Sveučilište J.J. Strossmayera u Osijeku Elektrotehnički fakultet Kneza Trpimira 2b, 31000 Osijek, HRVATSKA

Prof. dr. Tomislav Švedek MIKROELEKTRONIKA

3+1+2

MODUL 1 /1 od 3

1. UVOD

1.1. INTEGRIRANI SKLOPOVI 1.1.1. Mooreov zakon 1.2. OSNOVE PLANARNE TEHNOLOGIJE NA SILICIJU 1.2.1.

Proizvodnja poluvodiča 1.2.2. Epitaksija 1.2.3.

Termička oksidacija 1.2.4. Litografiski postupci (definiranje kontura) 1.2.5. Difuzijski procesi 1.2.6. Ionska implantacija 1.2.7. Metalizacija 1.2.8. Asembliranje 1.3. OSNOVE HIBRIDNE TEHNOLOGIJE DEBELOG I TANKOG FILMA

MODUL 1/1od 3 2

1. UVOD

ELEKTRONIKA - grana znanosti, tehnike i tehnologije koja proučava pojave vezane uz transport elektrona i ostalih električki polariziranih čestica kroz vakuum, plinove i poluvodiče, te korištenje tih pojava u praktične svrhe.

Interdisciplinarna područja primjene: radiotehnika telekomunikacije, automatika i robotika, mjerna tehnika, instrumentacija, računalska tehnika, energetika, strojarstvo, medicina, promet i dr.

MODUL 1/1od 3 3

Pojavom planarne poluvodičke tehnologije (1960.g.), javlja se najpropulzivniji dio elektronike - MIKROELEKTRONIKA.

Cilj mikroelektronike: minijaturizacija elektroničkih komponenata, sklopova i sustava. Omogućava razvoj i proizvodnju nove elektroničke opreme na jeftiniji, kvalitetniji i pozdaniji način od bilo koje postojeće tehnologije (primjer: mikroprocesori, memorijski elementi) MODUL 1/1od 3 4

1.1. INTEGRIRANI SKLOPOVI

• • Minijaturizacija se ostvaruje monolitnom tehnologijom (IS realiziran u jednom minijaturnom monolitnom bloku silicija) ili hibridnom tehnologijom debelog ili tankog filma (HIS realiziran na pločici keramike s otisnutim vodljivim, otpornim i izolacijskim slojevima, te ugrađenim aktivnim komponentama) MODUL 1/1od 3 5

1.1.1. Mooreov zakon (1965.)

TRANZISTORI MIPS 10M 1M 100K 10K 8086 8080 8004 1975 1980 80286 1985 80386 80486 Pentium Procesor 1990 1995 Micro 2000 500 25 2000 1 .1

.01

Udvostručenje broja komponenata svakih 18 mjeseci.

MODUL 1/1od 3 6

Posljednjih 30 godina: • dimenzije tranzistora se smanjuju s 10  m (veličina krvne stanice) na 0,2  m (veličina virusa) • brzina takta  -procesora povećava za 4 reda veličine (sa 100 kHz na preko 1 GHz) • cijena IS pada za 3 reda veličine • parametar cijena/funkcija snižava za 4 reda veličine Mooreovom se zakonu pokorava i

komunikacija optičkim vlaknom

: umnožak brzine prijenosa i udaljenosti repetitora udvostručava se svake godine MODUL 1/1od 3 7

Semiconductor Industry Association (SIA):

oko 2005 očekuje se zasićenje u krivulji Mooreovog zakona (zbog fizikalnih ograničenja) - minimalne dimenzije na čipu  0,1  m (pri toj dimenziji tranzistor sadrži samo nekoliko stotina atoma duž lineanih dimenzija i sastoji se od ukupno tek milion tranzistora) - broj komponenata po čipu 5 do 10  10 6 MODUL 1/1od 3 8

1.2. OSNOVE PLANARNE TEHNOLOGIJE NA SILICIJU

Silicij je danas glavni materijal za proizvodnju IS-a, dok GaAs daje brže, ali i skuplje, sklopove (vojna primjena).

1.2.1. Proizvodnja poluvodiča

Silicij se ne pojavljuje kao element, već u obliku: kvarcnog pijeska (SiO 2 ) ili silikata (npr. glinenca). Proizvodnja sirovog (izoliranog) silicija počinje u električnoj peći redukcijom kvarca s ugljikom: SiO 2 + 2 C 1460  C Si + 2 C O (1) MODUL 1/1od 3 9

SKICA NAPRAVE ZA PROČIŠĆAVANJE SIROVOG SILICIJA (T=1100



C)

ostatni plin SiHCl 3 + H 2 kvarcno zvono silicijski mostić tanki Si cilindar  polikristalični Si cilindar  4 mm 30 mm grafitni držači električno napajanje MODUL 1/1od 3 10

Smjesa plinova SiHCl 3 silicijskih cilindara: i H 2 reagira na površini poli 4 SiHCl 3 1100  C 3 SiCl 4 + 2 H 2 + Si . (2) Dobiveni SiCl 4 se dalje reducira na: SiCl 4 + 2H 2 1100  C Si + 4 HCl . (3) Čisti polikristaliničan silicij izdvaja se na cilindrima koji polako rastu do promjera od oko 10 cm.

