Mikroelektronika és technológia, IV. sz gyakorlat Integrált áramkörök mikroszkópi vizsgálata Célkitûzés: A gyakorlat célja az integrált áramkörök belsõ felépítésének megismerése. Fontos lehet ugyanis az alkalmazás során, hogy a teljes áramkörrõl legyenek ismereteink, s az IC ezekben ne csak mint egy fekete doboz szerepeljen. Az áramköri számítások során (modellezés) az egyes alkatrészeket rendszerint viszonylag egyszerû rétegszerkezetekkel veszik figyelembe. Ez általában nem okoz hibát az eszközök fontosabb jellemzõinek (pld. statikus karakterisztika) kiszámításakor, de a pontosabb modellezéshez lényeges lehet a felépítés pontosabb ismerete. A belsõ felépítés, a technológia ismeretében megalapozottabb döntések születhetnek a legmegfelelõbb alkatrészek kiválasztásával kapcsolatban, a szokásostól eltérõ alkalmazás pedig szinte minden esetben lényegessé teszi legalább a kimeneti és bemeneti fokozatok bizonyos fokú ismeretét. A fentiekben részletezettek mellett a gyakorlat lehetõséget ad a mikro szerkezetek vizsgálati eljárásainak (optikai-, és elektronmikroszkópia) megismerésére. A méréshez szükséges ismeretek: Optikai mikroszkópia: Az egyes áramköri elemek felismerését és azonosítását az optikai mikroszkópos vizsgálat során megkönnyíti az a tény, hogy a planáris technológia során azonos, illetve eltérõ kezelést kapott felületelemek azonos, illetve eltérõ színûek (az eltérõ oxidvastagság különbözõ interferencia színeket eredményez). 4.1. ábra. Bipoláris technológiával készített IC keresztmetszete A bipoláris technológia (4.1.-4.2. ábra) esetén az ezüstösen csillogó alumínium réteg alatt megtalálható legkisebb alakzat rendszerint a kontaktus ablak. Ennek belsejébõl indulva a kontúrok leszámlálásával sorban el lehet jutni az n+ emitter-diffúzió, a bázisdiffúzió és az n sziget határáig. A bázisdiffúzió alatt esetenként az eltemetett réteg kontúrjai is felismerhetõk. Ha a kontaktus ablakból indulva kevesebb számolható össze a szigetelõ p+ területig, akkor a 1
kontaktus ablak nem emitter diffúzióhoz csatlakozik, hanem a bázisdiffúzióhoz, illetve az n szigetbe készített n+ réteghez. A 4.2.a ábra egy bipoláris integrált mûveleti erõsítõ fényképe. A 4.2.b ábra ezzel fedésbe hozhatóan az áramköri kapcsolás. Az ábrák útmutatást adnak az egyes alkatelemek azonosításához. a.) b.) 4.2. ábra. A bipoláris integrált mûveleti erõsítõ fényképe (a) és a képpel fedésbe hozható áramköri kapcsolás (b). Az egyes alkatrészek megnevezése, szerepe: T1-T2: a bemeti differenciálerõsítõ, npn tranzisztor pár, T3-T4: pnp laterális tranzisztor pár, T5-T6: npn tranzisztorpár, a felerõsített jel a T6 kollektoráról a T16-T17 tranzisztorokon keresztül kerül a végfokozatra, T7: npn tranzisztor, T8: npn tranzisztor, T9-T12: npn tranzisztorokból felépített áramtükör, T10-T11-T13- T14-T15: pnp laterális tranzisztorok, táplálják a bemeneti differenciálerõsítõt, beállítják a T3-T4 pár bázisáramát, a T13-T14-T15 tranzisztorok közös zsebben helyezkednek el a T8 npn tranzisztorral, így ez utóbbi kollektora és az elõbbiek közös bázisa azonos (az ábrán "c"-vel jelölve), T16-T17: npn darlington tranzisztorok,t18: pnp tranzisztor, T19-T20-T21: npn tranzisztorok közös zsebben, közös kollektorral, T22: vertikális elrendezésû pnp végerõsítõ tranzisztor, kollektora a p hordozó, ehhez a p+ szigetelõ diffúzión keresztül csatlakozik a fémezés, ez egyben az áramkör legnegatívabb pontja, T23: nagyobb teljesítményû npn végerõsítõ tranzisztor, T22-vel komplementer kimenõfokozatot alkot, kollektorára kell kapcsolni a pozitív tápfeszültséget, R1: bázisdiffúzióval készített ellenállás, alatta eltemetett réteg, R2-R3: nagy értékû "megnyomott" ellenállások, R4-R5-R6: egyetlen, hosszú bázisdiffúziós csík, három helyen 2
