Proč křemík? Je to velmi malý svět. Technologie výroby integrovaných systémů. Křemík - uvnitř monokrystalu. 14Si 2,33 g/cm 3 Křemík 28,0885

Transkript

1 Je to velmi malý svět Technologie výroby integrovaných systémů Jak integrovat Součástek na 1 cm 2 Vlas na povrchu čipu Je to velmi malý svět Řez strukturou CMS asivace Kontaktní ad Metal2 IMD1 W Via Metal1 licid oly Gate Spacer BSG W Kontakt Více než tranzistorů v 45nm technologii může být integrováno na plochu tečky za větou. Source N - Jáma Drain N Source N Drain - Jáma Epitaxní vrstva - From The regonian, April 07, 2008 Křemíkový Substrát roč křemík? Křemík - uvnitř monokrystalu Snadno dostupný - Druhý nejrozšířenější prvek v zemské kůře lošně centrovaná kubická struktura Každý atom křemíku má čtyři sousedy se kterými tvoří vazbu 28, ,33 g/cm 3 Křemík roč je křemík tak oblíben? Nejlevnější příprava vysoce čistého křemíku Vytváření termického oxidu planární technologie Relativně vysoká hodnota měrného odporu intrinsického křemíku 23 kw

2 Koncentrace [cm-3] Monokrystalický a amorfní Defekty v monokrystalu Vakance Monokrystalický Amorfní Intersticiální poloha Frenkelova porucha Typ vodivosti křemíku Výrobní proces říměsí některých prvků - dopantů - lze výrazně ovlivnit elektrickou vodivost křemíku bór, fosfor, arzén ,1 0,01 0,001 0,0001 Elektrická rezistivita křemíku v závislosti na koncentraci příměsí 10 1 Typ N 1,00E15 1,00E16 1,00E17 1,00E18 1,00E19 1,00E20 1,00E21 Rezistivita [W.cm] Typ Typ vodivosti (ozitivní) 10,81 5B Bór Typ vodivosti N (Negativní) 30, Fosfor 74, As Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky Arzén ČVUT FEL roč je integrace tak výhodná? Vyšší funkční schopnost Vyšší rychlost Vyšší spolehlivost Nižší spotřeba energie Nižší cena Vytváření miliard identických elektronických součástek se 100% stavem Základní operace vytváření I říprava monokrystalů a substrátů Litografie Leptání Termická oxidace Difúze Implantace Fyzikální, chemické vytváření vrstev Epitaxe ouzdření

3 Čisté prostory V běžném prostředí je asi prachových částic v krychlovém metru vzduchu. V takovém prostředí se by byla výroba polovodičových součástek nemožná Nasávání čerstvého vzduchu Výfuk odsávání Čistota = půl zdraví Ve výrobním procesu I = celé Speciální oděv, boty, rukavice, roušky STRNÍ FILTRY Rychlost proudění 0,5 m/s řetlak a Úprava teploty a vlhkosti částic Děrovaná podlaha Netěsnost Technologické pracoviště

4 říprava křemíkových plátků - Wafer Jeden čip Deska (Wafer) Dnes se používají až 12 (30cm) průměry Velikost křemíkových plátků Základní kroky přípravy substrátů 150 mm Růst monokrystalu Broušení hran růměr v mm 200 mm 300 mm 3-4 roky 450 (6358) Ingot monokrystalu Broušení leštění (locha v cm²) 300 (706,8) 200 (314,1) 150 dříznutí konců monokrystalu Leptání 125 (176,7) (44,2) 100 (78,5) (122,5) Výbrus fazet Leštění Slurry olishing head (19,6) Rok zavedení : 450 mm Intel Samsung TSMC Řezání destiček Kontrola olishing table říprava monokrystalů Výroba monokrystalů Czochralského metoda tažení monokrystalu Držák monokrystalu a rotační mechanismus Křemík taje při 1415 C ro porovnání železo při 1535 C, hliník při 660 C. Zárodek monokrystalu Monokrystal Roztavený Tavný kelímek hřev hřev Izolační pouzdro