Udio zaostalih nepoželjnih elemenata nakon ovog procesa iznosi svega 10 -10 do 10 -8.

MODUL 1/1od 3 11

SKICA NAPRAVE ZA ZONSKO TALJENJE (dobivanje monokristala silicija)

- kvarcna cijev - držač - Si cilindar (polikristaličan) - VF zavojnice (pomiču se prema gore) - tekuća faza - Si cilindar - (monokristal) sjeme - držač zaštitni plin MODUL 1/1od 3 12

SKICA NAPRAVE ZA IZVLAČENJE METODA CZOCHRALSKOGA

ulaz za zaštitni plin dopiranje kvarcna cijev - sjeme - izvučeni monokristal - tekuća faza - VF zavojnice - grafitna posuda - držač zaštitni plin MODUL 1/1od 3 13

Cilindar (

ingot

) monokristala promjera 80 ili 120 mm (danas se uvodi 300 mm, a 2010. predviđa 450 mm!), reže se na tanke okrugle ploče (engl.

wafer

) debljine 0,4 - 0,8 mm.

Ravnina reza treba biti orijentirana prema jednoj od ravnina kristalne rešetke.

Okrugle ploče monokristala se potom obrađuju mehanički (brušenje i poliranje) i kemijski (nagrizanje, čišćenje od organskih nečistoća, deionizacija), pri čemu im se debljina smanjuje na 200 - 300  m.

MODUL 1/1od 3 14

1.2.2. Epitaksija

Postupkom

epitaksijalnog rasta

debeloj podlozi (npr. 250 stvara se na relativno  m), koja služi kao nosač strukture poluvodičke komponente, tanki epitaksijalni sloj (1-10  m) koji predstavlja "

radni

" sloj komponente.

Taj površinski sloj je

homogeni sloj monokristala silicija

, u kojem je očuvana postojeća kristalna struktura podloge.

Uz očuvanje kristalografske strukture omogućen je rast slojeva bilo kojeg tipa i iznosa vodljivosti, na početnim P ili N-tipovima podloge. MODUL 1/1od 3 15

Proces se odvija na

T

 1240  C, u atmosferi SiCl 4 SiHCl 3 i vodika (H 2 ) kao prijenosnog plina, te odgovarajućeg materijala primjese.

ili

epitaksijalni N -sloj monokristal P-tipa

1 - 10  m 250  m P N

N D - N A

homogena koncentracija primjesa

x

MODUL 1/1od 3 16

1.2.3. Termička oksidacija

Najtipičniji proces u planarnoj tehnici.

Svrha mu je formiranje tankog sloja (filma) silicijevog dioksida SiO 2 ( ili nitrida Si 3 N 4 ) s ciljem ostvarivanja: •zaštite površine relativno

pasivizacija

(stvaranje dodatnog

debelog sloja

silicijevog dioksida: 0,7 - 0,8  m, koji štiti površinu komponente ili integriranog sklopa, a posebno vertikalni dio PN-spoja uz površinu) •

difuzijskih maski

za selektivno dopiranje primjesama, te •

dielektrika MOS kondenzatora

ili MOSFET-a (tanki sloj oksida 0,1 - 0,2  m, danas i do nekoliko nm). MODUL 1/1od 3 17

Prirodna oksidacija: sloj - 1200  5 nm. Umjetna oksidacija: na 1000  C, u atmosferi čistog kisika -

suha oksidacija

, ili u mješavini kisika i vodene pare -

mokra oksidacija

.

metal izolator 0,1-0,2  m SiO 2 0,7-0,8  m otvor za difuziju N P N P N N P dielektrik MOS kondenzatora difuzijska maska pasivizacija PN spoja MODUL 1/1od 3 18

1.2.4. Litografiski postupci (definiranje kontura)

Litografski postupci (postupci graviranja!) koriste se da bi se omogućilo

selektivno dopiranje

i

stvaranje kontura

P ili N tipa poluvodiča. Najpoznatiji i najčešće korišteni postupak je

fotolitografija

:

A) prosvjetljavanje

(vidljivom ili UV svjetlošću) fotoosjetljivih slojeva (

fotorezista

) nanesenih na površinu pločice, kroz masku na staklu koja definira željenu konturu,

B) selektivnog odstranjivanja osvijetljenih

(polimeriziranih) područja

fotorezista, te

C) odstranjivanja

(

jetkanje

)

sloja silicijevog dioksida

unutar nastalog okvira (stvaranje "otvora" - maske za difuziju).

