A chipgyártás vegyész szemmel Alkímia ma

Átírás

1 A chipgyártás vegyész szemmel Alkímia ma Rohonczy János ELTE, Kémiai Intézet Budapest, február 7.

2 Mikroelektronika napjainkban számítógép mobiltelefon MP3-lejátszó GPS háztartási gépek: lakásriasztó, mikrosütő, mosógép, TV, DVD labor- és ipari műszerek gépjárművek: gyújtásvezérlés, riasztók, kipörgésgátlók... világítástechnika: energiatakarékos világítás, LED-ek Mikroelektronika alapjai Modern (kvantum)fizika félvezetők Új kémiai anyagok "egzotikus" elemek Fotolitográfia

3 Mikroelektronika történelme W. Shockley, J. Bardeen, W. Brattain 1947 Tranzisztor 1958 Integrált áramkör (IC) 1971 Mikroprocesszor Gordon E. Moore, az Intel egyik alapítója Moore (1965): "A legalacsonyabb árú komponens összetettsége évenként durván a kétszeresére nőtt" A tranzisztorszám 18 havonta megkétszereződik

4 Csíkszélesség csökkenése nm Intel 4004 (1972: Intel 8008) nm Intel 8085 (1979: Intel 8088) nm Intel nm Intel nm Intel nm Intel 80486DX4, (P-I (66MHz), PowerPC 601) nm Intel PentiumPro, (1997: AMD K6) nm Intel P-II (DEC Alpha, AMD K6-2) nm P-III Coppermine nm P-III Tualin nm P nm P-4, Core2, Xeon, AMD Athlon64, IBM Cell nm Intel Xeon, Penryn (2012: 32, 22, 16 nm Intel) 1 nm 4 db Si atom

5 Félvezetés sávelmélete 1 kötés rács szilícium gallium-arzenid Lazító pálya Kötő pálya Vezetési sáv Tiltott sáv Vegyértéksáv Si egykristály sávjai és irányfüggésük Rekombináció: fononokkal - hő GaAs egykristály sávjai Rekombináció fotonnal - fény

6 Félvezető dióda N-P átmenet N-típus e - -vezető P-típus lyukvezető Kiürített réteg (h.dr. V.Gavryushin, h.dr. A. Žukauskas)

7 Bipoláris tranzisztor áramvezérelt eszköz kisebbségi töltéshordozóval

8 Félvezető elemek IV. oszlop elemei: C, Si, Ge, Sn Egyebek: B, P, As, Sb, S, Se,Te, I 2 Legfontosabb: szilícium gyémántrács atomtávolság: 0,24 nm termikus félvezető: E gát =1,12 ev jó hővezető magas olvadáspont jól kristályosodik: 30 cm átmérőjű egykristályok stabil oxidréteg: SiO 2 max. üzemhőmérséklet: 150 fok Energia gát : C gyémánt : 5,50 ev Si : 1,12 ev Ge : 0,66 ev GaAs : 1,41 ev

9 Hagyományos csipgyártás lépései UV fény O 2 + H 2 O Fotolakk HF maratás As-diffúzió HF maratás SiO 2 p-si n-si

10 Planáris bipoláris tranzisztor Planáris tranzisztor kialakítása B/E áram C/E áramot vezérel áramerősítő eszköz

11 MOSFET tranzisztor Kapu-ellenállás > Ohm Feszültségvezérelt eszköz kis fogyasztás, lassú

12 Szilíciumgyártás összefoglalása

13 Szilícium alapanyag-gyártás 1. Ivkemence, SiO 2 felesleg SiO 2 + C Si + 2 CO 2. SiHCl 3, SiCl 4 Si + 3 HCl SiHCl 3 + H 2 (350 C) 3. Desztillálás 4. Redukció (Zn vagy Mg) SiCl Mg Si + MgCl 2 vagy 1150 C 2 SiHCl 3 Si + 2 HCl + SiCl 4 Tisztaság: szennyezők <10-9

14 Si egykristálynövesztés Jan Czochralski 1916 Lengyelország.

15 Egykristálynövesztés zónaolvasztással Germanium ingot in graphite crucible, undergoing zone-melting purification (CSIRO Radiophysics Laboratory, 1953).