5 Fotografie tažného zařízení Zonální tavba pracování monokrystalu Držák olykrystalický křemík Vstup inertního plynu Tavná zóna Typ vodivosti ( anebo N) a krystalografická orientace křemíkové jsou zakódovány ve vzájemné poloze hlavní a pomocné fasety. dříznutí znečištěných konců RF osuvná RF cívka Řezačka Úprava průměru Řezání fazet Zárodek monokrystalu odložka Výstup plynu Křemíková deska řezání plátků Millerovy indexy omocná faseta <100> Desky se řežou z monokrystalického křemíkového válce, dle požadované krystalografické orientace. V praxi se používají orientace : <111> a <100>. Z Z Z Y Y Y lavní faseta růměr: 300 mm, tloušťka: 825 µm <100> X (100) X (110) X (111) <111>

6 boustranné leštění Broušení a leštění substrátů ovrch desky musí být naprosto rovný bez jakýchkoli škrábanců a nerovností. řesnost je v řádu nanometrů. Vrchní leštící deska Substrát Spodní leštící deska Brusný materiál From Smithsonian, 2000 Vyleštěný okraj desky Výroba křemíkových desek - video stré okraje desky jsou sraženy a vyleštěny kuli mechanické pevnosti. laylist&p=e513a3c80416fa47&index=0&playnext=1 l8&feature=relmfu 23BCE720D421E520&playnext=1&playnext_from=L&index=30 Měření charakteristik substrátů Velikosti a vlastnosti plátků (waferů) Černé body Bílé body Zobrazovací optika olopropustné zrcadlo Zdroj světla Čočka Zobrazovac í optika Světlo odražené díky nesourodosti povrchu Čočka růměr (mm) Tloušťka ( m) locha (cm 2 ) motnost (gramů)

7 roč větší průměr? Defekty v procesu I 88 čipů 200-mm deska 232 čipů 300-mm deska ředpokládáme mikroprocesory velikosti 1,5 x 1,5 cm Litografie a leptání 40% oruchy motivu, přerušení spojů Difúze, termická oxidace, nanášení vrstev 25% Manipulace se substráty 10% Vliv okolí 25% Vzduch Chemické roztoky lyny Člověk Úlomek křemíku Defekty v procesu 25% 80% Výtěžnost x velikost čipu Cena čipu x výtěžnost Výtěžnost Množství _ dobrých _ čipů _ na _ desce Y.100% Celkové _ množství _ čipů _ na _ desce Litografie Aneb - Jak dostat topologii čipu na křemík Cena _ desky Cena _ čipu Množství _ čipů _ na _ desce Y Motiv fotorezistu po jeho vyvolání (na této fotografii je nanesena vrstva poly na 2) Motiv oly po odleptání a odstranění fotorezistu.