MODUL 1/1od 3 19

fotorezist P nanošenje fotorezista maska P prosvjetljavanje kroz masku i polimerizacija UV polimerizacija P P odstranjivanje polimeriziranog filma odstranjivanje SiO 2 MODUL 1/1od 3 20

Radi poboljšanja rezolucije: • novi

osjetljiviji fotorezisti

, • umjesto svjetlosti

X-zrake

.

EBL litografija (engl. Electron Beam Litography

litografije elektronskim snopom): elektronskim snopom izravno se "crta" po pločici poluvodiča (sa ili bez rezista) Izrada maske na staklu nepotrebna (nema poteškoća vezanih uz prianjanje maske uz poluvodič, njeno trošenje zbog upotrebe, skladištenje), a sve potrebne konture se pohranjuju izravno u memoriju računala. MODUL 1/1od 3 21

1.2.5. Difuzijski procesi

Osnovna metoda unošenja kontrolirane koncentracije primjesa u poluvodič (

dopiranja

) sa svrhom stvaranja PN-spoja u početnom materijalu (ploči silicija - wafer, ili epitaksijalnom sloju). U proizvodnji poluvodičkih komponenata i integriranih sklopova difuzija se koristi kao: 1)

totalna difuzija

, tanki film na cijeloj površini poluvodiča (

nehomogeni sloj

zbog neravnomjerne raspodjele primjesa) i 2)

selektivna difuzija

, kontrolirani unos primjesa na maskom određeno područje.

MODUL 1/1od 3 22

Visokotemperaturi proces (900 - 1300  C), ali takav da se pri tom kristal poluvodiča ne rastopi. difuzija primjesa totalna selektivna

N D

-

N A

N

P

x j

N P

x

MODUL 1/1od 3 23

Profil primjesa bipolarnog NPN tranzistora

N + emiter P baza N kolektor N +

N

[cm -3 ] 10 21 10 20 10 19 10 18 10 17 10 16 10 15 10 14 -

N DE

+

N DC+ N AB N DC

        1 2 3 4 5 6 7 8

x,



m

koncentracija primjesa efektivna koncentracija MODUL 1/1od 3 24

Difuzija je trodimenzionalan proces (u planarnoj tehnologiji može se aproksimirati jednodimenzionalnim): raspodjela koncentracije difundirane primjese

N

(

x,t

) treba zadovoljavati jednadžbu difuzije (drugi Fickov zakon): 

N



t



D

 2

N



x

2 ,

D

(

T

) u prvoj aproksimaciji temperaturno ovisna veličina. U temperaturnom intervalu od interesa može se odrediti iz izraza:

D

  

D

0 exp  

W a kT

  , gdje je

W a

aktivacijska energija koju treba odabrati tako da odgovara praznom mjestu u rešetki (

D

0

W a

 4 eV).

 10 ... 100 cm 2 s -1 , MODUL 1/1od 3 25

Difuzija se u pravilu provodi na dva načina: 1)

difuzija iz "neograničenog" izvora dopanda (primjesa),

kod koje ukupan broj atoma primjese za cijelo vrijeme difuzije nije ograničen, pa je koncentracija na površini poluvodiča konstantna:

N

(0

,t

)

= N

0

=

konst . (1) 2)

difuzija iz "ograničenog" izvora dopanda (primjesa),

ukupan broj atoma primjese koji sudjeluje u difuziji konstantan je za cijelo vrijeme difuzije: (

predepozicijom

N S

(

x,

0)

= N

0  (

x

)

,

se na površinu nanosi konačna količina primjese - izvor se vremenom "troši").

(2) MODUL 1/1od 3 26

1) difuzija iz "neograničenog" izvora dopanda

N



N

0    1  erfc  

x

2

Dt

    

N

(

x

), cm -3

t

4

>t

3

>t

2

>t

1

N

0

t

4 0

t

1

t

2

t

3

x

,  m MODUL 1/1od 3 27

2) difuzija iz "ograničenog" izvora dopanda

N

 2

N

0 

Dt

exp     

x

2 4

Dt

   

N

(

x

), cm -3

t

1

t

4

>t

3

>t

2

>t

1

t

2

t

3

t 4

0

x

,  m MODUL 1/1od 3 28

1.2.6. Ionska implantacija

Česta zamjena za difuzijski postupak. Provodi se radi izrade površinskih primjesnih slojeva (debljine od 10 do 100 nm) dobro definiranih dimenzija.

snop iona zaslon magnet poluvodič otklonski sustav ubrzavajuća elektroda izvor iona Dubina prodiranja ovisi o energiji i masi iona (od 10 keV do 400 keV). MODUL 1/1od 3 29

N

10 10 10 , cm 20 18 16 -3 Kod ionske implantacije je parazitna,

lateralna difuzija ispod maske

, znatno manje izražena.

