Procesy technologiczne w elektronice

Transkrypt

1 Procesy technologiczne w elektronice Wytwarzanie monokryształów Si i innych. Domieszkowanie; wytwarzanie złącz. Nanoszenie cienkich warstw. Litografia. Wytwarzanie warstw izolatora. Trawienie. Montowanie kontaktów. Litografia Fotolitografia Litografia rentgenowska Litografia wiązką elektronową Nanolitografia Litografia - drukowanie na kamieniu (obecnie: drukowanie z płaskiego wzoru) 1

2 Fotolitografia Fotolitografia jest to jedna z technik używanych do otrzymywania ostatecznych struktur na krzemowych płytkach. Fotorezyst Są dwa typy fotorezystów: pozytywny i negatywny. Pozytywny: pozytywny fotorezyst jest dekomponowany przez promieniowanie ultrafioletowe. Wskutek tego staje się bardziej rozpuszczalny w wywoływaczu niż polimer nienaświetlony. Naświetlony fotorezyst może być zatem usunięty za pomocą roztworu wywoływacza. Pozostawia w ten sposób odsłonięty materiał podłoża. Odwzorowanie na płytce krzemowej jest identyczne (tylko pomniejszone) jak wzór na masce (pozytyw). 2

3 Fotorezyst Negatywny: negatywny fotorezyst polimeryzuje pod wpływem naświetlenia promieniowaniem UV. Staje się on zatem trudniejszy do rozpuszczenia w wywoływaczu, niż polimer nienaświetlony. Zatem, negatywny fotorezyst pozostaje w tych miejscach płytki, gdzie był naświetlony, natomiast wywoływacz usuwa go z miejsc nienaświetlonych. Wzór otrzymany na płytce jest negatywem wzoru na masce. Fotolitografia A: warstwa SiO 2 na płytce krzemowej. B: warstwa fotorezystu naniesiona na płytkę. C: światło naświetla fotorezyst poprzez maskę. 3

4 D: wynik po wywołaniu; wzór z maski został przeniesiony na fotorezyst E: chemiczna lub inna metoda trawienia prowadzi do usunięcia tlenku w miejscu otworów w fotorezyscie. F: usunięcie fotorezystu z całej płytki Fotolitografia Maski Jest to płytka szklana z wzorem naniesionym po jednej stronie. Wzór jest to warstwa metalu (emulsja metalowa). Maska musi być idealnie równoległa do płytki. Każda następna maska musi być ustawiona odpowiednio do wzoru otrzymanego za pomocą poprzedniej maski. 4

5 Maski Przykład siatki 5X: Maski Po precyzyjnym ustawieniu maski względem płytki, fotorezyst jest naświetlany poprzez maskę intensywną wiązką promieniowania UV. Istnieją trzy główne metody naświetlania: Maska może być w kontakcie z płytką. Wtedy wzór z maski jest przenoszony na płytkę w skali 1:1 5

6 Radiazione UV Maski Radiazione UV Maschera N:1 Quarzo Cromo Ottica Ossido di silicio Fotoresist Immagine Wafer con resist Wafer di silicio Esposizione per prossimità Esposizione attraverso ste Maska może być w niewielkiej odległości od płytki Maska może być rzutowana za pomocą układu optycznego. Usuwanie fotorezystu. Ostatni etap fotolitografii polega na usunięciu całego fotorezystu. Najczęściej za pomocą mieszaniny rozpuszczalników organicznych. 6

7 Litografia rentgenowska Polega na tym samym, co fotolitografia, tyle że wykorzystuje promienie rentgenowskie. Litografia rentgenowska: źródło promieniowania Wykorzystuje się promieniowanie o długości fali od 6 do 14 Å. Źródłem są synchrotrony i akceleratory 7

8 Litografia rentgenowska: maski Absorber złoto, wolfram Substrat (o grubości 1-2 µm) Si azotek, węglik krzemu Litografia rentgenowska: wady i zalety szybki proces duża rozdzielczość ~0.5 µm organiczne zanieczyszczenia nie mają wpływu na wynik wymaga czułych rezystów długi i skomplikowany proces wywoływania trudne wytwarzanie masek 8

