Lidský vlas na povrchu čipu Více než tranzistorů v 45nm technologii může být integrováno na plochu tečky za větou.

Transkript

1 Studijní materiály Technologie výroby integrovaných systémů Jak integrovat Součástek na 1 cm 2 Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Je to velmi malý svět Je to velmi malý svět Lidský vlas na povrchu čipu Více než tranzistorů v 45nm technologii může být integrováno na plochu tečky za větou. From The Oregonian, April 07, 2008 Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Jiří Jakovenko Struktury integrovaných systémů - Katedra mikroelektroniky ČVUT FEL Proč křemík? Křemík - uvnitř monokrystalu Snadno dostupný - Druhý nejrozšířenější prvek v zemské kůře Plošně centrovaná kubická struktura Každý atom křemíku má čtyři sousedy se kterými tvoří vazbu 28, Si 2,33 g/cm 3 Křemík Proč 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 Si Defekty v monokrystalu Vakance Monokrystalický Amorfní Intersticiální poloha Frenkelova porucha Typ vodivosti křemíku Výrobní proces Příměsí 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 1,00E+15 1,00E+16 1,00E+17 1,00E+18 1,00E+19 1,00E+20 1,00E+21 Rezistivita [W.cm] Typ P Typ vodivosti P (Pozitivní) 10,81 5B Bór Typ vodivosti N (Negativní) 30, P Fosfor 74, As Arzén Proč 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 IO Příprava monokrystalů a substrátů Litografie Leptání Termická oxidace Si Difúze Implantace Fyzikální, chemické vytváření vrstev Epitaxe Pouzdření

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 IO = celé Speciální oděv, boty, rukavice, roušky STROPNÍ FILTRY Rychlost proudění 0,5 m/s Přetlak Pa Úprava teploty a vlhkosti částic Děrovaná podlaha Netěsnost Technologické pracoviště

4 Výroba integrovaných obvodů - video Příprava křemíkových plátků - Wafer 23BCE720D421E520&playnext=1&playnext_from=PL&index=30 Jeden čip Deska (Wafer) Dnes se používají až 12 (30cm) průměry Velikost křemíkových plátků Základní kroky přípravy substrátů 150 mm Růst monokrystalu Broušení hran Průměr v mm 200 mm 300 mm 3-4 roky 450 (6358) Ingot monokrystalu Broušení leštění (Plocha v cm²) 300 (706,8) 200 (314,1) 150 Odříznutí konců monokrystalu Leptání 125 (176,7) (44,2) 100 (78,5) (122,5) Výbrus fazet Leštění Slurry Polishing head (19,6) Rok zavedení : 450 mm Intel Samsung TSMC Řezání destiček Kontrola Polishing table Příprava monokrystalů Výroba monokrystalů Czochralského metoda tažení monokrystalu Držák monokrystalu a rotační mechanismus Křemík taje při 1415 C Pro porovnání železo při 1535 C, hliník při 660 C. Zárodek monokrystalu Monokrystal Roztavený Si Tavný kelímek Ohřev Ohřev Izolační pouzdro

5 Fotografie tažného zařízení Zonální tavba Opracování monokrystalu Držák Polykrystalický křemík Vstup inertního plynu Tavná zóna Typ vodivosti (P anebo N) a krystalografická orientace křemíkové jsou zakódovány ve vzájemné poloze hlavní a pomocné fasety. Odříznutí znečištěných konců RF Posuvná RF cívka Řezačka Úprava průměru Řezání fazet Zárodek monokrystalu Podložka Výstup plynu Křemíková deska řezání plátků Millerovy indexy Pomocná faseta P <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 Hlavní faseta Průměr: 300 mm, tloušťka: 825 µm <100> X (100) X (110) X (111) <111>

6 Oboustranné leštění Broušení a leštění substrátů Povrch desky musí být naprosto rovný bez jakýchkoli škrábanců a nerovností. Přesnost je v řádu nanometrů. Vrchní leštící deska Substrát Spodní leštící deska Brusný materiál From Smithsonian, 2000 Vyleštěný okraj desky Výroba křemíkových desek - video Ostré okraje desky jsou sraženy a vyleštěny kuli mechanické pevnosti. laylist&p=e513a3c80416fa47&index=0&playnext=1 Měření charakteristik substrátů Velikosti a vlastnosti plátků (waferů) Černé body Bílé body Zobrazovací optika Polopropustné zrcadlo Zdroj světla Čočka Zobrazovac í optika Světlo odražené díky nesourodosti povrchu Čočka Průměr (mm) Tloušťka ( m) Plocha (cm 2 ) Hmotnost (gramů)

7 Proč větší průměr? Defekty v procesu IO 88 čipů 200-mm deska 232 čipů 300-mm deska Předpokládáme mikroprocesory velikosti 1,5 x 1,5 cm Litografie a leptání 40% Poruchy motivu, přerušení spojů Difúze, termická oxidace, nanášení vrstev 25% Manipulace se substráty 10% Vliv okolí 25% Vzduch Chemické roztoky Plyny 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 polysi na SiO2) Motiv PolySi 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 Optická fotolitografie Suché leptání Definice ultrafialové oblasti l (nm) Ultrafialová oblast Viditelné spektrum EUV VUV DUV Mid-UV Ultrafialové Modrá Zelená Žlutá Oranžová 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 Optická maska Přenos motivu na čip UV zdroj světla Clona Sesazovací laser Další technologický krok Odstranění fotorezistu Mytí, sušení Nanášení fotorezistu Typické operace v jednom fotolitografickém cyklu expozice Vyvolání fotorezistu Leptání Clona je uzavřena během zaostřování a sesazování. Otevřena během expozice Kroková expozice: zaostření, sesazení, expozice, krokování a znovu dokola Optická maska obsahuje jeden či více motivů čipu Projekční optika Řízení posunu substrátů v X, Y, Z, q Výroba a druhy masek Fotolitografie projekční způsob 1) Aktivní oblasti 2) P-jáma implantace 3) N-jáma implantace 5) N + S/D implantace 6) P + S/D implantace 7) Kontaktní okna Počet vrstev masky Layout čipu 4) Poly gate 8) Metalizace Průřez strukturou Substrát Oxid Zdroj UV světla (výbojka) Fotolitografická maska Projekční systém Oplachovadlo 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. Projekčním systémem se na desku promítne obraz celé masky - deska se ozáří ultrafialovým světlem. Osvětlené 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 Optický systém litografu Leptadlo Ponořením desky do leptadla dochází k vyleptání odkrytého oxidu v oknech fotorezistu až po povrch křemíku - mokré leptání Ponořením desky do směsi kyseliny sírové a peroxidu vodíku se odstraní fotorezist Maskovací jednotka Kondenzátor Zrcátko Optický filtr Závěrka Mercury lampa Zrcátko Kondenzátor Zrcátko Colimátor Optická síťka Posun fáze (X, Y, q) Monitorovací jednotka Vlákno vá Poziční hlava lampy optika Elipsoidní zrcátko X-poloh. motor Projekční optika Optický zaostřovací senzor Interferometrické zrcátko q-z polohovací jednotka Y-polohovací motor Vakuový upínací mech. Fotolitografie Dnes UV světelné zdroje 248, 195nm (157nm) Velice drahé zařízení USD