meander alakzatban összehajtogatva, R7: nagy értékû "megnyomott" ellenállás,r8-r9: kis értékû, bázisdiffúzióval készített ellenállások, középleágazásuk a kimeneti pont, D1: npn bipoláris tranzisztorból kialakított dióda, bázisa és kollektora összekötve, D2: npn bipoláris tranzisztorból kialakított dióda, csak a bázisa és emittere van kivezetve. Ha az áramkör felületét vastag passziváló üvegréteg borítja, akkor az interferenciaszínek gyengülhetnek, vagy teljesen eltûnhetnek. A pásztázó elektronmikroszkópos vizsgálat során sem kapunk szín információt. Ekkor a különbözõ felületek a domborzat, valamint a topológia alapján, többé-kevésbé egyszerû szabályok alapján azonosíthatók. A bipoláris mûködési elvet kihasználó eszközök a hordozó néhány mikronos mélységig kiterjedõ felületi tartományát töltik ki (4.1. ábra), s a kisebbségi töltéshordozók árama az esetek többségében a tömb irányába folyik, tehát a felületre merõleges áramirányok jellemzõek az aktív eszközök mûködésében. Bár a technológiai fejlesztés egyre tökéletesebb határfelületek létrehozását teszi lehetõvé, a Si-SiO2 határfelület környezetében a (kisebbségi) töltéshordozók rekombinálódásának valószínûsége nagyobb, ezért a felülettel párhuzamosan folyó kisebbségi töltéshordozó áramok esetén (ez a laterális tranzisztorok mûködésére jellemzõ) az áramerõsítés értéke igen kicsi. A MOS integrált áramkörök jól felismerhetõk a kivezetések közelében elhelyezkedõ nagy áramú (nagy meredekségû) tranzisztorokról, melyekre a csatorna hossz/szélesség viszony igen nagy (4.3. a-b. ábra). A meander alakzatban összehajtogatott csatorna hossza kisebb, mint a kontaktus ablak sorozatról felismerhetõ forrás és nyelõ elektródák távolsága, a csatorna szélességét pedig az elõbb említett elektródák között kígyózó (b), vagy fésûszerû (a) vezérlõ elektróda hossza adja meg. A MOS aktív eszközökben az áramot az inverziós réteg többségi töltéshordozói szállítják, az áramok a felület közelében folynak, irányuk a felülettel párhuzamos, a vezérlõ elektródát keresztezve (MOS inverterek, 4.3. c. ábra). a.) b.) c.) 4.3. ábra. A MOS integrált áramkörök felismerhetõk a kivezetések közelében elhelyezkedõ nagy áramú (nagy meredekségû) tranzisztorokról, melyekre a csatorna szélesség/hossz viszony igen nagy(a.: optikai mikroszkópiás, b.: pásztázó elektronmikroszkópos felvétel.). A CMOS inverterekrõl készült optikai mikroszkópiás képen jol felismerhetõk az N és P csatornás eszközök eltérõ csatorna szélességei (c. ábra) Pásztázó elektronmikroszkópia: 3
A képalkotás bármilyen eljárás esetén azonos lépéseken alapul: leképezendõ tárgyat gerjeszteni kell, s a gerjesztésre adott választ detektálni és analizálni. A folyamat nagy adatmennyiség kezelésével jár együtt. Az adatok kezelése lehet párhuzamos vagy soros jellegû. Az elõbbire példa valamennyi, lencséken alapuló optikai, elektronoptikai leképezési eljárás, melyekre az a jellemzõ, hogy az egész képre vonatkozó információtömeg egyidõben jelentkezik. A rendszer nagyítását a lencsék tulajdonságai és elrendezése határozzák meg, a térbeli felbontást az analizált