8 Druhy litografie: Fotolitografie Elektronová litografie Rentgenová litografie Litografie a leptání Je jedním z rozhodujících faktorů, které ovlivňují hustotu integrace ptická fotolitografie Suché leptání Definice ultrafialové oblasti l (nm) Ultrafialová oblast Viditelné spektrum EUV VUV DUV Mid-UV Ultrafialové Modrá Zelená Žlutá ranžová Červená Elektronová s přímou expozicí Rentgenová fotolitografie i h g 5 1,0 0,5 0,2 0,1 0,05 0,2 0,01 m laser Mercury lamp Fotolitografie oxidace ptická maska řenos motivu na čip UV zdroj světla ona Sesazovací laser Další technologický krok dstranění fotorezistu Mytí, sušení Nanášení fotorezistu Typické operace v jednom fotolitografickém cyklu expozice Vyvolání fotorezistu Leptání ona je uzavřena během zaostřování a sesazování. tevřena během expozice Kroková expozice: zaostření, sesazení, expozice, krokování a znovu dokola ptická maska obsahuje jeden či více motivů čipu rojekční optika Řízení posunu substrátů v X, Y, Z, q Výroba a druhy masek Fotolitografie projekční způsob 1) Aktivní oblasti 2) -jáma implantace 3) N-jáma implantace 5) N S/D implantace 6) S/D implantace 7) Kontaktní okna očet vrstev masky Layout čipu 4) oly gate 8) Metalizace růřez strukturou Substrát xid Zdroj UV světla (výbojka) Fotolitografická maska rojekční systém plachovadlo Vývojka Negativní fotorezist Křemíková deska s vrstvou termického oxidu. Na desku se nanese lak citlivý na světlo - fotorezist. Během nanášení fotorezistu se rychlou rotací lakované desky dosáhne jeho rovnoměrné rozvrstvení po celé ploše. rojekčním systémem se na desku promítne obraz celé masky - deska se ozáří ultrafialovým světlem. světlené části fotorezistu polymerizují a stanou se nerozpustné ve vývojce. Vývojkou se z desky odstraní neosvětlený fotorezist a pak se deska opláchne.

9 Fotolitografie a leptání ptický systém litografu Leptadlo onořením desky do leptadla dochází k vyleptání odkrytého oxidu v oknech fotorezistu až po povrch křemíku - mokré leptání onořením desky do směsi kyseliny sírové a peroxidu vodíku se odstraní fotorezist Maskovací jednotka Kondenzátor Zrcátko ptický filtr Závěrka Mercury lampa Zrcátko Kondenzátor Zrcátko Colimátor ptická síťka osun fáze (X, Y, q) Monitorovací jednotka Vlákno vá oziční hlava lampy optika Elipsoidní zrcátko X-poloh. motor rojekční optika ptický zaostřovací senzor Interferometrické zrcátko q-z polohovací jednotka Y-polohovací motor Vakuový upínací mech. Fotolitografie Leptání základní druhy Dnes UV světelné zdroje 248, 195nm (157nm) Velice drahé zařízení USD xid Fotorezist 2 xid Fotorezist 2 xid Fotorezist 2 Křemíková deska Křemíková deska Křemíková deska Mokré chemické leptání lazmatické leptání Reaktivní iontové leptání Subtraktivní leptací proces Aditivní leptací proces Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Anizotropní a izotropní leptání Anizotropní leptání na křemíku Anizotropní leptání Izotropní leptání Fotorezist xid Fotorezist xid Křemíková deska Křemíková deska Stupeň Anizotropie A f = 1 V / V V ři izotropním leptání je Af = 0 Selektivita k rezistu S FM = V F / V M VF >> VM Selektivita k podložce S FS = V F / V S Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL

10 Tloušťka [nm] Rozvod pracovních plynů lazmatické leptání Leptání nitridových vrstev, odstránění fotorezistu Využívá se vysoké reaktivity atomů fluoru které vznikají při rozpadu molekul freonu CF4 při velmi vysoké teplotě s přísadou kyslíku Jednodeskové uspořádání Jednodeskové uspořádání Výhodou je dosažení větší přesnosti leptání N 2 2 CF a racovní komora N 2 2 CF 4 Asanace odpadních plynů Asanace odpadních plynů Víko Lodička s deskami Vysokofrekvenční generátor Rotační vývěva Vysokofrekvenční generátor Rotační vývěva Termická oxidace xidační (difúzní) pec Na vzduchu vznikne tenká vrstva oxidu (1-2 nm) ři vyšší teplotě (800 C až 1200 C) jsou molekuly kyslíku schopny difundovat přes oxid. 44% tloušťky vrstvy je pod původním povrchem křemíku a 56% nad ním 1000 C ůvodní povrch 1100 C 1000 C 56% 44% Voda Kyslík Čas [min] Závislost tloušťky vrstvy na času oxidace. Teplota v peci je 400 až 1200 C Trubice je z křemenného skla Vstup plynů Asanace odpadních plynů plynů Asanace plynů Asanace odpadních plynů plynů xidační pec - plynový systém Lokální oxidace maskovaná Nitridem xidace v kyslíku (směs kyslíku s dusíkem ) a) Depozice Nitridu Slouží jako oxidační maska b) řenesen motiv masky: Nitrid je vyleptán Vznik tačích hlav! c ) Lokální oxidace Spalovací komora racovní trubka z křemenného skla růtokoměry Regulační ventily N xidace ve vlhkém kyslíku - plynový systém je vybaven spalovací komorou, ve které hoří vodík v kyslíku. Spalováním vzniká vodní pára, která vstupuje do pracovní trubky Nitrid Limitující faktory lokální oxidace: - vznik ptačích hlav - růst i nahoru nerovný povrch xid

