Polovodičovéové čipy. - aktivní součástky stky elektronických obvodů a systémů

Transkript

1 Polovodičovéové čipy - aktivní součástky stky elektronických obvodů a systémů

2 Polovodičové čipy Úvod Výroba polovodičových součástek Polovodičová struktura Holé čipy svývody na horní straně (COB) Obrácené čipy (FlipChip) Speciální čipy (např. TAB) Závěr

3 Úvod HLAVNÍ ČÁSTÍ ELEKTRONICKÝCH SYSTÉMÚ TVOŘÍ POLOVODIČOVÉ ČIPY, V JEJICHŽ OBJEMU JE REALIZOVÁNA POLOVODIČOVÁ STRUKTURA. TATO OBSAHUJÍCÍ ELEKTRICKÉ PRVKY A FUNKČNÍ BLOKY, KTERÉ ZAJIŠŤUJÍ POŽADOVANOU ELEKTRICKOU FUNKCI. NA OKRAJI ČIPU JSOU USPOŘÁDÁNY VÝVODY, KTERÉ MOHOU BÝT VE TVARU PLANÁRNÍCH KONTAKTNÍCH PLOŠEK (PRO KONTAKTOVÁNÍ MIKRODRÁTKEM, NEBO PŘÍMO JAKO VÝSTUPKY (NAPŘ. KULOVÉHO TVARU), PRO PŘIPOJENÍ DO SYSTÉMU. VLASTNÍ STRUKTURA POLOVODIČOVÉHO ČIPU JE TVOŘENA ELEMENTÁRNÍMI ČÁSTMI POLOVODIČOVÝMI PN PŘECHODY.

4 Úvod Polovodiče jsou látky, které jsou z hlediska rezistivity na rozmezí mezi vodiči a nevodiči. ~ jejich rezistivita od 10-6 Ω m do 108 Ω m ~ rezistivita velmi závisí na čistotě; nepatrným množstvím příměsí se změní o několik řádů (zatímco u vodičů nanejvýš o jeden řád), ~ polovodiče mají záporný teplotní součinitel odporu (TKR < 0), takže se stoupající teplotou se zvětšuje vodivost, při teplotách blízkých 0 K se polovodiče stávají nevodiči (izolanty), ~ průchodem proudu se nemění chemické ani strukturální vlastnosti polovodičů (přenos náboje je zprostředkován, stejně jako v kovech, elektrony), ~ vlastnosti polovodičů lze v širokém rozmezí ovlivňovat složením a strukturou.

5 Úvod Elektronická součástka, jejíž funkční částí je polovodič, se obecně nazývá polovodičová součástka. Z hlediska provozních vlastností mají polovodičové součástky tyto výhody: ~ mají malé rozměry a malou hmotnost; umožňují integraci elektrických obvodů ~ mají malou spotřebu energie, jejich provoz je hospodárný, ~ jsou použitelné v širokém rozsahu frekvencí ~ během provozu pracují spolehlivě, mají velkou životnost

6 Úvod vlastní polovodiče Valenční pás u tohoto polovodiče je plně obsazený, ve vodivostním pásu přiteplotě blízké 0 K nejsou elektrony. Zvýšíme-li teplotu tohoto polovodiče dojde k ecitaci (vybuzení) elektrony přejdou do vyšších energetických hladin. Elektrony na nejvyššíenergetické hladině valenčního pásu (W2) některých atomů získají takovou energii, že mohou překonat zakázaný pás a dostat se do vodivostního pásu. Tyto elektrony způsobují elektronovou vodivost neboli vodivost N. Tím, že elektron opustil elektronovou hladinu W2, zůstane na této hladině místo bez elektronu, které se projevuje jako místo s kladným nábojem. Toto místo se nazývá díra. Působením elektrického pole, teploty apod. může do díry přeskočit elektron, což se projeví stejně, jako by se díra přemístila do polohy, kterou původně zaujímal přeskakující elektron. Postupným přeskakováním elektronů se tedy díra posouvá polovodičem. Tak vzniká děrová vodivost neboli vodivost P. Polovodič, který je dokonale čistý a má stejný počet elektronů i děr, se nazývá vlastní polovodič.

