Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem MIKROELEKTRONIKA, VIEEA306 Technológia: alaplépések, a tanszéki processz http://www.eet.bme.hu/~poppe/miel/hu/02-pmos-technologia.ppt http://www.eet.bme.hu Technológia Alapvető technológiai lépések Egyes gyártóberendezések 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 2 1
Alapvető gyártási lépések Rétegleválasztás vagy növesztés: új anyagréteg jön létre a félvezető (szilícium) szelet teljes felületén Struktúrálás (patterning): a kialakított anyagrétegben mintázatot alakítunk ki fotoreziszt felvitele mintázat ráfényképezése a rezisztre, a reziszt előhívása mintázat átvitele a rezisztről valamilyen marási művelettel (etching) reziszt eltávolítása Külső adalékok mélységi bevitele: ion implantáció (korábban diffúzió) 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 3 Mintázat kialakítása Az eredeti mintázat egy fotomaszkon van üveg hordozón króm mintázat Nagy pontossági igény: 0.03µm / 30cm! 10-7 Látható fény: λ=0.3-0.6 µm deep UV-re van szükség! 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 4 2
Monolitikus IC-k Mono lit = egy kő Mélységi struktúra Felületi struktúra (mintázat, pattern) MFS min. csíkszélesség a legfontosabb jellemző: 15 µm 0.18µm vagy még kisebb... 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 5 Mélységi struktúra kialakítása Rétegleválasztás / rétegnövesztés: epitaxiális réteg növesztése (a meglévő Si egykristállyal egyező szerkezetű, esetleg másképp adalékolt réteg) ma pl.: IBE ion-beam epitaxy: atomi rétegek leválasztásának a lehetősége / kvantumos hatások lehetősége az eszközökben oxidáció (SiO 2 leválasztás vagy növesztés) vákuumpárologtatás (evaporation) pl. Al fémezés Egyéb rétegleválasztási módszerek katódporlasztás (sputtering) CVD: chemical vapor deposition kémiai gőzfázisú leválasztás, stb. 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 6 3
Epitaxiális rétegnövesztés A klasszikus epitaxia: egykristályos réteg hozzánövesztése a hordozóhoz gőz vagy folyadék fázisból Si szeletek ~1200 o C 4 2 2 + SiCl + H Si 4HCl A növesztett réteg kristályszerkezet u.a. mint szubsztráté 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 7 Epitaxiális rétegnövesztés Molekula sugaras epitaxia: ún. kvantum eszközök készülnek ilyennel MBE: molecular beam epitaxy Oxidnövesztés Termikus oxidálás (900-1200 o C) Kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) d SiO ~ 2 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 8 t 4
Epitaxiális rétegnövesztés A SiCl 4 /H 2 arányától függően egkristály növesztése polikristályos Si növesztése: poliszilícium lehet még amorf szilíciumot is létrehozni maratás Adalékolni is lehet! 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 9 Vákuumpárologtatás Szabad úthossz > edény mérte Fémezés: ~0.1-0.5 µm Ma: elektronsugaras forrás 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 10 5
Katódporlasztás Kis nyomáson gázkisülés (pl. Ar atmoszférában) hordozza a leválasztandó anyagot Nagyfrekvenciás meghajtással szigeteleő anyagok is porlaszthatók 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 11 Mélységi struktúra kialakítása Adalék atomok bevitele a Si-egykristályba tulajdonságainak módosítása végett Egyszerű 2D nézet 3D gyémántrács V. oszlopbeli adalék (5 v.é): extra elektron DONOR n-típusú Si III. oszlopbeli adalék (3 v.é.): elektron hiány ACCEPTOR p-típusú Si 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 12 6
Az adalékolás szelektivitása? A SiO 2 kitűnően maszkolja az adalék atomokat (ellenálló, összefüggő réteg GaAs-nél ilyen nincs) Ahol ablak van benne, ott behatolnak az adalékok Diffúzió mély profil Ion implantáció sekély profil A SiO 2 mintázat maszkolja 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 13 Mélységi struktúra kialakítása Adalékok bevitele diffúzióval Az adalék atomok diffundálnak az igen nagy hőmérsékletű Si-ban Mozgató az atomok energiájának statisztikus eloszlása: intersticiális vándorlás: helycsere a Si atomokkal hibahelyeken vándorlás Milyen mélységi eloszlás alakul ki? Fick törvények: J c = D x D = D(T )! c J = t x 2 c c = D 2 t x 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 14 7