11 Isolace pomocí příkopů - STI STI: after plasma etch STI - Shallow Trench Isolation Depozice oxidu nitridu 3 N 4 3N 4 Depozice oxidu, který vyplní vyleptaný příkop (Není to termický oxid!) 2 3N 4 2 Maskované leptání 3 N 4 and 2 3N 44 2 CM broušení oxidu až na vrstvu nitridu 3N 4 Nitride on top of licon 2 2 Leptání 3N hloubka = ~ 350 nm; mělký dstranění nitridu ( 3 4 ) 2 The nitride will remain during oxide deposition, in order to protect the active area, also because the (critical) gate oxide will later be put over there, and also to serve as a stop layer for the STI CM Alternative: TES thermal decomposition in the presence of ozone STI: trench filling: D oxide igh-density plasma deposition ion sputtering (alternating) V přírodě jeden z nejčastějších procesů Rychlost difúze je silně závislá od teploty Difúze - princip Examples: (nitride is hardly visible) = Deposition Sputtering D-CVD Typical pyramidal profile with 45 sidewalls Void Difúze - princip Rychlost difúze je silně závislá na teplotě. V tuhých látkách je při pokojové teplotě téměř nepozorovatelná. ři teplotě kolem tisíce stupňů již postupuje i v tuhých látkách poměrně rychle. Difúze při vysokých teplotách se CuS 4 používá v polovodičové technologii jako metoda lokálního dotování. CuS 4 CuS 4 CuS 4 CuS 4 CuS 4 CuS 4 CuS CuS 4 4 CuS 4 Zdroj 1000 C Difúze Je proces, při němž pronikají atomy Rozdifundování je mechanismus, kdy se dopantu pod povrch křemíkové desky ve atomy dopantu pohybují v křemíku i když vybraných oblastech právě nedifundují z okolí. Teplotou, časem a chemickým složením lze xid na povrchu křemíkové desky musí nastavit hloubku nadifundované vrstvy a být dostatečně tlustý (kolem 500 nm) aby koncentraci dopantu při povrchu přes něj atomy fosforu nepronikly.