9 Litografia wiązką elektronową Innne, nietypowe metody litografii Nanolitografia za pomocą igły mikroskopu AFM węglowej nanorurki itp. 9

10 Dip Pen Nanolithography 10

11 PSL Phase shifting litography: litografia wykorzystująca fekty dyfrakcyjne do wytwarzania wzorów mniejszych niż długość fali. Metody bezmaskowe Tworzenie wzorów bezpośrednio wiązką elektronów lub jonów ("ion projection litography, electron beam direct writting") 11

12 Metody bezmaskowe Trendy litografii Laserowa litografia: KrF (248 nm), ArF (193 nm), F 2 (157 nm),psm, phaseshifting mask applied to KrF, ArF and F 2 ; EPL, electron-projection lithography; PXL, proximity X-ray lithography; IPL, ion-projection lithography; EBDW, electron-beam direct writing 12

13 Utlenianie krzemu Wytwarzanie warstw SiO 2 jest bardzo ważnym procesem w całym przemyśle elektronicznym. grube (- 1µm) warstwy tlenku potrzebne są aby odizolować jedno urządzenie od drugiego; cienkie (-100 Å) są potrzebne w układach MOS; warstwy tlenku są również hodowane a następnie usuwane, aby oczyścić powierzchnię. Stabilność i łatwość tworzenia SiO 2 jest jedną z przyczyn, dlaczego Si wyparł Ge. Utlenianie krzemu: suchy tlen Można stosować suchy, czysty tlen. Wtedy: Warstwa tlenku rośnie bardzo powoli. Jest bardzo jednorodna, Niewiele defektów występuje na granicy krzem tlenek Ma bardzo niewielki ładunek na powierzchni, co oznacza, że jest idealnym dielektrykiem dla tranzystorów MOS. 13

14 Utlenianie krzemu: mokry tlen Utlenianie w tlenie oraz w obecności gorącej pary. Warstwa rośnie szybko; Atomy wodoru uwolnione w czasie dekompozycji wody wytwarzają defekty obniżające jakość tlenku. Miscelatore F F F H 2 O N O O Utlenianie krzemu: osadzanie tlenku krzemu na podłożu. Tlenek krzemu jest często potrzebny jako warstwa izolatora pomiędzy dwiema warstwami metalicznymi. W takim przypadku tlenek trzeba nanieść na warstwę, nie można go hodować. Nanoszony tlenek wytwarza się poprzez różne reakcje pomiędzy gazowymi związkami krzemu i gazowymi utleniaczami. Nanoszony tlenek ma przeważnie niską gęstośc i dużą ilość defektów. 14

15 Trawienie Trawienie jest to proces, w którym usuwa się niepotrzebne obszary warstw za pomocą albo rozpuszczania ich w rozpuszczalnikach, albo reakcji z gazami w obszarze plazmy, dzięki czemu tworzą się lotne produkty. Trawienie Trawienie mokre : wykorzystuje chemiczne środki Trawienie suche: wykorzystuje jony, atomy, rodniki,plazmę, laser,.. 15

16 Czego oczekujemy od trawienia A co może pójść źle 16

17 Trawienie Trawienie może przebiegać izotropowo (równomiernie we wszystkich kierunkach). Nie jest to zbyt korzystne zjawisko. Może też być anizotropowe (tylko w tym kierunku, gdzie chcemy). mask undercut Trawienie Skutek trawienia izotropowego Skutek trawienia anizotropowego 17

18 Anizotropowe trawienie Si Si(100) Si(110) Mokre, chemiczne trawienie izotropowe (minimalny rozmiar 3 µm) jest dość selektywne tanie można trawić prawie wszystko 18

19 Mokre chemiczne trawienie Trawienie Si: Trawienie przez bombardowanie jonami 19

20 Trawienie przez bombardowanie jonami Weak selectivity in ion beam etching Plasma Sputtering Trawienie chemiczne w plazmie 20