16 Ostya szeletelése Gyémántvágó 30 cm átmérő 0.75 mm vastagság {0,0,1} kristálylap

17 Szennyezett réteg kialakítása Ötvözés két szilárd fázis határán a tabletta megolvad, ötvöz n-ge és Au/1Ga tű (aranytűs dióda) Termodiffúzió pl. As p-ge-ba, magas hőmérsékleten Ion-implantáció ionok belövése nagyvákuumban PVD fizikai gőzleválasztás Al, AuNi, ITO Arc-PVD katódos ív-leválasztás TiN, TiAlN, CrN, ZrN, TiAlSiN, C gyémánt, C tetraéderes-amorf

18 Ion-implantáció Csak kevés atom bevitelére (ua ion-áram) Tipikus E = kev (max. 5 MeV) nm behatolás, torzulások E<1 kev ion beam deposition torzulásmentes beépülés néhány nm mély

19 PVD - Sputter leválasztás (sercegő) E = néhány 10 ev ( K), széles energiaspektrum Szubsztrát: félvezető Film: Al, TiN barrier üveg ZnO, SnO 2, TiO 2, ITO műanyag Al (CD, DVD) fém TiN, TiCN (Ti + N 2 reakciójával) ITO = 90% In 2 O % SnO 2 színtelen, vezető film

20 CVD Chemical Vapor Deposition CVD kémiai gőzleválasztás plasma-assisted CVD, hot wall CVD, aerosol spray pyrolysis (ASP) microwave-assisted CVD MOCVD fémorganikus kémiai gőz-leválasztás MOVPE fémorganikus gőzfázisú epitaxia MBE molekula-sugár epitaxia Epitaxiális növesztés Maghatár nélküli, orientált növesztés egykristályon. Me 3 In +PH 3 = InP + 3 CH kpa gáznyomás ELTE, Kémiai Intézet Fizikai Fémorganikus Kémiai Laboratórium (FFKL) Prof. Szepes László, Dr. Vass Gábor

21 CVD Prekurzorok CVD prekurzorok Al Ga In Me 3 Al, Et 3 Al Me 3 Ga, Et 3 Ga, i-pr 3 Ga Me 3 In, Et 3 In, i-pr 2 MeIn Ge i-bugeh 3, Me 2 N-GeCl 3 N Ph-NH-NH 2, Me 2 N-NH 2, NH 3 P PH 3, t-buph 2 As AsH 3, Ph-AsH 2, t-buash 2 Sb Me 3 Sb, Et 3 Sb, SbH 3 Cd Me 2 Cd Te Me 2 Te, Et 2 Te, i-pr 2 Te Felhasználás GaAs AlGaAs AlGaInP AlGaN AlGaP GaAsP GaAs GaN GaP InAlAs InAlP InSb InGaAs InGaN InGaP InN InP InGaAlAs InGaAlN InGaAsN InGaAsP ZnO ZnS ZnSe HgCdTe

22 MOCVD MOVPE Metalorganic chemical vapor deposition, Metalorganic vapor phase epitaxy CVD készülék vázlata Epitaxiális kémiai leválasztás Me 3 In +PH 3 = InP + 3 CH 4

23 MBE -Molecular Beam Epitaxy Molekulasugár-epitaxiális leválasztó berendezés

24 Szigetelő rétegek maratása Litográfiai maszk Szigetelő réteg Félvezető réteg Dielektrikumok SiO 2, Si 3 N 4 low-k: SiO 2 :F, SiO 2 :C, poliimid/sio 2 (SILK),... high-k: TiO 2, ZrO 2, HfO 2 Maratás fajtái Nedves maratás Anizotróp nedves maratás Si: KOH szelektivitása 400 a Si <100> és <111> síkjaira Plazma maratás Anizotróp maratás lényege Gondok Izotróp alámaródás Szelektivitás

