Κατασκευή διατάξεων µικροηλεκτρονικής.

Transcript

1 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 1 Κατασκευή διατάξεων µικροηλεκτρονικής. Α. ιεργασίες κατασκευής ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Η επίπεδη τεχνολογία κατασκευής ολοκληρωµένων κυκλωµάτων περιλαµβάνει τις ακόλουθες ανεξάρτητες διεργασίες: ανάπτυξη του κρυστάλλου του υποβάθρου, ανάπτυξη µε επίταξη, οξείδωση, φωτολιθογραφία και χηµική χάραξη, διάχυση προσµίξεων, εµφύτευση ιόντων, επιµετάλλωση. Α.1 Φωτολιθογραφία και αλληλουχία βηµάτων κατά την κατασκευή ενός ολοκληρωµένου κυκλώµατος. Η κατασκευή των ολοκληρωµένων chip βασίζεται στην τεχνική της φωτολιθογραφίας. Με την τεχνική της φωτολιθογραφίας µια δέσµη υπεριώδους φωτός (UV) διαπερνά κατάλληλη µάσκα και προσπίπτει σε λεπτή φέτα πυριτίου καλυµµένη µε οξείδιο και πάνω από το οξείδιο µε φωτοευαίσθητο υµένιο (φιλµ). Η µάσκα σκιαγραφεί τα διάφορα µέρη του chip και το υπεριώδες φως θα προσπέσει µόνο στις περιοχές εκείνες που τις αφήνει εκτεθειµένες η µάσκα. Το φωτοευαίσθητο υλικό είναι ένα γαλάκτωµα που πολυµερίζεται όταν εκτεθεί στο υπεριώδες φως. Κατά τη διαδικασία

2 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 2 εµφάνισης του φιλµ οι περιοχές του υµενίου στις οποίες δεν έπεσε το φως αποµακρύνονται καθώς διαλύονται σε κατάλληλο χηµικό όπως το τριχλωροαιθυλένιο (σε αντίθεση µε αυτές που πολυµερίστηκαν οι οποίες παραµένουν). Έτσι το chip περιλαµβάνει προστατευµένες και µη προστατευµένες περιοχές από υµένιο περιοχές. Οι µη προστατευµένες από το υµένιο περιοχές υποβάλλονται σε χηµική χάραξη (εµβάπτιση σε διάλυµα HCl) για αποµάκρυνση του οξειδίου του πυριτίου από αυτές και στη συνέχεια υπόκεινται σε επεξεργασία που αλλάζει τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Κατόπιν οι πολυµερισµένες περιοχές του υµενίου αποµακρύνονται και αυτές µε χρήση χηµικού διαλυτικού (H 2 SO 4 ) σε συνδυασµό µε µηχανική χάραξη. Προστίθεται νέο στρώµα υλικού και η διαδικασία επαναλαµβάνεται στρώµα-στρώµα. Όταν η πολυστρωµατική δοµή ολοκληρωθεί, µε αυτήν την επαναλαµβανόµενη διαδικασία, ακολουθεί η επιµετάλλωση. Και για την επιµετάλλωση, στην πολυστρωµατική δοµή επιστρώνεται φωτοευαίσθητο υλικό το οποίο εκτίθεται σε υπεριώδη ηλεκτροµαγνητική ακτινοβολία η οποία προσπίπτει σε αυτό περνώντας δια µέσου µιας µάσκας. Ρόλος της µάσκας σε αυτήν την περίπτωση, είναι ο καθορισµός όλων των ηλεκτρικών συνδέσεων µεταξύ των διαφόρων µερών του chip. Το φιλµ εµφανίζεται και τα µη εκτεθειµένα στο φως (µη πολυµερισµένα) µέρη του αποµακρύνονται. Στη συνέχεια, το µέταλλο που δεν προστατεύεται από το υµένιο αποµακρύνεται για να σχηµατιστούν έτσι οι ηλεκτρικές συνδέσεις. Στο τελικό στάδιο, το chip ελέγχεται και συσκευάζεται (test & package). Σε διαδικασίες µαζικής παραγωγής, η χρήση της µάσκας σε κάθε βήµα που περιγράφηκε προηγουµένως γίνεται σε περισσότερα του ενός chip κάθε φορά. Με µια βηµατική διαδικασία (stepping process) σε ένα µεγάλο υπόβαθρο πυριτίου σχηµατίζονται chips το ένα δίπλα στο άλλο. Το υπόβαθρο του πυριτίου µετακινείται βηµατικά κάτω από τη µάσκα

