolving slit
Heavy ions
Gas cabinet
Filament
Extraction assembly
Lighter ions
Ground Potential
+20 to +250 kV
Insulator
Insulator
+70 to
+300 kV
Implantacja jonów
Implantacja jonów
Implantacja jonów
Implantacja jonów
Implantacja jonów
Implantacja jonów
2010-12-07
11
Implantacja jonów
Implantacja jonów –
– wygrzewanie (~1000
wygrzewanie (~1000°°C)
C)
Implantacja jonów
Implantacja jonów –
– wygrzewanie (~1000
wygrzewanie (~1000°°C)
C)
Implantacja jonów
Implantacja jonów –
– wygrzewanie (~1000
wygrzewanie (~1000°°C)
C)
Implantacja jonów
Implantacja jonów –
– wygrzewanie (~1000
wygrzewanie (~1000°°C)
C)
Implantacja jonów
Implantacja jonów –
– wygrzewanie (~1000
wygrzewanie (~1000°°C)
C)
Implantacja jonów
Implantacja jonów –
– wygrzewanie (~1000
wygrzewanie (~1000°°C)
C)
2010-12-07
12
Implantacja jonów
Implantacja jonów –
– wygrzewanie (~1000
wygrzewanie (~1000°°C)
C)
Implantacja jonów
Implantacja jonów –
– wygrzewanie (~1000
wygrzewanie (~1000°°C)
C)
podło
ż
e Si
SiO
2
osadzany silnie domieszkowany tlenek krzemu
Dyfuzja
Dyfuzja
podło
ż
e Si
SiO
2
Dyfuzja
Dyfuzja
podło
ż
e Si
SiO
2
domieszkowane zł
ą
cze
Dyfuzja
Dyfuzja
SiO
2
Dyfuzja
Dyfuzja
podło
ż
e Si
domieszkowane zł
ą
cze
2010-12-07
13
PR
SiO
2
Si
Si
Implantacja jonów
Implantacja jonów
Dyfuzja
Dyfuzja
obszary domieszkowane
obszary domieszkowane
gł
ę
boko
ść
zł
ą
cza
gł
ę
boko
ść
zł
ą
cza
Dyfuzja a implantacja
Dyfuzja a implantacja
Advanced Micro Devices
Diagnostyka
Diagnostyka
Uszkodzony IC
Uszkodzony IC
Uzysk
Uzysk
okre
ś
la
okre
ś
la (w
(w procentach)
procentach) jaka
jaka cz
ęść
cz
ęść
wytworzonych
wytworzonych
układów
układów
scalonych
scalonych
spełnia
spełnia zało
ż
one
zało
ż
one wymagania
wymagania techniczne
techniczne..
Uzysk
Uzysk
Wycinanie struktur
Wycinanie struktur
Pakowanie
Pakowanie
drut metalowy
drut metalowy
Formowanie kulki metalowej
Metalizacja IC
Metalizacja IC
Metalizacja IC
Metalizacja IC
Metalizacja IC
Metalizacja IC
Utworzenie kontaktu
Wycofanie głowicy
Zacisk
Zacisk
Połączenia drutowe
Połączenia drutowe
2010-12-07
14
Metalizacja
Metalizacja
obudowy
obudowy
Metalizacja IC
Metalizacja IC
Metalizacja IC
Metalizacja IC
Metalizacja
Metalizacja
obudowy
obudowy
Połączenia drutowe
Połączenia drutowe
Miejsca metalizacji do bondowania (ł
ą
czenia)
Miejsca metalizacji do bondowania (ł
ą
czenia)
Obudowa
Obudowa
Układ
Układ
scalony
scalony
Połączenia metodą Flip
Połączenia metodą Flip--Chip
Chip
układ scalony
kulki metalowe
obudowa
Połączenia metodą Flip
Połączenia metodą Flip--Chip
Chip
układ scalony
kulki metalowe
obudowa
Połączenia metodą Flip
Połączenia metodą Flip--Chip
Chip
układ scalony
kulki indowe
obudowa
Połączenia metodą Flip
Połączenia metodą Flip--Chip
Chip
układ scalony
obudowa
Połączenia metodą Flip
Połączenia metodą Flip--Chip
Chip
2010-12-07
15
Gotowy produkt
Gotowy produkt
Ostateczne testy elektryczne
Ostateczne testy elektryczne
Aby utrzyma
ć
tempo rozwoju, technologia krzemowa
Aby utrzyma
ć
tempo rozwoju, technologia krzemowa
„uruchomiła” (uruchamia) swoje rezerwy.
„uruchomiła” (uruchamia) swoje rezerwy.
S
ą
nimi:
S
ą
nimi:
technologia SOI
technologia SOI
oraz
oraz
krzemogerman (SiGe).
krzemogerman (SiGe).
Mog
ą
one ze sob
ą
współpracowa
ć
.
Mog
ą
one ze sob
ą
współpracowa
ć
.
Technologia krzemowa
Technologia krzemowa
Technologia Silicon
Technologia Silicon--On
On--Insulator
Insulator
Technologia Silicon
Technologia Silicon--On
On--Insulator
Insulator
P-type, ‘Bulk’’ Substrate
+ V
D
V
G
n+
+ V
S
n+
n well
+ V
D
V
G
p+
+ V
S
p+
p Substrate
+ V
D
V
G
+ V
S
+ V
D
V
G
+ V
S
n+
n+
n+
p
p
p
SiO
2
Insulator – ‘Buried Oxide’
Technologia Silicon
Technologia Silicon--On
On--Insulator
Insulator
2010-12-07
16
ź
ródło
dren
b
ra
m
k
a
p
o
li-
Si
SiO
2
boczny
dystansownik
tlenek
bramkowy
krzemek
podło
ż
e SiGe
napr
ęż
ony Si
Tranzystor MOS SOI
Tranzystor MOS SOI
z kanałem naprężonego krzemu
z kanałem naprężonego krzemu
Technologia BiCMOS
Technologia BiCMOS
?