10 14 0,1 0,2 0,3

x

,  m se popravljaju

odžarivanjem ili napuštanjem

(engl.

annealing

- kaljenje) na 600-800  C. Postupak ionske implantacije odvija se na niskim temperaturama pa ga je moguće provesti u bilo kojoj fazi izrade poluvodičke komponente ili integriranog sklopa. MODUL 1/1od 3 30

1.2.7. Metalizacija

Postupak metalizacije služi za: A)

stvaranje omskih kontakata

na pojedinim područjima komponente ili integriranog sklopa, ili za izradu

upravljačke elektrode MOS

tranzistora, B)

izradu vodljivih staza

za povezivanje područja komponente ili komponenata u integriranom sklopu, te C)

realizaciju Schottkyjevih spojeva.

Materijal za metalizaciju -

aluminij

, (danas

bakar

- veća brzina rada sklopova i gustoća pakiranja komponenata).

MODUL 1/1od 3 31

jednoslojna struktura, npr. "bonding pad" P N SiO 2 dvoslojna struktura 2. sloj metalizacije SiO 2 kao izolator 1. sloj metalizacije P MODUL 1/1od 3 32

1.2.8. Asembliranje

Nakon optičke i električke inspekcije, te selekcije, wafer se reže na čipove (engl.

dice, chips

).

Čipovi se isporučuju u dice formi ili pakiraju u kućišta.

chip bond

(Al ili Au)

chip carrier

MODUL 1/1od 3 33

Osnovni koraci planarne tehnologije (NPN BJT)

Početni materijal je N + -sloj silicija (debljine 300  m) N + Epitaksijalnim rastom stvara se kolektorski sloj N-tipa (debljine 10  m) N + Na epitaksijalnom sloju raste SiO 2 (debljine 2  m), a zatim se nanosi rezist i prosvjetljava kroz masku na staklu. N + Na neosvijetljenim mjestima rezist se odstranjuje otapalom, a nezaštićeni sloj SiO 2 kiselinom

potupak fotolitografije

N + + MODUL 1/1od 3 N SiO N SiO N 2 2 34

Bazni P-sloj dobiva se difuzijom atoma bora-B N + Ponovna oksidacija i drugi fotolitografski postupak N + Ponovna difuzija (fosfora -P) da bi se dobio emiterski N sloj. N + Ponovni rast SiO 2 , novi fotolitografski postupak za otvaranje mjesta za N + metalizaciju (kontakti), te prekrivanje metalom cijele površine.

MODUL 1/1od 3 P Bor P Fosfor N P Al 35

Posljednjim fotolitografskim postupkom odstranjuje se sav metal osim spojnih putova između kontakata (komponenata). Stražnja strana pločice se polira do ukupne debljine od 100  m. N + Ploča silicija reže se i lomi, a zasebne komponente (ili integrirani sklopovi) (engl.

chip

), ugrađuju u kućišta i spajaju s vanjskim nožicama kućišta.

N + MODUL 1/1od 3 36

1.3. OSNOVE HIBRIDNE TEHNOLOGIJE DEBELOG I TANKOG FILMA

Hibridna tehnologija

: kombinacija različitih tehnika i tehnologija integracije

Hibridni integrirani sklop (HIS)

: skup komponenata na keramičkoj podlozi funkcionalno povezanih komponentama tehnike

debelog

ili

tankog filma Aktivne komponente

(diode, tranzistori, operacijska pojačala, digitalni integrirani sklopovi,  -procesori, itd.) MODUL 1/1od 3 37

Pasivne komponente

(otpornici, vodljive staze, dielektrici, kondenzatori):

DEBELI FILM

: nanose se

sitotiskom

(nakon čega slijedi visokotemperaturna obrada), a neke R, L, C komponente ugrađuju se i u

čip-obliku

.

TANKI FILM

: nanose se

vakuumskim naparivanjem - fotolitografija

(niskotemperaturni proces uz visoki vakuum). Moguća i izrada tranzistora slabije kvalitete.

MODUL 1/1od 3 38

Tehnološke osnove i usporedba hibridne i monolitne tehnologije HIS a) sadrži pasivne komponente a aktivne i u čip obliku b) mali broj komponenata c) manja pouzdanost d) jeftiniji razvoj (male serije) Monolitni IS pasivne i aktivne komponente velika gustoća pakiranja - više komponenata veća pouzdanost skup razvoj (velike serije)

MODUL 1/1od 3 39