12 40 kilovoltů Difúzní pec - plynový systém Difúzní pec Difúze z kapalného zdroje - dusík probublává přes kapalinu a strhává sebou páry kapaliny do pracovní trubky, kam proudí i kyslík, reaguje s 3 a vzniká oxid fosforečný. racovní trubka z křemenného skla Vakuová difúze - zdrojem dopantu je jemný prášek z rozemletých dopovaných křemíkových desek. lanární difúzní zdroj 3 N 2 páry 3 Difúze z planárních difúzních zdrojů rášek z dopovaného křemíku Vakuum Křemíkové desky Křemíkové desky čelní stranou směrem k planárnímu zdroji N 2 2 N 2 růtokoměry Regulační ventily Další kyslík oxiduje povrch křemíkové desky. Tak vzniká na povrchu desky oxid křemičitý nasycen oxidem fosforečným. Až ten je nakonec zdrojem atomů fosforu pro difúzi do křemíku. Zátav ři difúzi z planárních zdrojů se dopant uvolňuje z keramických destiček nasycených oxidem dopantu uložených mezi křemíkovými deskami. N 2 2 Iontová implantace Iontový implantátor Iontová implantace je proces, při němž jsou "nastříleny" atomy dopantu pod povrch křemíkové desky. Ionty dopantu jsou urychlené elektrickým polem a nasměrované k povrchu desky a proniknou do jisté hloubky pod povrch křemíku 1000 C Během žíhání dochází také k difúzi atomů dopantu. Množství dopantu je důležitý parametr implantace nazývá se dávka. Do zdroje iontů se přivádí páry chloridu fosforitého - 3. Vlivem proudu elektronů ze žhavého vlákna ve zdroji iontů se molekuly chloridu fosforitého rozpadnou na atomy nebo shluky atomů s elektrickým nábojem - ionty. Vakuum - Magnet 3 Těžší ionty Lehčí ionty Zdroj iontů Urychlovač kilovoltů Štěrbina - Vychylovací systém Molekula chloridu fosforitého Kladné ionty fosforu a chloru Ionty jsou urychleny urychlovačem. Mezi elektrodami je 50 až 200 tisíc voltů. Křemíková deska Fosfor () Křemík dopován fosforem má typ vodivosti N Iontový implantátor - Magnet Fotografie magnetu Zdroj iontů clona magnet Iontový paprsek Lehké ionty Neutrální ionty Těžké ionty Grafit VIIon 80 analyzer magnet

13 Urychlovač Lineární urychlovač Elektrody 100 kv 80 kv 60 kv 40 kv 20 kv 0 kv Iontový svazek motnostní magnet Koncový vychylovací magnet Iontový svazek Vstup z magnetu Do vychylovacího systému Substrát Zdroj Skenovací disk 100 kv 100 MW 100 MW 100 MW 100 MW 100 MW Elektronová sprcha Epitaxní růst Zabraňuje nabíjení substrátu clona Sekundární elektronový cíl Sekundární elektrony Elektronové dělo Substrát Rekombinace Iont - elektron Epitaxe je narůstání vrstvy křemíku na povrchu křemíkové desky. Vrstva má stejné krystalografické vlastnosti jako podložka ale může mít jinou koncentraci příměsi anebo jiný příměsi. roces probíhá při vysoké teplotě C. Kolem rozžhavených desek proudí vodík. Když se přidá chlorovodík začne reagovat s křemíkem a odleptává povrch desky. To je důležité aby se odstranily všechny nečistoty anebo povrchové poruchy struktury křemíku. o oleptání povrchu se přivádí páry chloridu křemičitého 4. Ten při vysoké teplotě reaguje s přítomným vodíkem. Výsledkem reakcí jsou volné atomy křemíku které se usazují na povrchu křemíkové desky sledujíc její krystalovou strukturu. okud jsou přítomny molekuly fosfinu 3, vznikající atomy fosforu dopují rostoucí epitaxní vrstvu. odobně mohou být použity pro dopování i sloučeniny bóru. Výsledkem procesu je epitaxní vrstva tlustá několik mikrometrů až desítky mikrometrů. Epitaxní reaktor Křemíkové desky jsou uloženy na grafitovém bloku, který je v pracovní komoře z křemenného skla. Kolem komory je cívka indukčního ohřevu. Naprašování Atom argonu (Ar) naráží velkou rychlostí (desítky km/s) na povrch hliníkové desky a rozpráší několik atomů hliníku. Rozprášený hliník se usazuje na předmětech v okolí. V polovodičovém průmyslu se často naprašují vrstvy hliníku, stříbra, zlata, titanu, niklu anebo slitin hliníku s mědí a křemíkem (AlCu). Al Al Al Al N B 2 6 odvod plynů Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Ar Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al Al