25 Nedves és száraz maratási módszerek Réteg anyaga Si Al 80% H 3 PO 4 + 5% ecetsav + 5% HNO 3 + H 2 O (35-45 C) Cl 2, CCl 4, SiCl 4, BCl 3 In 2 O 3 :SnO 2 HCl + HNO 3 + H 2 O (1:0,1:1) (40 C) - Cr Mo, Ta, W Ti szerves HNO 3 + HF SiO 2 CF 4, SF 6, NF 3 HF vagy NH 4 F + HF CF 4, SF 6, NF 3,CCl 2 F 2 Si 3 N 4 85% H 3 PO 4 (180 C, SiO 2 maszk kell) CF 4, SF 6, NF 3 (NH 4 ) 2 Ce(NO 3 ) 6 + HNO 3 vagy HCl - - H 2 SO 4 + H 2 O 2 Nedves (izotróp) maratás - CF 4 BCl 3 O 2 Plazma maratás Plazma-maratás plasma-etching torr plazma, semleges gyökmolekulákat tartalmaz izotróp Reaktív-ion-maratás (RIE) és Deep-RIE 10-3 Torr Torr Ar + ion nagyon anizotróp, rossz szelektivitású Ion-malom, sercegő maratás (Ion milling, vagy sputter etching) 10-4 Torr (10 mpa) Ar + ion nagyon anizotróp, rossz szelektivitású

26 HKMG tranzisztor Régi SiO 2 poli-si kapu HKMG high-k fémkapu Új High-k anyagok TiO 2, ZrO 2, HfO 2

27 Atomi szintű rétegképzés

28 Al vezetékezés PVD-vel Réz jobb vezető lenne, de ötvözi a Si-ot

29 Rézvezetékezés Double Damascene eljárás (coppermine) Eljárás lépései 1. SiO 2 maszk felvitele a félvezetőre 2. SiO 2 árok maratása plazma-maratással 3. Si védése TiN, TaN, TaSiN barrierrel (PVD) 4. Cu kémiai növesztése 5. Cu elektrolízise 6. Polírozás (CMP) 7. Ismétlés akár 9 réteg réz felvitele

30 Rézvezetékezés (Coppermine technológia) Réz felvitele elektrolízissel Kemomechanikai polírozás

31 CMP Kémiai-mechanikai-polírozás Kémiai maratás + csiszolás Polírozott felületek Cu, Al, W, SiO 2, C Polírozószer Anyag: SiO 2, Al 2 O 3, CeO 2 Méret: nm Töménység: % Adalékok: oxidálószerek, pufferek, felületaktív anyagok, komplexképzők, korróziós inhibitorok

32 Csipfelület rézvezetékekkel

33 Csip szeletelése UV-DPSS laser (355 vagy 266 nm) (DPSS Dióda-pumpálásos szilárdtest lézer) Vágási sebesség 150 mm/sec GaAs-ben Szélesség 2.5 µm.

34 Csip bekötése Termokompresszió, ultrahang 40 um Au, 400 C 10 um Cu (barrier kell) Leszorítás: Al Termokompresszió: 95Al5Si Csiphuzalozó robot

35 Flip-csip tokozás AuNi UBM Forrasztás AuNi-hez Forrasztás Cu-hez

36 Nem-szilícium szubsztrát alkalmazása Elektromos vezetés javítása Siggy, see-gee(ibm 1989) Strained silicon (Intel 2002, P-IV Prescott) Si/Ge felületen feszített Si: 35%-al gyorsabb tranzisztor (60 GHz-ig) Szubsztrát 75%Si, 25%Ge réteg d Ge = d Si közvetlenül nem elegyednek -epitaxiális növesztés Si felületen Hővezetés javítása, szivárgási áram csökkentés SOI: silicon on insulator Kiürített szubsztrátok Szubsztrát SiO 2, Si 3 N 4 üveg (LCD) Al 2 O 3 (zafir), Y 2 O 3, La 2 O 3 Ta 2 O 5, ZrO 2, HfO 2, HfSiON gyémánt (GaN/AlGaN epitax.) MOVPE Prekurzorok: SiH 4, SiCl 2 H 2, GeH 4, GeCl 4 Ujabb: i-bugeh 3, RGeCl 3, Me 2 N-GeCl 3 Szilícium zafíron Szilícium szigetelőn