válaszra jellemzõ méretkvantum korlátozza (optikai mikroszkópia esetében ez a fény hullámhossza). Soros jellegû adatkezelésen alapulnak a pásztázó elven mûködõ eljárások: a gerjesztés, vagy a válasz analízise (esetleg mindkettõ) képelemenként, képpontonként megy végbe. A nagyítást ebben az esetben a megjelenítésre használt felület (képernyõ vagy a rögzített kép) és a pásztázott felület aránya adja, a felbontást pedig a legkisebb gerjesztett, illetve analizált felület (térfogat) korlátozza. Ahhoz, hogy a képen alakzatok jelenjenek meg, az egyes képelemeknek megfelelõ tartományoknak valamilyen tulajdonság tekintetében el kell térniük a szomszédos tartományoktól. Az eltérés nagysága, vagyis a szomszédos tartományok gerjesztésre adott válaszában mutatkozó eltérés a kontraszt. A korszerû képtárolási és feldolgozási módszerek használatának következménye, hogy az alapvetõen nem pásztázó eljárással nyert képek is elõbb-utóbb keresztülmennek egy képbontási folyamaton. Az elektronmikroszkópok két alapvetõ szempont alapján osztályozhatók. Aszerint, hogy az elektronsugár áthatol a céltárgyon vagy sem, az elektronmikroszkóp lehet transzmissziós vagy reflexiós elektronmikroszkóp. A pásztázó elektronmikroszkópban az eltérítõ rendszer által vezérelt elektronsugár pontonként tapogatja le, gerjeszti a céltárgyat (4.4.ábra). A nagyítást a pásztázott terület és a leképezésre igénybevett felület (képernyõ, fényképezõ lemez, szilárdtest-képfelvevõ, stb.) méretaránya határozza meg. Az adatok feldolgozása soros. 4
4.4. ábra. A pásztázó elektronmikroszkópok alapelve A közönséges (nem pásztázó) elektronmikroszkóp a céltárgyon áthaladó vagy reflektálódott elektronsugarat egész keresztmetszetében, egyszerre képezi le elektronoptikai lencsékkel az érzékelõ felületre (párhuzamos adatfeldolgozás). Miután a nagy sebességgel haladó elektronsugárhoz tartozó elektronok hullámhossza sokkal rövidebb, mint a fényé, a felbontóképesség nagyságrendekkel kedvezõbb lehet a fénymikroszkópénál. A pásztázó elektron mikroszkóp esetén átlagosan elérhetõ 5nm-es felbontás sokkal jobb, mint a fénymikroszkóp 100-200nm-es felbontó képessége. A másik nagy elõnye a PEM-nek az elérhetõ nagyon jó mélységélesség. A pásztázó elektronmikroszkóp gerjesztõ elektronsugarának párhuzamossága következtében a különbözõ magasságban elhelyezkedõ síkokban azonosan kis térrészeket gerjeszt, a leképezés így igen nagy mélységélességgel valósítható meg. Kis nagyítások esetén a pásztázó elektronmikroszkóp mélység élessége elérheti a 3-4 mm-t is, szemben a fénymikroszkóp 1-10µm-es mélységélességével. Háromdimenziós tárgyakról reális képet tehát kizárólag pásztázó elektronmikroszkóppal lehet készíteni. (A nagy sebességgel, egymással párhuzamosan haladó elektronokból álló elektronsugarat elektronágyú állítja elõ.) Az elektronsugaras gerjesztés eredménye lehet szekunder elektronok emissziója, elektron reflexió (visszaszórás), fényemisszió (katódlumineszcencia), elektron-lyuk párkeltés (félvezetõkben). A szekunder és a visszaszórt elektronok elektronsokszorozóval, az elektron-lyuk párok a mintáról való áramelvezetéssel (EBIC = electron beam induced current) detektálhatók. Az egyes képelemekhez tartozó intenzitásokból állítható össze az adott válaszhoz tartozó kép. A becsapódó nagy energiájú elektronok elsõsorban elektronokat váltanak ki a besugárzott anyagból, miközben energiájukat leadják. Szekunder elektronoknak egyezményesen a besugárzás hatására keletkezõ 50eV-nál kisebb energiájú elektronokat tekintjük, az ennél nagyobb energiájú elektronok a visszaszórt elektronok. A szekunder elektronok elsõsorban a minta felületi egyenlõtlenségeirõl hordoznak információt, de lehetõséget nyújt, pl. elektromosan elõfeszített 5