21 Wytwarzanie złącz n-p Najstarsza metoda: Atomy domieszek przeciwnego typu są dodawane naprzemiennie do stopionego krzemu w trakcie wzrostu kryształu (metodą Czochralskiego). Tworzą się w ten sposób wbudowane złącza n-p. Wadą tej metody jest niemożliwość tworzenia różnie domieszkowanych obszarów w różnych miejscach jednej płytki krzemowej. Także grubość i geometria złącza jest trudna do kontrolowania. Wytwarzanie złącz n-p Metoda dyfuzyjna Na jednorodnie domieszkowanym monokrysztale kwarcu wytwarza się warstwę tlenku. Kolejnym etapem jest naniesienie na płytkę odpowiedniego wzoru (jedną z metod litografii). Miejsca odsłonięte płytek doprowadza się do kontaktu ze źródłami domieszek odpowiedniego rodzaju (mogą być różne w różnych miejscach). Płytki ogrzewa się w piecu ( C) aby umożliwić dyfuzję domieszek do wnętrza krzemu. 21

22 Wytwarzanie złącz n-p Metoda dyfuzyjna Wytwarzanie złącz n-p Dyfuzyjne domieszkowanie może przebiegać na dwa sposoby: 1) stała koncentracja domieszek jest utrzymywana na ( w pobliżu) powierzchni krzemu w czasie całego procesu. Wtedy profil koncentracji domieszek jest taki: 22

23 Wytwarzanie złącz n-p Dyfuzyjne domieszkowanie może przebiegać na dwa sposoby: 2) ustalona ilość atomów domieszek jest wprowadzona do krzemu w krótkim czasie, a nstępnie dyfundują one do wnętrza materiału, podczas gdy źródło domieszek jest usuwanięte. Wtedy profil koncentracji domieszek jest taki: Wytwarzanie złącz n-p Implantacja jonów Wstępne etapy procedury są takie, jak poprzednio. Domieszki wprowadzane sa inaczej: akcelerator przyspiesza jony domieszek, tak że mogą one wniknąć do krzemu na odległość rzędu mikrometrów. 23

24 Wytwarzanie złącz n-p Implantacja jonów Defekty strukturalne spowodowane implantacją sa następnie usuwane poprzez krótkie (kilka minut) wygrzewanie w średniej temperaturze. Oprócz implantacji domieszek n i p, prowadzi się również implantację protonami (który powoduje, że krzem staje się izolatorem). Cel: izolacja elektryczna sąsiadujących złącz. Wytwarzanie złącz n-p Profil koncentracji domieszek 24

25 Wytwarzanie złącz n-p Prowadząc serię implantacji jonów o stopniowo zmieniającej się energii można otrzymać bardzo jednorodny profil koncentracji domieszek Wytwarzanie złącz n-p Dyfuzja: Tańsza i prostsza Może przebiegać tylko od strony powierzchni Domieszki dyfundują nierównomiernie, wpływaja jedne na drugie. Implantacja jonów: Droższa i skomplikowana Nie wymaga wysokiej temperatury Kontrolowany profil i ilość domieszek 25

26 Rozwój technologii półprzewodnikowej i jej ograniczenia granice podstawowe granice materiałowe ograniczenia techniczne granice praktyczne J.D. Meindl, et al., Science, 293, 2044, 2001 Granice podstawowe termodynamika mechanika kwantowa elektromagnetyzm Zaczyna odgrywać rolę zasada nieoznaczoności (stan układu bardzo małego i bardzo szybkiego nie może być znany). Bardzo małe układy nie są stabilne. 26

27 Granice materiałowe krzem metalowe połączenia warstwy dielektryczne różne dielektryk bramki 1.2 nm Minimalna grubość i rozmiar? Ograniczenia techniczne 1000 µa 10 µa I D (on) I D (off) µa V T Wraz ze zmniejszaniem się rozmiarów różnica pomiędzy stanem włączonym i wyłączonym maleje. 1 N 27

28 Ograniczenia techniczne: moc transistors/chip 1 kw Ograniczenia praktyczne litografia trawienie domieszkowanie, itd wszystkie procesy technologiczne w skali atomowej 16 < 1 15 Cena rośnie! 2016 MOSFET Wszystkie rozmiary w wielokrotnościach parametru sieci Si: 5.4Å 28