37 Gyémánt-félvezetők Gyémánt hőálló 1000 fok tiltott sáv: 5,50 ev UV-LED: epitaxiális gyártás gyémánt szubsztrát / n-tip. / p-tip. / n-tip. gyémánt polikrist. gyémánt kell, p-tipus: Bór (kék) nyitófeszültség: 20 V rendezetlen {0,0,1} irányú Si-on {1,1,1} irányú Pt-án

38 Epitaxiális gyémántnövesztés Si Mo C 5 kw mikrohullámú CVD berendezés Gáz: mbar H 2, % CH 4, ppm B 2 H 6 Növekedés: µm/óra

39 SiC-félvezetők gyors kapcsoló hőálló 600 fok O 2 -nek ellenálló nagy tiltott sáv felhasználás LED, IC (Patriot rakéta) Más hordozójú félvezetők Si-hordozójú LED (1999 Motorola) GaAs rácsállandója 4%-al nagyobb a Si-nál Si / SrTiO3 / GaAs Gyémánt-félvezető hőálló 1000 fok tiltott sáv: 5,50 ev felhasználás UV-LED: epitaxiális gyártás gyémánt szubsztrát / n-tip. / p-tip. / n-tip. gyémánt polikrist. gyémánt kell, p-tipus: B (kék) nyitófeszültség: 20 V

40 GaAs típusú (III-V) félvezetők GaAs gyors ( GHz) törik nincs tömör oxidréteg védőréteg: SiO 2, Si 3 N 4 nehezen kristályosodik nincs hibátlan egykristály GaAs 800 fokon bomlik (As-gőz túlnyomás, Si 3 N 4 védőréteg) erősen irányfüggő tulajdonságok gőzdiffúció nem jó, epitaxiális szennyezés Al-fémkontaktus ötvözi fémkontaktus: Au/Ge, Au/Zn InP gyors hőállló kisebb küszöbfeszültség

41 Világítódiódák (LED) 1920 H. Round (Marconi Labs), 1955 R. Braunstein (RCA) IR GaAs, AlGaAs Vörös GaAsP, AlGaInP (660, 632, 626 nm) Narancs GaAsP, AlGaInP (615, 611, 605 nm) Sárga GaAsP, AlGaInP (590, 588 nm) Zöld GaP, AlGaP (565 nm) 1971 J. Pankove, 1980 Akasaki + Amano, 1990 kereskedelem Kék SiC, GaN (470 nm) Kék ZnSe / gyémánt Kék InGaN + SiC,Si, zafir szubsztrát (465 nm) Háromszínű InGaN / AlGaNP UV AlN / GaN / AlGaN / AlGaInN ( nm) Fehér UV LED + Y 3 Al 5 O 12 :(Ce/Tb/Gd) gránát

42 Lumineszkáló anyagok UV LED, Hg-gőz- és Xe-lámpákhoz, katódsugárcsőhöz vörös foszfor: Y 2 O 3 :Eu 3+ Y 2 O 2 S:Eu 3+ zöld foszfor kék foszfor fehér foszfor ZnS:Cu,Au Y 2 SiO 5 :Tb,Ce(5%) MgAl 11 O 19 :Ce,Tb BaAl 12 O 19 :Mn ZnS:Ag BaMgAl 10 O 17 :Eu 2+ Ca 5 (PO 4 ) 3 (F,Cl): (Sb/Mn) Y 3 Al 5 O 12 :(Ce/Tb/Gd) gránát

43 Félvezető Lézerek GaAs vörös legelterjedtebb zöld, kék vörössel pumpált átmenetek Anyag Hullámhossz (µm) Anyag Hullámhossz (µm) ZnS ZnO GaN ZnSe CdS ZnTe GaSe CdSe CdTe GaAs InP GaSb InAs Te PbS InSb PbTe PbSe