?
Technologia SiC i C
Technologia SiC i C
Wprowadzenie
Wzrost
Dojrzało
ść
Nasycenie
Zmierzch
Zapomnienie
ANALOGOWA
BIPOLARNA
CMOS
BiCMOS
GaAs
SiGe
SOI
Diament SiC
GaN
S/LS TTL
ECL
HMOS
NMOS
TTL
PMOS
Cykl życiowy technologii
Cykl życiowy technologii
Inwerter CMOS
Inwerter CMOS
Process starts with a moderately doped (10
15
cm
-3
) p-type substrate (wafer)
An initial oxide layer is grown on the entire surface (barrier oxide)
SiO
2
Si (p)
Inwerter CMOS
Inwerter CMOS -- technologia
technologia
2010-12-07
17
1. n-Well mask - defines the n-Well regions
Pattern the oxide
Implant n-type impurity atoms (phosphorus) - 10
16
cm
-3
Drive-in the impurities (vertical but also lateral redistribution - limits the density )
n-well
SiO
2
Si (p)
Inwerter CMOS
Inwerter CMOS -- technologia
technologia
n-well
SiO
2
Si (p)
p
+
Gate oxide
Inwerter CMOS
Inwerter CMOS -- technologia
technologia
2. Active area mask - define the regions in which MOS devices will be created
LOCOS process to isolate NMOS and PMOS transistors
lateral penetration of bird’s beak region ~ oxide thickness
channel stop p
+
implants (boron)
Grow gate oxide (dry oxidation) - only in the open area of active region
n-well
SiO
2
Si (p)
p
+
Polysilicon gate
3. Polysilicon mask - define the gates of the MOS transistors
Polysilicon is deposited over the entire wafer (CVD process) and doped (typically n-type)
Pattern the polysilicon in the dry (plasma) etching process
Etch the gate oxide
Inwerter CMOS
Inwerter CMOS -- technologia
technologia
n
+
n
+
n
+
n-well
SiO
2
D
S
Si (p)
p
+
n-well ohmic contact
4. n-Select mask - define the n
+
source/drain regions of NMOS transistors
Define an ohmic contact to the n-well
Implant n-type impurity atoms (arsenic)
Polisilicon layer protects transistor channel regions from the arsenic dopant
Inwerter CMOS
Inwerter CMOS -- technologia
technologia
5. Complement of the n-select mask - define the p
+
source/drain regions of PMOS transistors
Define the ohmic contacts to the substrate
Implant p-type impurity atoms (boron)
Polisilicon layer protects transistor channel regions from the boron dopant
n
+
n
+
n
+
p
+
p
+
n-well
SiO
2
D
D
S
S
p
+
Si (p)
p
+
substrate ohmic contact
Inwerter CMOS
Inwerter CMOS -- technologia
technologia
5. Complement of the n-select mask - define the p
+
source/drain regions of PMOS transistors
Define the ohmic contacts to the substrate
Implant p-type impurity atoms (boron)
Polisilicon layer protects transistor channel regions from the boron dopant
n
+
n
+
n
+
p
+
p
+
n-well
SiO
2
D
D
S
S
p
+
Si (p)
p
+
substrate ohmic contact
Inwerter CMOS
Inwerter CMOS -- technologia
technologia
2010-12-07
18
6. Contact mask - define the contact cuts in the insulating layer
Contacts to polysilicon must be made outside the gate region (avoid metal spikes through the poly and
the thin gate oxide)
n
+
n
+
n
+
p
+
p
+
SiO
2
n-well
SiO
2
D
D
S
S
p
+
Si (p)
p
+
Contact window
Inwerter CMOS
Inwerter CMOS -- technologia
technologia
n
+
n
+
n
+
p
+
p
+
SiO
2
n-well
SiO
2
Metal
D
D
S
S
p
+
Si (p)
p
+
The final step: the entire surface is passivated (overglass layer)
Protect the surface from contaminants and scratches
Than opening are etched to the bond pads to allow for wire bonding
7. Metallization mask - define the interconnection pattern
Inwerter CMOS
Inwerter CMOS -- technologia
technologia
Poly
n
+
n
+
n
+
p
+
p
+
SiO
2
n-well
SiO
2
Metal
D
Gate oxide
N-channel transistor
P-channel transistor
D
S
S
p
+
Si (p)
p
+
In
GND
V
DD
Out
Inwerter CMOS
Inwerter CMOS -- technologia
technologia
GND
V
DD
Out
In
16
16 m
mas
asek
ek
103
103 operacje
operacje
Typowy czas obróbki
Typowy czas obróbki: 4 m
: 4 miesi
ą
ce
iesi
ą
ce
Podsumowanie technologii CMOS
Podsumowanie technologii CMOS
S
ą
trzy drogi do ruiny:
S
ą
trzy drogi do ruiny:
kobiety,
kobiety,
hazard
hazard
technologia.
technologia.
Kobiety to droga najprzyjemniejsza,
Kobiety to droga najprzyjemniejsza,
hazard
hazard -- najszybsza
najszybsza
technologia
technologia -- najpewniejsza.
najpewniejsza.
Georges Pompidou
Georges Pompidou
premier Francji w latach 1962
premier Francji w latach 1962--1968
1968