Integrált áramkörök/1. Informatika-elekronika előadás 10/20/2007

Átírás

1 Integrált áramkörök/1 Informatika-elekronika előadás 10/20/2007

2 Mai témák Fejlődési tendenciák, roadmap-ek VLSI alapfogalmak A félvezető gyártás alapműveletei A MOS IC gyártás lépései 10/20/2007 2/48

3 Integrált áramkörök Az integrált áramkörök fejlődését az un. roadmap-ek irányítják. Ezek az elektronika és a mikroelektronika különböző szakértőinek közreműködésével készült önbeteljesítő előrejelzések a mikroelektronika fejlődési tendenciáira 10/20/2007 3/48

4 Mikroelektronika: az egyik leggyorsabban fejlődő iparág Moore törvény 1965-ben Gordon Moore megjósolta, hogy az egy lapkára integrálható tranzisztorok száma havonta megduplázódik (exponenciális növekedés) A jóslat továbbra is helytálló Az 1 millió tranzisztor/lapka határt az iparág a 80-as években törte át 2300 tranzisztor, 1 MHz-es órajel frekvencia (Intel 4004) millió tranzisztor, 2 GHz-es órajel frekvencia clock (Intel P4) millió tranzisztor, (HP PA-8500) More than Moore: elemsűrűség erőteljesebb fokozása, pl. 3D kialakítással (pl. RAM-ok, lásd pen drive-ok) 10/20/2007 4/48

5 A technológia trendjei: SIA roadmap Vezető ipari szakértők által folyamatosan frissített előrejelzések a mikroelektronikai technológiák (IC gyártás) várható fejlődési irányairól Year Chip size (mm 2 ) Signal pins/chip Clock rate (MHz) Wiring levels Power supply (V) High-perf power (W) Battery power (W) 1999 Feature size (nm) Mtrans/cm NTRS = National Technolgy Roadmap for Semiconductors SIA = 10/20/2007 Semiconductor Industry Association 5/

6 A DRAM kapacitás fejlődése Három évente 4-szeres növekedés: Kbit capacity/chip μm óra audio CD, μm 30 s HDTV μm μm átlagos könyv μm emberi agy, μm emberi DNS μm μm μm 1 A4-es gépelt oldal Year 10/20/2007 6/48

7 Növekvő disszipáció sűrűség A fogyasztás erőteljesebben nő, mint a lapkaméret, ezért a teljesítménysűrűség meredeken nő: Forrás: Intel Power Density (W/cm2) Rakéta fúvóka Atomreaktor 8086 Főzőlap P6 Pentium proc A disszipációsűrűség lesz a korlát Kulcskérdés a tokozás, a hűtés Year 10/20/2007 7/48

8 A méret csökkenés becsült üteme 10/20/2007 8/48

9 A tápfeszültség, a küszöbfeszültség és a gate oxid vastagságának csökkentése, a csatorna hossz csökkenésével Közeledés a fizikai határokhoz! 10/20/2007 9/48

10 A vezetékezés által okozott késleltetést csökkenteni kell. A késleltetés arányos a vezeték ellenállásával és kapacitásával. (pontosabban ld. később) Ellenállás csökkentése Aluminium helyett réz kapacitás csökkentése SiO 2 helyett más szigetelő anyag 10/20/2007 ε r = /48 Si

11 VLSI áramkörökkel kapcsolatos alapfogalmak Nyomtatott áramköri lapon tokozott integrált áramkörök (Számítógépi alaplap) 10/20/2007 Mikroprocesszor chip fényképe layout-ja

12 A chip keresztmetszete SiO 2 ~1μm Elektródák formálása ~10μm Szubsztrát (hordozó) Si, vastagság ~ 200μm 10/20/ /48

13 Tranzisztorok keresztmetszete SZIGETELÉS npn bipoláris tranzisztor n csatornás MOS tranzisztor

14 3 rétegű összeköttetés keresztmetszete (ma 5-7 rétegű fémezés is lehetséges) 10/20/ /48

15 Példa: Egy elkészült IC kis részlete, elektronmikroszkópi kép 10/20/ /48

16 Vertikális struktúra kialakítása: technológia Horizontális struktúra kialakítása: tervezés Időben és térben elkülönülnek A kettő közötti kapcsolatot az adott technológiához rendelt Tervezési szabályok adják meg. 10/20/ /48

17 VLSI áramkörök gyártástechnológiája: a planár technológia A planár szó arra utal, hogy az integrált áramkörök gyártása síkbeli elrendezésben történik. A gyártás síkja a félvezető szelet (wafer) felülete. Kiindulási alap: a rudakban készülő szilicium egykristály átmérőjű kb. negyed milliméter vastag szeletek Egy szeleten több ezer IC (chip vagy die) készül egyszerre Megmunkált félvezető szeletek darabolás előtt 10/20/ /48

18 A megmunkálás során a szeletek csoportosan járják végig a technológia lépéseit, egy ilyen csoport neve: party Az ábrán egy party-nak a diffúziós kályhába történő behelyezése látható A félvezető gyártás különösen nagy tisztasági igényű. A technológiai lépések un. tiszta szobák-ban történnek 10/20/ /48

19 10/20/ /48

20 10/20/ /48

21 10/20/ /48

22 10/20/ /48

23 10/20/ /48

24 10/20/ /48

25 10/20/ /48

26 Félvezető gyártás A félvezető gyártás során adalékolási, rétegfelviteli ill. litográfiai műveletek váltják egymást 10/20/ /48