3 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 3 και υπό την έκθεση της UV ακτινοβολίας. Με τον τρόπο αυτό επαναλαµβάνονται οι ίδιες διαδικασίες φωτολιθογραφίας από chip σε chip χρησιµοποιώντας την ίδια µάσκα. Το φωτοευαίσθητο υλικό για το οποίο έγινε αναφορά στην προηγούµενη περιγραφή της φωτολιθογραφίας χαρακτηρίζεται ως αρνητικό (negative photoresist). Στην τεχνική της φωτολιθογραφίας µπορεί να χρησιµοποιηθεί και θετικό φωτοευαίσθητο υλικό. Στην περίπτωση αυτή το τµήµα του φωτοευαίσθητου υλικού που εκτίθεται στο φως αποσυντίθεται και αποµακρύνεται µε πλύση για να παραµείνουν τα τµήµατα που βρίσκονταν κάτω από τις αδιαφανείς περιοχές της µάσκας. Σε κάθε περίπτωση, το φωτοευαίσθητο υλικό που θα παραµείνει θα πρέπει να κολλά πολύ καλά στην επιφάνεια του στρώµατος που πρόκειται να προστατέψει από τη χηµική διάβρωση και να δίνει ξεκάθαρες και απότοµες διαχωριστικές επιφάνειες ώστε να γίνει στη συνέχεια µε µεγάλη χωρική ακρίβεια η αποµάκρυνση του διοξειδίου του πυριτίου, του αλουµινίου ή του πολυκρυσταλλικού πυριτίου, ανάλογα µε την περίπτωση, από τις µη προστατευµένες περιοχές. Ακολουθεί αναλυτικότερη παρουσίαση των βηµάτων για την παραγωγή ενός ολοκληρωµένου κυκλώµατος. 1. ηµιουργούνται και ελέγχονται σε ηλεκτρονικό υπολογιστή κατασκευαστικά σχέδια σε µεγάλη κλίµακα για ευκολότερο χειρισµό των λεπτοµερειών. 2. Από τα σχέδια αυτά κατασκευάζονται µε σµίκρυνση οι αντίστοιχες µάσκες. Το σχέδιο του κυκλώµατος αποτελείται από διάφορα επίπεδα µάσκας. Παρατήρηση: Για µεγαλύτερη ακρίβεια, αντί της φωτολιθογραφίας µπορεί πολλές φορές να

4 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 4 χρησιµοποιηθεί η λιθογραφία ηλεκτρονικής δέσµης πάνω σε υλικά µάσκας ευαίσθητα σε ηλεκτρόνια. Μπορούν έτσι να αναδειχτούν µικρότερες λεπτοµέρειες στη σχεδίαση αφού αυτές εξαρτώνται από το µήκος κύµατος. Το µήκος κύµατος µιας δέσµης ηλεκτρονίων είναι πολύ µικρότερο από αυτό της UV ακτινοβολίας. 3. Παρασκευάζεται κάτω από ελεγχόµενες συνθήκες µια ράβδος µονοκρυσταλλικού πυριτίου εξαιρετικά υψηλής καθαρότητας. 4. Η ράβδος πυριτίου χωρίζεται µε διαµάντι σε λεπτές φέτες wafers (δηλαδή στα ελληνικά µπισκότα λόγω της διατοµής τους σε σχήµα κυκλικού δίσκου) οι οποίες στη συνέχεια λειαίνονται σε πολλαπλά στάδια για να αποκτήσουν µια πολύ λεία επιφάνεια που µοιάζει µε καθρέπτη. 5. Το κάθε µπισκότο καλύπτεται µε µονωτικό στρώµα οξειδίου του πυριτίου. 6. Επάνω στο µονωτικό στρώµα οξειδίου αναπτύσσεται προστατευτικό υµένιο που όπως και το φιλµ σε µια συνηθισµένη κάµερα είναι ευαίσθητο στο φως. Το φωτοευαίσθητο υλικό τοποθετείται σε µορφή µικρής σταγόνας διαλύµατος στο κέντρο ενός wafer το οποίο στη συνέχεια περιστρέφεται µε αρκετές χιλιάδες στροφές το λεπτό και έτσι λόγω του ιξώδους του το διάλυµα εξαπλώνεται φυγοκεντρικά (spin coating) πάνω στο wafer όπου και θερµαίνεται µε ζεστό αέρα ή υπέρυθρη ακτινοβολία για να αποµακρυνθεί ο διαλύτης (soft bake). 7. Ακολουθεί η έκθεση του µπισκότου σε υπεριώδες φως το οποίο διαµέσου της κατάλληλης µάσκας προσπίπτει στο φωτοευαίσθητο φιλµ. Στις περιοχές του φιλµ όπου η µάσκα αφήνει το φως να πέσει το προστατευτικό υλικό πολυµερίζεται (φωτοπολυµερισµός).