7 Úvod nevlastní polovodiče N Jestliže přidáme ke křemíku jako příměs některý pětimocný prvek, např. antimon Sb, nahradí atomy antimonu některé atomy křemíku v mřížce. Čtyři z pěti jeho valenčních elektronů nahradí vazbu valenčních elektronů atomu křemíku, pátý valenční elektron zůstane jen slabě vázaný, neboť se nezúčastní kovalentní vazby. Působí-li na krystal stejnosměrné elektrické pole, pohybují se tyto elektrony ke kladnému pólu způsobují elekronovou vodivost. Takto získaný polovodič se nazývá polovodič N. Atom pětimocného (antimon) prvku plní funkci dodavatele elektronů. Proto se příměs nazývá donor.

8 Úvod polovodiče P Jestliže do Si přidáme příměs trojmocného prvku, např. india (In) nahradí atomy india některé atomy křemíku v krystalové mřížce. Ve vazbě však bude chybět jeden elektron. Toto místo má charakter kladného náboje. Takové místo se nazývá díra. Po vložení krystalu do stejnosměrného elektrického pole přeskočí vazebný elektron nejbližšího atomu na místo díry, tím vznikne dalšídíra na místě, kde se původně nacházel tento elektron, takže dochází k pohybu děrsměrem k zápornému pólu děrová vodivost. Polovodič je polovodič P. Atom trojmocného prvku (indium) přijímá do své chybějící vazby elektron z vlastního polovodiče. Proto se tato příměs názývá akceptor. V polovodiči N jsou tedy majoritní nosiče elektrony a minoritní díry, v polovodiči P je tomu naopak.

9 Úvod vlastnosti polovodičů Elektrické vlastnosti polovodičů jsou dány nosiči elektrického náboje. Ty charakterizuje jejich: pohyblivost, efektivní hmotnost, difúzní konstanta, Koncentrace, doba života.

10 Úvod VÝROBA POLOVODIČOVÝCH ČIPŮ PROBÍHÁ VE DVOU ZÁKLADNÍCH FÁZÍCH, JIMIŽ JSOU HROMADNÉ OPERACE (PROBÍHAJÍ NA WAFERU) A INDIVIDUÁLNÍ OPERACE (MANIPULACE S ČIPEM PO ROZŘEZÁNÍ WAFERU). VYTVÁŘENÍ SAMOTNÉ STRUKTURY PROBÍHÁ NA WAFERU (KŘEMÍKOVÁ DESTIČKA KRUHOVÉHO TVARU), KTERÝ OBSAHUJE NĚKOLIK DESÍTEK AŽ STOVEK ČIPŮ. PŘITOM SE POUŽÍVAJÍ PŘEDEVŠÍM NÁSLEDUJÍCÍ TECHNOLOGICKÉ OPERACE: epitaxe (vytvoření definovaných polovodičových vrstev svodivostí typu p nebo n) oxidace (vytvoření izolačních, ochranných, pasivačních a dielektrických vrstev) difúze (dotování polovodičových materiálů, vytváření PN přechodů) iontová implantace (velmi přesné dotování a vytváření PN přechodů) litografie (vytváření masek pro dosažení požadované struktury na čipu) naprašování a vakuové napařování (vytváření vodivé sítě a kontaktů)

11 Polovodičové materiály Materiály funkční, pomocné a konstrukční a přídavné (chemikálie a plyny) Si, Ge, GaAs jsou materiály ze IV. Resp. III. A V. sloupce Menděleovy periodické soustavy prvků Si se získává z křemičitého písku na křemík polykrystalický ( ohmcm) Czochralského metoda

12 Si

13 Wafer Z taženého ingotu se získávají desky tloušťky 150 až 400 µm, následným postupem: Řezání Broušení Leštění Leptání Potom probíhají hromadné operace na waferu

14 Polovodičové materiály Si Ge GaAs Teplota tavení 1415 o C 958 o C 1238 o C Hustota 2330 kg.m kg.m-3 Šířka zakázaného pásu 1,11 ev 0,67 ev 1,43 ev Pohyblivost elektronů 0,135 m 2 V -1 s -1 0,19 m 2 V -1 s -1 0,95 m 2 V -1 s -1 Pohyblivost děr 0,048 m 2 V -1 s -1 0,39 m 2 V -1 s -1 0,045 m 2 V -1 s -1 Objemový odpor 2, Ω.cm >10-8 Ω.cm Relativní permitivita 11,7 16,3 13,1 Délková roztažnost 4,2 ppm.k K K -1 Tepelnávodivost 8,4 Wm -1 K -1 5,7 Wm -1 K -1

15 Struktura N-P-N N (N epi) 10 (P) 10 (N+) N P N epi X

16 Pentium IV, verze Prescott, je realizován technologií srozlišením 0,09mm. Plocha čipu je 112 mm2, a na čipu se nachází 125 milionů tranzistorů. Pracovní kmitočet na čipu je 3,4GHz a čip má celkem 478 vývodů.