27 Adalékolási műveletek: a felület bizonyos helyein a félvezető adalékolásának megváltoztatása. Módjai: Diffúzió Ionimplantáció Diffúzió: nagy hőmérséklet (kb.1000 C ) hatására a felületre felvitt adalék atomok bediffundálnak a sziliciumba, azokon a helyeken, ahol a felületet nem védi szilicium dioxid. A szilicium dioxid maszkol a diffúzióval szemben. 10/20/ /48

28 Diffúzió A diffúzióval létrehozott rétegek koncentráció eloszlása (adalékprofil) x = 0 a felület, növekvő x értékek a szeletre merőleges irányba mutatnak A felületi rétegek adalékoltsága erősebb Oldalirányú diffúzióval is kell számolni 28/48

29 Ionimplantáció: gyorsított ionok belövése az anyagba Ionimplantációval létrehozott réteg koncentráció eloszlása, x = 0 a felület, növekvő x értékek a szeletre merőleges irányba mutatnak 29/48

30 Az ionimplantáció előnyei a diffúzióval szemben: nagyobb pontosság, alacsony hőmérsékletű művelet nincsen oldalirányú méretkülönbség az ablak és a létrehozott terület között Hátrányai: károsítja a kristályszerkezetet Kevésbé termelékeny, mint a diffúzió 10/20/ /48

31 Réteg leválasztási eljárások Kémiai vagy fizikai módszerek, amikkel a teljes szelet felületét beborító, összefüggő réteget hoznak létre. Oxidáció A Si felületén a SiO 2 réteg létrehozása oxigén környezetben kb.1000 C hőmérséklet hatására. A felületen a SiO 2 réteg tökéletes szigetelő, vegyi anyagokkal szemben szelektíven viselkedik. A SiO 2 szerepe kettős: 1. gyártástechnológiai (maszkol) 2. elektronikai szigetel a felületi rétegek között (vastag oxid) MOS tranzisztorokban dielektrikum (vékony oxid) 10/20/ /48

32 Epitaxiális réteg növesztés A felületen olyan Si réteg létrehozása, ami az egykristályos szerkezetet folytatja, de pl. kisebb adalékolású C hőmérsékletű művelet. CVD (Chemical Vapor Deposition) Kémiai gőzfázisú reakció hatására amorf vagy polikristályos Si leválasztása a felületre PVD (Physical Vapor Deposition) Fizikai gőzfázisú reakció Fémrétegek leválasztására (porlasztás ill. vákum párologtatás) 10/20/ /48

33 Litográfiai eljárások Ezek segítségével hozzák létre a szilicium dioxidban a szükséges mintázatot. Lépései fotoreziszt felvitel a szeletre minta leképezés oxid marás A chip mintázatot a reticle, a szelet mintázatokat az un. maszkok tartalmazzák. Leggyakrabban a maszkokon keresztül történő megvilágítással hozzuk létre fototechnikai úton a SiO 2 -ben a szükséges mintázatot Minden technológiai lépéshez más maszk szükséges egy technológiát egy maszk sorozat definiál. A mintázatot (pattern data) számítógépi tervező programok készítik. 10/20/ /48

34 A minta leképezés lehetséges módozatai Chipenkénti fényképezés, léptetéssel Közvetlen szeletre irás Maszkolás 10/20/ /48

35 Fotolitográfiai lépések A szükséges mintázat kialakítása a SiO 2 -ban maszk Si-dioxid reziszt Si hordozó A megvilágított területeken a fotoreziszt anyag polimerizálódik, bizonyos oldószerekkel szemben ellenállóvá válik, így a maszk mintázat átkerül a fotorezisztbe. Si-dioxid Si hordozó Előhívás után 10/20/ /48

36 Oxid marás után: Si hordozó Si hordozó Tisztítás után: Adalékok (pl.diffúzió) Si hordozó A SiO 2 -ben kialakított mintázat maszkol a diffúzióval szemben

37 Egyedi műveletek A szeleteken végzett műveletek csoportos műveletek olcsók. Az egyedi műveletek drágák, minimalizálandók. Az ellenőrzési (tesztelési) lépésekből minél többet célszerű még a szeleten elvégezni, hogy a rossz csipeket ne tokozzák be. Szeletelés 10/20/ /48

38 Tokozás Jellegzetes tokozási módok. aranyhuzalos kikötésű (bondolt) tokozás flip chip tokozás 10/20/ /48

39 Tokozás ma nagy kihívás Bondoló automata Sok kivezetés finom pitch nagyfrekvenciás tulajdonságok hőelvezetés a környezetbe 10/20/ /48

40 MOS IC-k gyártásának lépései Keresztmetszet: oxid n + n + p + field implant p - Felület (Layout): Source/drain adalékolás Vékony oxid poli-si gate fémezés, kontaktus W L 10/20/ /48

41 10/20/ /48

42 10/20/ /48

43 Wafer probe 10/20/ /48

44 Intel 10/20/ /48

45 A szeleteket egykristályos szilicium tömbökből vágják 10/20/ /48

46 Pentium processzorok 6 és 8 szeleteken 10/20/ /48

47 Intel 486 processor PGA tokban (makett, Intel muzeum) 10/20/ /48

48 Kérdések Moore törvény Roadmap-ek szerepe, a ma érvényes legfontosabb adatok Hogyan lehet a vezetékezés által okozott késleltetést csökkenteni A Planár technológia főbb lépései A SiO 2 szerepe Mire szolgálnak a tervezési szabályok? Mire használják a félvezető gyártás során a diffúziót és mik a jellemzői? Mire használják a félvezető gyártás során az ion implantációt és mik a jellemzői? A fotolitográfia főbb lépései A MOS IC gyártás főbb lépései 10/20/ /48