Diffúzió Egy fontos megoldás: c( x,0) = M 0 δ ( x) 2 ( x / Dt) M 0 c( x, t) = exp 4 4πDt Gyakorlati végrehajtás 2 lépésben elődiffúzió (pl. 1100 o C, 3 óra) behajtás / drive-in (pl. 1240 o C, 1 óra) Ma: ion implantáció után végső profil kialakítása 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 15 Diffúzió A diffúziós kályha (furnace) kvarc csónak A SiO 2 mintázat maszkolja 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 16 8
Ipari méretű diffúziós kályha 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 17 Ion implantáció Tömegspektrométerrel egy ionsugárból kiválasztott ionokat lövünk a Si szeletre mint target-re Az adalékok kezdeti eloszlása az ionsugár energiájától és dózisától függ Az implantációt hőkezelés követi a szilícium egykristály szerkezetének helyreállítása az adalékok behajtása: végső adalékeloszlás (adalék profil) kialakítása ~100 kv nagyságrendű feszültség 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 18 9
Ion implantáció Átlagos behatolási mélység, körülötte véletlen eloszlás Gauss profil r = mv qb A SiO 2 mintázat maszkolja 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 19 Ion implantáció Alacsony hőmérsékletű lépés. Előny: korábbi adalékprofilokat nem nagyon rontjuk el A SiO 2 mintázat maszkolja 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 20 10
A felületi struktúra kialakítása Fotolitográfiával ez minden mintázatkialakítás (patterning) első lépése Az oxidlépcsők problémája: step coverage Ablaknyitás az oxidon - fotolitográfiával 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 21 Struktúrálás: fotolitográfia 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 22 11
Az ablaknyitás lépései Fémezés mintázatához teli-fémezés fotoreziszt fényképezés, előhívás fölösleges fém kimaratása reziszt eltávolítása 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 23 Fotolitográfia Sárga fényű helyiségben a reziszt UV-re érzékeny, sárgára nem EET, V2 306 IC gyár valahol a világban EET, V2 306 Monolit IC Labor, Mikroelektronika szakirány az EET-n 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 24 12
Egy egyszerű pmos technológia Technológiai lépések az EET Félvezető Laboratóriumában (tiszta szobájában) 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 25 Szelettisztítás 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 26 13
Vastagoxid-növesztés (ún. field oxide) 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 27 Fotolitográfia: reziszt cseppentés, felpörgetés 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 28 14
Fotolitográfia: maszkillesztés 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 29 Fotolitográfia: megvilágítás 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 30 15
Fotolitográfia: előhívás 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 31 Mintázat átmásolása: az oxid kimarásával 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 32 16
Fotolitográfia: oxidmarás, lakkeltávolítás 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 33 Bórdiffúzió szilárd fázisból, elődiffúzió 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 34 17
Bórüveg eltávolítása 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 35 Bórdiffúzió második lépése: behajtás (oxigénben) 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 36 18
Vékonyoxid-növesztés Fotolitográfia: Alumínium vákuumgőzölése ablaknyitás lakk eltávolítása a gate a gate-oxid fémezés számára számára céljára 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 37 Fotolitográfia: Kész struktúrafém lakk vezetékhálózat eltávolítása kialakítása 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 38 19
Darabolás, eutektikus kötés, termokompresszió 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 39 napelem készítése Akit érdekel, érdeklődhet Tímárné Horváth Veronika c. docensnél vagy Juhász László adjunktusnál Lehetőségek: Monolit IC készítése Napelem készítés választható tárgyak, valamint: TDK (érdeklődni: Bognár György TDK felelősnél) Önálló labor (érdeklődni: Bognár Györgynél, Tímár tanár nőnél) Szakdolgozat (érdeklődni: Kollár Ernőnél) 2011-09-13 Mikroelektronika - Technológiai áttekintés Poppe András, Székely Vladimír & Juhász László, BME-EET 2008-2011 40 20