Procesy technologiczne w elektronice

Procesy technologiczne w elektronice Procesy technologiczne Wytwarzanie monoryształów Si i innych. Domieszkowanie; wytwarzanie złącz. Nanoszenie cienkich warstw. Litografia. Wytwarzanie warstw izolatora. Trawienie. Montowanie kontaktów. 1

Litografia Fotolitografia Litografia rentgenowska Litografia wiązką elektronową Nanolitografia Litografia - drukowanie na kamieniu (obecnie: drukowanie z płaskiego wzoru) Fotolitografia Fotolitografia jest to jedna z technik używanych do otrzymywania ostatecznych struktur na krzemowych płytkach. 2

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). 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. 3

Fotolitografia A: warstwa SiO 2 na płytce krzemowej. B: warstwa fotorezystu naniesiona na płytkę. C: światło naświetla fotorezyst poprzez maskę. 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 4

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. 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

Usuwanie fotorezystu. Ostatni etap fotolitografii polega na usunięciu całego fotorezystu. Najczęściej za pomocą mieszaniny rozpuszczalników organicznych. Litografia rentgenowska Polega na tym samym, co fotolitografia, tyle że wykorzystuje promienie rentgenowskie. 6

Litografia rentgenowska: źródło promieniowania Wykorzystuje się promieniowanie o długości fali od 6 do 14 Å. Źródłem są synchrotrony i akceleratory Litografia rentgenowska: maski Absorber złoto, wolfram Substrat (o grubości 1-2 mm) Si azotek, węglik krzemu 7

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 Litografia wiązką elektronową 8

Innne, nietypowe metody litografii Nanolitografia za pomocą igły mikroskopu AFM węglowej nanorurki itp. Dip Pen Nanolithography 9

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. 10

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. 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. 11

Trawienie Trawienie mokre : wykorzystuje chemiczne środki Trawienie suche: wykorzystuje jony, atomy, rodniki,plazmę, laser,.. 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 12

Trawienie Skutek trawienia izotropowego Skutek trawienia anizotropowego Anizotropowe trawienie Si Si(100) Si(110) 13

Mokre, chemiczne trawienie izotropowe (minimalny rozmiar 3 µm) jest dość selektywne tanie można trawić prawie wszystko Trawienie przez bombardowanie jonami 14

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 (800-1250 C) aby umożliwić dyfuzję domieszek do wnętrza krzemu. 15

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: 16

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. 17

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 18

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 19

Jaka jest przyszłość przemysłu elektronicznego? Układy 3D: scalanie elektroniki, czujników i innych elementów w pionie Np. układ 3-piętrowy, każde piętro z trzema warstwami metalu Multi-project run has 3 tiers each with 3 metal layers (3 transistor levels, 11 metal layers) 20

Układy 3D Optical Fiber In Optical Fiber Out Układ 3D składa się z 2 lub więcej warstw układów półprzewodnikowych. Warstwy są złączone razem tworząc w ten sposób jeden monolityczny układ. Poszczególne warstwy (piętra) zawierają układy wykonane za pomocą różnych technologii. Zalety układów 3D: Krótsza droga, mniejsze R, L, C; Większa szybkość; Mniejszy wpływ układów sąsiednich na siebie; Mniejszy rozmiar; Opto Electronics Digital layer Analog Layer Sensor Layer Designer s Dream 50 um Zmniejszanie grubości podłoży Si Stosuje się w technologii SOI (rutynowo do 50 µm, ale istnieją doniesienia literaturowe o 6-15 µm). Metody pocieniania: szlifowanie i trawienie. 21

Materiały o dużej przenikalności elektrycznej 10 Equiv Oxide Thickness (nm) 5 3 2 1 0.5 1.2 nm 0.3 1995 2000 2005 2010 2015 year Od lat 1960-tych głównym dielektrykiem stosowanym w przemyśle elektronicznym jest SiO 2. Miniaturyzacja spowodowała, że grubość warstw SiO 2 są rzędu ~5 warstw atomowych (2nm). Materiały o dużej przenikalności elektrycznej Przy tak małych grubościach tunelowanie elektronów przez warstwę izolatora jest zjawiskiem znaczącym (dielektryk przestaje być dielektrykiem). Aby możliwa była dalsze miniaturyzacja potrzebne są materiały o dużej przenikalności elektrycznej. 22

Materiały o dużej przenikalności elektrycznej Grubszy dielektryk o dużej stałej dielektrycznej pozwala na zmniejszenie prądu ~100X. Tranzystory są większe w kierunku pionowym, ale mniejsze poziomo 1.1 V 0 V Si V > 1 V e V > 1 V h Materiały o dużej przenikalności elektrycznej Oxide CB VB Energy (ev) 6 4 2 0-2 -4-6 Si 1.1 3.5 4.4 SiO 2 2.4 1.8 0.3 3.0-0.1 2.3 0.8 3.4 1.4 3.3 1.5 3.4 HfO 2 Si 3 N 4 Ta 2 O 5 SrTiO 3 BaZrO 3 ZrO 2 Al2O3 2.8 4.9 2.3 1.5 2.6 3.4 Y 2 O 3 La 2 O 3 ZrSiO 4 HfSiO 4 2.1 1.9 LaAlO 3 Bardzo ważne jest odpowiednie dopasowanie pasm (bariera między izolatorem a Si > 1 V) 23

Materiały o dużej przenikalności elektrycznej Nowe materiały pociągają za sobą inne zmiany (np. metalowa bramka, a nie z polikrystalicznego Si). Materiały o małej przenikalności elektrycznej Cel: obniżenie stałej RC (aby zwiększyć szybkość działania układów scalonych), jednocześnie bez zmiany rozmiaru. 24

Materiały o małej przenikalności elektrycznej Material Classification Material k value Deposition Method Inorganic Fluorinated glass (SiOF) 2.8 CVD Hydrogen silesquioxane (HSQ) 2.9 SOD Inorganic/Organic Hybrid Si-O-C polymers (e.g. MSQ) 2.0 SOD Poly(arylene ether) PAE 2.6 SOD Polyimides / Flourinated 2.9 / 2.3 SOD Parylene-N / Parylene-F 2.7 / 2.4 CVD B-stage polymers 2.6 SOD Organic DLC-Diamond-like Carbon / 2.7 / 2.4 CVD Fourinated Amorphous C / Flourinated 2.0 CVD PTFE (Teflon) 1.9 SOD Porous MSQ 1.8 SOD Porous Porous PAE 1.8 SOD Porous SiLK 1.5 SOD Porous SiO2 1.1 SOD Air gaps/bridges 1.0??? Literatura Albert van Duin, Stichting ASTRON, N.J. Rao and G. Ananda Rao CEDT, Indian Institute of Science Bangalore 560012, India Dr Gary J Callon, Dundee, UK. Jola Gołaszewska, Inżynieria Materiałowa, 2003 25