14 Naprašování Terč je připojen k zápornému pólu zdroje vysokého napětí a pomocná elektroda -anoda - ke kladnému. Atomy argonu jsou výbojem ionizovány a elektrickým polem urychleny a nasměrovány na terč. Rozprášený hliník z terče se usazuje na deskách a vytváří naprášenou vrstvu hliníku. Magnetické pole magnetu umístěného za terčem zvyšuje účinnost procesu naprašování Zdroj vysokého napětí 1000 V Chemické nanášení CVD 4(plyn) 2(plyn) 2 (pevný) 22 (plyn) 4(plyn) 2(plyns) 2(plyn) 22(plyn) olylicon (pevný) Kontinuální tok plynů Křemíkové desky Difúze reaktantů Argon Vývěva liníková deska - terč Magnet Anoda raniční vrstva Deponovaný film substrát Metalizace vodivé spoje Dnes se Al nahrazuje Cu o 40% menší odpor Až 11 vrstev metalizace CM Chemicko Mechanická lanarizace Chemicko Mechanická planarizace / Leštění Mechanicky s chemickým leptáním, nebo chemicky s mechanickým broušením důvod planarizace povrchu s odstraněním přebytečného materiálu bez CM s CM Chemická reakce naleptá a změkčí povrch deponovaného materiálu, potom se mechanickým broušením povrch planarizuje. Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL roč CM? CM Chemicko Mechanická lanarizace Abychom se vyhnuli nehomogenit v dalších deponovaných vrstvách roblém s litografií hloubka ostrosti litografu Nerovný povrch = špatné zaostření motivu Držák desky řítlačná síla Suspenze Suspenze = chemické látky částice lavní použití: dialektrika: Kontakty mezi metalizací: metalizace: STI W propojky Cu damascene t2 < t1 Film brusných částic Wafer c p posun Rotační deska wafer Upínací deska t1

15 CM Chemicko Mechanická lanarizace růběžná kontrola procesu I ptická kontrola Měření testovacích struktur Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Kontaminace Materiály v polovodičové technologii Kontaminace křemíku vzniká difúzí nežádoucích příměsí ze znečištěného povrchu anebo okolí. Zdrojem jsou prachové částice, úlomky různých materiálů, znečištěné chemikálie a také člověk - pot, vlasy, částečky kůže. Většinou nedá rychle odhalit a projeví se zpravidla až při testování. VIDE 320 x 240 Čistota vody musí být na úrovni čistoty křemíku, tedy jedná se o jednotky až desítky gramů nečistot v tisíci tunách vody (tj. jeden milión litrů), deionizovaná voda. odobnou čistotu musí mít i jiné chemikálie jako jsou kyseliny, rozpouštědla a fotorezist. 196, Au Zlato 22,98977 Měď 11Na Sodík 63,546 29Cu Reverzní osmóza Uplatňuje se fyzikální zákon, že koncentrace roztoků se snaží vyrovnat. Velké molekuly modré skalice se nemohou dostat přes membránu. Voda, jejíž molekuly membránou projdou, proudí z levé části do pravé. Roztok modré skalice se zřeďuje - koncentrace klesá. Tlak, při kterém přestane voda proudit do pravé části, se nazývá osmotický tlak a proces osmóza. CuS 4 ouzdření ožadavky na pouzdra: Elektrické malé parazitní kapacity, indukčtnosti Mechanické spolehlivé a pevné Tepelné dobrý odvod tepla Ekonomické - levné CuS 4 CuS 4

16 ouzdření Křemíková deska s vyrobenými čipy se rozřeže diamantovou pilou na jednotlivé čipy. Dobré čipy se připájejí anebo přilepí do pouzdra. řívody se propojí s kontakty na čipu tenkým měděným drátem (0,15mm). Kontaktování čipů Wire Bonding Substrate Die ad Lead Frame Montáž na desku Typy pouzder (a) Through-ole Mounting (b) Surface Mount arametry pouzder Multičipové moduly