17 VÝROBA POLOVODIČOVÉHO ČIPU První technologií výroby byla technologie slitinová. Na podložku se položí legující materiál ve tvaru kuličky resp. válečku. Podložka se posléze vžíhací peci s inertní atmosférou zahřála na požadovanou teplotu (Ge 550 C, Si 1400 C). Materiál se roztaví a do určité míry se slije spodložkou. Následuje chladnutí a rekrystalizace. Tato technologie se již nepoužívá zdůvodu velkého rozptylu parametrů velmi hrubě nastavitelná hloubka vniku materiálu do podložky.

18 Výroba čipů - Planárně epitaxní technologie 1) Epitaxní růst Epitaxí se rozumí nárůst velmi čistého monokrystalu, protože je prováděn za velmi čistých podmínek. Je to depozice z plynné fáze tzn. že atomy pohybující se vtěsné blízkosti monokrystalu hledají energeticky nejvýhodnějšímísto a tam se uchytí (ve struktuře krystalu). Provádí se při teplotě blízké teplotě tání a dostatečně pomalu - čím bližšíteplota tím snadnější depozice, ale podložka nesmí změnit tvar v důsledku tavení. Epitaxe se využívá pro vytváření struktur na standardních (levných) podložkách. Na podložku jakékoliv vodivosti se vytvoří epitaxí vrstva požadované vodivosti a požadované tloušťky po celé ploše podložky.

19 EPITAXE V polovodičové technologii je epitaxe spojována s přípravou monokrystalických vrstev, které kopírují krystalografické uspořádání podložní desky, s možností řízení typu a obsahu příměsí v této vrstvě. Je-li epitaxní vrstva na podložce s krystalografickou orientací (111), bude mít i epitaxní vrstva orientaci (111).

20 EPITAXE Základním způsobem přípravy epitaxní křemíkové vrstvy je epitaxe z plynné fáze, kdy v reaktoru při teplotě převyšující C dochází k reakci trichlorsilanu (SiHCl3) s vodíkem, atomy křemíku se umisťují na podložní desce, kopírují její krystalografické uspořádání, páry HCl, které vznikají jako produkt reakce, jsou z aparatury odsávány. Vytváření kvalitních epitaxních vrstev vyžaduje dokonalou přípravu povrchu podložní křemíkové desky, jakékoliv nedokonalosti prorůstají epitaxní vrstvou. Jako možný zdroj pro epitaxi se používá též silan (SiH4), resp. dichlórsilan (SiH2Cl2). Předností epitaxe je přesné řízení koncentrace vnášených příměsí (donorů příp. akceptorů) v průběhu vytváření vrstvy.

21 OXIDACE 2) Oxidace Připravená podložka pak ve vodních parách zoxiduje (naroste vrstva SiO2). Oxid křemíku SiO2 má izolační, maskovací, pasivační, ochranné a dielektrické vlastnosti. Maskovací vlastnosti SiO2 vzhledem k některým plynům se využívá kzabránění difúznímu průchodu těchto plynů do epitaxí vytvořené vrstvy. Při oxidaci se vždy pokryje celý povrch podložky, proto je zapotřebí na nechtěně pokrytých místech tuto vrstvu odstranit (např. tam, kde chceme difúzí realizovat PN přechod). Odstranění SiO2 se provádí leptáním a pomocí litografie proto se na vrstvu SiO2 nanese fotocitlivá emulze (fotorezist), který se přes masku osvětlí. Takto získaný motiv se pak vyleptá. Důležitý parametr, tykající se rozměrů, je litografické rozlišení (rozlišovací schopnost), které vyjadřuje nejmenšímožný rozměr čára-mezera, jenž je možné využít při realizaci polovodičové struktury.

22 OXIDACE Základním způsobem přípravy těchto vrstev je termická oxidace, probíhající v reaktorech při teplotách v rozmezí 900 až 1200 C, v prostředí kyslíku nebo vodních par. Při oxidaci atomy křemíku na povrchu desky reagují s kyslíkem, případně vodními parami, za vzniku oxidu křemičitého. Problémem je vysoká teplota oxidace, snahou je omezit při vytváření oxidových vrstev teplotní namáhání již realizovaných polovodičových struktur. Toho lze dosáhnout vysokotlakou oxidací při tlacích až kpa. Každé zvýšení tlaku o 100 kpa nad atmosférický tlak přinášísnížení teploty oxidace o 30 C.