44 (AlIn)GaN kvantumvölgy lézer MQW Å AuNi kontaktus -féligáteresztő Å GaN:Mg réteg Å AlGaN:Mg réteg Å InGaN (SQW vagy multiple quantum well (MQW)) µm GaN:Si réteg 2. alacsony hőmérsékleten leválasztott GaN:Si vagy AlN puffer réteg µm c-irányú zafír hordozó

45 LED és fluoroszcens anyagok Uub Rg Ds Mt Hs Bh Sg Db Rf Ac Ra Fr Rn At Po Bi Pb Tl Hg Au Pt Ir Os Re W Ta Hf La Ba Cs Xe I Te Sb Sn In Cd Ag Pd Rh Ru Tc Mo Nb Zr Y Sr Rb Kr Br Se As Ge Ga Zn Cu Pd Rh Ru Mn Cr V Ti Sc Ca K Ar Cl S P Si Al Mg Na Ne F O N C B Be Li He H Lr No Md Fm Es Cf Bk Cm Am Pu Np U Pa Th Lu Yb Tm Er Ho Dy Tb Gd Eu Sm Pm Nd Pr Ce

46 Peltier-elem Bi 2 Te 3 neelium- félvezető Nagy termoelektromos koefficiens Fémezett Al 2 O 3 -on: p-típus Bi 2 Te 3 :Sb Mellette: n-típus Bi 2 Te 3 :Se,S

47 Fémes vezetők Vezeték: Cu, Cu/Ag, Cu/Zn, Cu/Sn, Al, Al/Mg/Si, Fe/C Csip-en belül Al/Si, Cu Kapuelektród Al, Si poli, Re, Ta Áramköri lapon: Cu Lágyforrasz: Sn/Pb, Sn/Pb/Sb,... Olvadóbiztosíték Cu, Sn/Pb Kontaktusok: Ag, Au, Pt, W Cu/Ag, Cu/Ag/Au, Ag/W, Cu/Ag/Ni Hőelemek: Cu-Cu/Ni, Fe-Cu/Ni, Pt-Pt/Rh, Cr/Ni-Ni Bimetall: Mn/Cu/Ni, Ni/Mn/Fe Ell.hegesztés: Cu/2Co/0.5Be, Cu/2Co/0.5Si Vastagréteg: Ag, Pd/Ag, Pd/Au, Pt/Au Szupravezetők: Nb 3 Sn (18,1 K), Nb 3 Ge (23,2 K) MgB 2 (39 K)

48 Mágneses anyagok Paramágneses anyagok lágy mágnesek Ferromágnesek kemény mágnesek Antiferromágnek Lágy mágnesek Felhasználás: transzformátor, villanymotor, generátor, fojtótekercs FeSi a-si transzformátor vasmag durva kristályos fémüvegek: mm vastag film METGLAS FeNi, FeCo, Fe (Permalloy mágneses árnyékolás) Lágyferrit: Mn/Zn-ferritek,Ni/Zn-ferritek Mágneses folyadékok: Fe 3 O 4 -szuszpenziók

49 Keménymágnesek Ferritek -Sr-ferrit, Ba-ferrit (pl. BaFe 12 O 19 ) Eá.: sajtolás, mágnesezés Tul.: nem korrodeál, savnak, lúgnak ellenáll Felh.: elektrotechnika, biztonságtechnika, rögzítéstechnika AlNiCo ötvözet (Al/Ni/Co/Fe/Cu) Eá.: öntés Tul.: durvakristályos, kemény, törékeny Felh.: motormágnes, mágnesasztal, kiemelő, jeladó, hangszóró TiConal Fe/25Co/15Ni/3Cu/8Al/2Ti-tartalmú Ritkaföldfém-mágnesek Neodímium -Nd 2 Fe 14 B Eá.: porkohászat Tul.: mérgező, korrodeál védelem: Zn, Ni-bevonat Felh.: motor, kuplung, autóalkatrész, rögzítéstechnika Szamárium -SmCo 5, Sm 2 Fe 17 N, Sm 2 Co 17 Tul.: hőálló, korrózióálló Felh.: motor, kuplung, rögzítéstechnika