integrált áramkörök vezetékeinek szakadás vizsgálatára is. A szekunder elektron képet elõállító elektronokat elektromosan elõfeszített (+) detektorral fogjuk fel, így a besugárzott felületrõl bármely irányban is távozik az elektron, a detektor felfogja. 4.5. ábra. Összefüggés az egyes mikroszkópiás módszerek felbontása és mélységélessége között Útmutató a felkészüléshez: A gyakorlatra ismerni kell a monolit IC gyártás alaplépéseit, a monolit IC alkatrészkészletét (bipoláris és MOS), az alkatrészek felépítését (az áramkört alkotó rétegek elhelyezkedését) Dr.Mojzes Imre (szerk.), Mikroelektronika és elektronikai technológia, Mûszaki Könyvkiadó, 1995. (85-116.old.) alapján. Célszerû ismerni az optikai és elektronmikroszkópok mûködését is. Mikro rendszerek (IC-k) képei a hálózaton: http://www.eet.bme.hu/publications/e_books.html A felkészülést ellenõrzõ kérdések: Milyen alkatelemek jellemzõek a bipoláris, és milyenek a MOS integrált áramkörökre? Adja meg a következõ IC alkatelemek felülnézeti képét (layout) és keresztmetszeti rajzát: MOS tranzisztor, NPN tranzisztor, vertikális PNP tranzisztor, laterális PNP tranzisztor, szektor tranzisztor, ellenállás (bázisdiffúziós, megnyomott), nagyobb teljesítményû tranzisztor, kapacitás, dióda, multiemitteres tranzisztor! Mi az eltemetett réteg, és mi a szerepe a fenti alkatelemek mûködése szempontjából? Milyen jellemzõ elektromos tulajdonságai vannak a fenti alkatelemeknek? 6
Milyen az adalékolás mélység függése különféle integrált áramkörökön (bipoláris, CMOS), illetve az integrált áramkörök egyes tartományaiban (szigetelõ P+, n zsebek, bázisdiffúzió, megnyomott ellenállás, npn és pnp vertikális tranzisztorok)? Foglalja össze röviden az optikai és a pásztázó elektronmikroszkóp mûködési elvét! Milyen fizikai jelenségek korlátozzák a mikroszkópok felbontóképességét? Feladatok: 1. Különbözõ technológiákkal készült monolitikus integrált áramkörök szemrevételezése mikroszkópon keresztül, az eltérõ gyártási technológiákhoz (bipoláris, MOS) kapcsolódó jellegzetes vonások felismerése. 2. Egy adott IC, vagy IC részlet megfejtése a kapcsolási elemek szintjéig. Keressen kisteljesítményû npn, nagyteljesítményû npn tranzisztort, diódát, pnp laterális és vertikális tranzisztort. ellenállást, megnyomott ellenállást, kapacitást! Méretbecslés alapján állapítsa meg az egyes elemek közelítõ értékét, a tranzisztorok áram-terhelhetõségét! Rajzolja fel az IC elektromos kapcsolását! Adatok: Bázisdiffúzió: R o = 150 ohm/négyzet, bázisdiffúzió az emitter alatt: R o = 10 Kohm/négyzet (megnyomott ellenállás). Az ellenállások értékének kiszámítása: R = R o w/l, ahol R o a négyzetes ellenállás, w/l az ellenállás szélességének és hosszának viszonya. Emitter kerület terhelhetõsége: J max = 2 A/cm (az áramkiszorítás miatt csak a báziskontaktus felõli emitter él a hatásos, ennek hossza a mikroszkópon lemérhetõ, illetve a nagyítás ismeretében becsülhetõ). 3. Integrált áramkör vizsgálata pásztázó elektron mikroszkóppal (PEM, demonstráció). Hasonlítsa össze a fénymikroszkóp és a PEM által adott képek jellegzetes vonásait! 7