23 LITOGRAFIE Nově vyvinuté techniky optické litografie, jež vytvářejí detaily o šířce pouhých 65 nanometrů, prodlouží platnost Mooreova zákona do roku EUV umožní rozlišení 32 nanometrů. Když Moore učinil svůj závěr v r. 1965, struktury se vyráběly s pomocí optické litografie která využívala čočky k vytváření topologie.v současné době se využívají nové způsoby. Princip je stejný, laser vysílá UV záření na masku - šablonu nanášeného vzoru - a a toto osvětluje rezist na čipu. Pro výrobu stále menších a menších obvodů výrobci zvýšili přesnost laseru a čoček, zkrátili vlnovou délku záření dopadajícího na wafer. Vybavení užívané k výrobě procesorů Intel Pentium 4 a AMD Athlon dává UV záření s vlnovou délkou 248 nm, schopné vykreslovat detaily o šířce 130 nm, 90 nm a dokonce 65 nm. Ale optická litografie dosáhla svých mezí (pod vlnovou délkou 193 nm). Pro vývoj 157 nm optického systému, jenž bude mít premiéru v roce 2007, museli vědci zkonstruovat čočky ze zcela nových materiálů. Sklo by nefungovalo. Když se dostaneme na 157 nm, je nutné použít monokrystalický materiál zvaný fluorid vápenatý. Sestrojení laserů a čoček schopných pracovat s vlnovými délkami pod 157 nm se ukázalo nemožným.

24 LITOGRAFIE

25 LITOGRAFIE Výzkumníci hledali alternativní formy litografie a nakonec vsadili na EUV. Namísto používání laseru jako zdroje záření vytváří EUV systém ultrafialové záření elektrickou excitací plynného xenonu. K úpravě záření využívá speciálních zrcátek namísto čoček. Odrážením záření od těchto mikroskopických zrcátek systém zkracuje vlnové délky až na asi 13 nm. EUV LLC Consortium, Intelem vedená skupina, jež zahrnuje AMD, IBM, Infineon, Micron Technology a Motorolu, doufá, že zavede EUV okolo roku 2009, čímž zmenší šířku prvků procesoru na asi 32 nm. Avšak tato technologie potřebuje doladit. Pořád není jasné, zda to bude ekonomicky efektivní řešení.

26 EXTRÉMNÍ UV LITOGRAFIE

27 DIFÚZE Při difůzi je destička vložena do plynné atmosféry steplotou blízkou teplotě tavení destičky (u křemíku cca 1200 C, teplota tavení Si je 1415 C) a nechá se působit dotující plyn tak dlouho, až dotující molekuly proniknou (v odleptaných místech) do v požadované hloubky, které bývá 1 až 15µm. Difundující atomy si vkrystalové struktuře hledají místo s nejlepšími energetickými podmínkami. Na rozhraní obou prostředí (čisté epitaxní vrstvy a dotované oblasti) vznikne přechod PN, který je pozvolný. Příměsi z plynné fáze pronikají při teplotě 1200 C u Si do loubky 1µm přibližně za hodinu a tak lze při dostatečné čistotě látky, dodržení teploty (± 0,5K) a času dosáhnout při difúzním přechodu malého rozptylu parametrů. Při difúzi se realizuje většípočet PN přechodů zároveň, kdežto paprsek iontů bombarduje vždy jen jeden přechod (i za těchto podmínek je iontová implementace rychlejší než difúze).

28 DIFUZE Pro difúzi je potřebné zajistit vysokou koncentraci, resp. spád koncentrace difundující příměsi (P, As, Sb příměsi donorového typu v křemíku, B, Al, Ga příměsi akceptorového typu) a dodat potřebnou energii difúze příměsí probíhá v reaktorech při vysokých teplotách.