50 Antiferromágnesesen csatolt (AFC) média (IBM 2001) 6 Angström (3 atom) Ru-film Adatsűrűség 100 Gbit /inch 2

51 Giant Magnetic Rezisztív olvasófej (GMR) Magnetorezisztív kvantummechanikai jelenség (1988) A. Fert és P. Grünberg 2007 fizikai Nobel-díj A B (B) antiparallel határfelületen nagyobb ellenállás

52 Elektrolit-kondenzátor Alumínium elektrolitkondenzátorok Al -Al 2 O 3 elektrolit/alfém Tantál- és nióbium-kondenzátorok Ta 2 O 5 dielektrikum Ta 2 O 5 dielektrikum Előnyei vékony, jó szigetelő + nagy felület = nagy kapacitás kis méret nedves -száraz elektrolit kevésbbé öregszik Nb 2 O 5 dielektrikum

53 Speciális felhasználási területek Fázisváltó média Ag/In/Sb/Te írható CD, DVD Szilárdtest-lézer Y 3 Al 5 O 12 :(Ce/Tb/Gd) gránát (YAG), Al 2 O 3 :Cr 3+ (rubin) Gáz-lézer He/Ne, CO 2 Fotokatód Cs 3 Sb - félvezető, Cs 2 O, ThO 2 Fotocella CdS, PbS, Se/Au, Si Mikrohullámú oszc. Y 2 Fe 5 O 12 gránát, LnFeO 3 (Ln-ortoferrit) Piezo-kristály SiO 2 (kvarc), BaTiO 3, PbZrTiO 3 Kerámia-szupravezetők YBa 2 Cu 3 O 7 (100 K-en) Dózismérők CaSO4:Dy, CaF2:Dy

54 Kémiai áramforrások Akkumulátorok fajtái Savas Pb NiCd NiMH Li-ion Ni(OH) 2 + OH - = NiO(OH) + H 2 O + e - H 2 O + M + e - = OH - + MH M = AB 5 A:La, Ce, Pr, Nd B: Mn, Co, Ni + Al M = AB 2 A: Ti, V B: Zr, Ni:Cr,Fe,Co,Mn LiC = C + Li + + e - 2 Li 0.5 CoO 2 + Li + + e - = 2 LiCoO 2 (LiMnO 2, LiFePO 4 ) (LiN(SO 2 CF 3 ) 2 ) vagy LiPF 6, LiBF 4, LiClO 4 (éterben, észterben)

55 Izotópok mikro-elektronikai alkalmazása Borofoszfoszilikát üvegek Si-csip felragasztása Kozmikus sugár, vagy atomreaktor: n forrás. DRAM felejt. 10 B + 1 n = 7 Li + 4 He Megoldás: 11 B-tartalmú üveg. 28 Si 16%-al jobb hővezető, mint a természetes Si (4,7% 29 Si) 241 Am füstdetektor (0,2 mg AmO 2, T 1/2 = 432 év)

56 Szén-nanotechnológia Szén-nanocső, mint kapcsolóelem M. J. Biercuk, N. Mason, and C. M. Marcus Nano Lett., Vol. 4, No. 1, 2004

57 PRAM fázisváltó memóra HDD-nél 1000 x gyorsabb 100 millió újraírás 1 pixelen 4 állapot 90 nm technológia

58 Elemek mikro-elektronikai alkalmazása H He Li Be B C N O F Ne Na M g Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba La Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra Ac Rf Db Sg Bh Hs Mt Ds Rg Uub Ce Pr Nd P m S m Eu Gd Tb Dy Ho Er T m Yb Lu Th Pa U Np Pu A m C m Bk Cf Es F m Md No Lr Csip: Si, Ge, Al, Ar, Ti, Ta, Cr, Mo, W Plazma: C, B, S, O, F, Cl, Ar LED: B, Al, Ga, In, N, P, As, Sb, Zn, S, Se Foszfor: Ba, Y, Cu, Ag, Au, Hg Mágnes:Nd, Sm, Ba, Sr, Fe, Co, Ni Eu, Gd, Tb Lágyforrasz, vezetők: Sn, Pb, Bi, Ag, Au, Cu, Al Kis.cső, He,Ne,Kr

59 Köszönöm figyelmüket!