29 Iontová implantace Iontovou implantací se nazývá technologie,při které dochází k zavádění urychlených atomů a molekul do struktury tuhých látek s cílem změnit jejich elektrické, případně mechanické vlastnosti. K urychlení těchto částic dochází v ionizovaném stavu. K implantaci se používají iontové svazky s proudy od 10 µa až 100 ma s urychlovacími napětími 103 až 106 V. V polovodičové technice se pro ionizaci používají plyny BF3, AsF3 a PF5 pro implantaci bórem, arsenem a fosforem. Destička je tedy selektivně bombardována (vyleptaná místa) určitým urychleným svazkem iontů po určitou dobu ionty se zavrtají do destičky bez ohledu na krystalovou strukturu destičky, což je nežádoucí. Proto se musí destička následně žíhat, aby se bombardováním narušená destička opět vykrystalizovala. Významnou roli zde tedy hraje doba implantace a použitý svazek iontů. Jsou-li tyto parametry pro nějakou sérii vyrobených přechodů konstantní, pak jsou parametry vyrobených přechodů téměř identické vysoká přesnost. Přednosti této technologie spočívají vpotřebném čase vporovnání sdifúzí je iontová implementace daleko rychlejšía samotná implantace nevyžaduje vysokou teplotu destičky (pouze k následnému žíhání je zapotřebí vyšší teploty.

30 IONTOVÁ IMPLANTACE Při iontové implantaci je požadovaná příměs v ionizovaném stavu vstřelována do povrchu polovodičové desky. Celé zařízení je vakuově čerpáno a pracuje při nízkém tlaku. Koncentrační profil implantované příměsi je znázorněn na obr. 3. Narozdíl od difúze není největšíkoncentrace příměsi na povrchu, resp. v místě odkud difúze probíhá, ale v jisté hloubce pod povrchem, kterou lze řídit energií dopadajících iontů.

31 METALIZACE Po dokončeném posledním PN přechodu se opět celá destička pokryje vrstvou SiO2 a vyleptají se místa pro kontakty realizované naprašováním nebo vakuovým napařováním. Při napařování je materiál budoucího kontaktu jedním z možných způsobů zahříván (vysokofrekvenční, iontový ohřev) a přiveden do varu vře a vypařuje se. Páry materiálu kondenzují na destičce. Tento postup vyžaduje vakuum. Naprašování lze zrealizovat několika možnými technologiemi (např. magnetronovým, iontovým, katodovým). Obecně se jedná o energii, která vytrhává, resp. vyráží, atomy z potřebného materiálu (z terče). Tyto atomy jsou unášeny k destičce vlivem elektrického pole mezi materiálem a destičkou. Při dopadu odprášených atomů terče na povrch substrátu může dojít k několika procesům. Atomy se mohou od povrchu substrátu odrazit, adsorbovat nebo se začlení do struktury substrátu. Pravděpodobnost každého z těchto procesů závisí na energii a chemické aktivitě atomů a také na energetické struktuře povrchu substrátu. Energetické spektrum odprášených atomů je velmi široké od jednotek ev do stovek ev, přičemž množství rychlých atomů ve spektru roste s energií iontů. Tato technologie neklade velké nároky na teplotu a tlak, jako tomu je u napařování, ale na napětí a tlak.

32 Výroba polovodičových součástek

33 Výroba polovodičových součástek 2

34 Výroba polovodičových součástek 3

35 COB holý čip

36 Holé čipy s vývody na horní straně (COB) 1. Příprava DPS 2. Přilepení čipu 3. Propojení 4. Zalití

37 Holé čipy s vývody na horní straně (COB) příklady

38 Kontaktov ání (Wire bonding)

39 Kontaktování (Wire bonding)

40 Kontaktování (Wire bondong)

41 FLIP CHIP Flip Chip je čip se speciálně vytvořenými vývody ve tvaru podobnému bradavkám nebo pahýlům umístěným přímo na jeho lícní straně. Montáž Flip Chip se provádí vobrácené poloze tak, že čip je otočen aktivní stranou s metalizovanými vývody k substrátu (Face Down), na rozdíl od klasické montáže, kdy je stana s kontaktními ploškami směrem nahoru (Face Up). Flip Chip Al Si Metalizace (UBM) Pasivace Substrát Vývod

42 Flip Chip Využití FCOB (Flip Chip on Board) u pamětí DRAM podle

43 Flip Chip

44 Flip Chip

45 Obrácené čipy (Flip Chip) Podle:

46 Obrácené čipy (Flip Chip) This flip-chip PBGA was produced in volume for a Motorola IC (

47 FLIP CHIP Flip Chip může být připojen na substrát různými technikami. Buď do pouzdra - Flip Chip in Packages (FCIP), kde jsou používána pouzdra typu BGA nebo CSP. Kromě toho může být Flip Chip přímo montován do obvodu, tj. na nosný substrát (Direct Chip Attach), potom je takové připojení označováno Flip Chip on Board (FCOB).

48 Flip Chip

49 Speciální čipy (např. TAB)

50 TAB

51 TAB