5 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 5 8. Σε µια διαδικασία εµφάνισης που περιλαµβάνει χηµική διάλυση µε τριχλωροαιθυλένιο τα τµήµατα του προστατευτικού υλικού που δεν εκτέθηκαν στο φως και δεν πολυµερίστηκαν αποµακρύνονται. Το προστατευτικό υλικό που πολυµερίστηκε στη συνέχεια στερεώνεται θερµικά (hard bake) ώστε να µείνει ανεπηρέαστο στο βήµα διάβρωσης και µηχανικής χάραξης που θα ακολουθήσει. 9. Ακολουθεί µια διαδικασία χηµικής χάραξης etching. Σε αυτήν τη διαδικασία αποµακρύνεται το µη προστατευµένο µονωτικό υλικό δηµιουργώντας έτσι ένα σχέδιο (pattern) από µη προστατευµένες περιοχές πυριτίου οι οποίες περιστοιχίζονται από άλλες περιοχές µε πυρίτιο που προστατεύεται από οξείδιο του πυριτίου το οποίο µε κατάλληλες µάσκες διατηρήθηκε και δε χαράχτηκε χηµικά. 10. Οι µη προστατευµένες εκτεθειµένες περιοχές του πυριτίου υποβάλλονται σε µια διαδικασία αλλαγής των ηλεκτρικών τους χαρακτηριστικών. Η διαδικασία αυτή ονοµάζεται doping και περιλαµβάνει διαχύσεις ή εµφυτεύσεις προσµίξεων και θερµική επεξεργασία. Τα βήµατα 5-10 επαναλαµβάνονται προκειµένου να αναπτυχθεί στρώµα-στρώµα µια πολυστρωµατική δοµή η οποία µπορεί να περιλαµβάνει τόσο µονωτικά όσο και αγώγιµα στρώµατα. 11. Αφού κατασκευαστούν όλα τα επιµέρους τµήµατα πάνω στο chip ακολουθεί η διαδικασία της επιµετάλλωσης για την ηλεκτρική διασύνδεση των επιµέρους τµηµάτων. Πρώτο βήµα σε αυτή τη διαδικασία αποτελεί η εναπόθεση µετάλλου πάνω στο chip. 12. Στην επιφάνεια του µετάλλου τοποθετείται φωτοευαίσθητο (στο UV) υλικό. 13. Υπεριώδες φως προσπίπτει δια µέσου κατάλληλης µάσκας πάνω στο φωτοευαίσθητο υλικό. Η µάσκα είναι έτσι φτιαγµένη ώστε να

6 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 6 µπορεί να οριοθετήσει τις µεταλλικές συνδέσεις µεταξύ των διαφόρων µερών του chip. 14. Με κατάλληλα χηµικά αποµακρύνονται οι περιοχές από το φωτοευαίσθητο υλικό στις οποίες η µάσκα ήταν αδιαφανής µη επιτρέποντας να πέσει το φως σε αυτές. 15. Με µια διαδικασία χηµικής χάραξης αποµακρύνεται το µέταλλο που δεν προστατεύεται από φωτοευαίσθητο υλικό. Μένει έτσι το µέταλλο των µεταλλικών συνδέσεων το οποίο παρουσιάζει µια τέτοια κατανοµή πάνω στο chip όπως αυτή που καθόρισε η µάσκα. 16. Στα σύγχρονα ολοκληρωµένα κυκλώµατα µέσα από επανάληψη της προαναφερθείσης διαδικασίας είναι δυνατό να κατασκευάζονται πολλαπλά επίπεδα επιµετάλλωσης χωρισµένα µε µονωτικά στρώµατα για αποφυγή ανεπιθύµητων βραχυκυκλωµάτων. 17. Μετά την ολοκλήρωση της τελευταίας φάσης της επιµετάλλωσης τα ολοκληρωµένα που παράχθηκαν ελέγχονται για τις επιδόσεις τους. 18. Με τη βοήθεια διαµαντιού, τα chips διαχωρίζονται µεταξύ τους ώστε να αποτελέσουν αυτόνοµα ολοκληρωµένα κυκλώµατα. 19. Το κάθε chip συσκευάζεται σε µια προστατευτική θήκη και τοποθετούνται κατάλληλοι µεταλλικοί ακροδέκτες που θα παίξουν το ρόλο των εισόδων, των εξόδων και των συνδέσεων τροφοδοσίας του ολοκληρωµένου κυκλώµατος. 20. Ακολουθεί νέος έλεγχος λειτουργίας και αξιοπιστίας και προώθηση των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων στους κατασκευαστές ηλεκτρονικών συσκευών.

7 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 7 Α.2 Χηµική χάραξη διάβρωση (Εtching). Στον πίνακα που ακολουθεί παρουσιάζονται τα πιο κοινά υλικά που υπόκεινται σε χηµική χάραξη κατά τις επίπεδες διεργασίες της µικροηλεκτρονικής και τα αντίστοιχα διαλύµατα (etching solutions) που απαιτούνται. Πίνακας 1. Υλικά προς χηµική χάραξη και τα αντίστοιχα διαλύµατα που απαιτούνται Υλικό ιάλυµα SiO 2 HF πολυκρυσταλλικό Si HF Si 3 N 4 Φωσφορικό οξύ εν βρασµώ Αλουµίνιο Φωσφορικό οξύ Από τα υλικά του πίνακα, το SiO 2 και το Si 3 N 4 χρησιµοποιούνται ως µονωτικά υλικά µε το SiO 2 να χρησιµοποιείται παράλληλα και σαν µάσκα στις επίπεδες διεργασίες. Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο χρησιµοποιείται ως αγώγιµο υλικό πύλης σε κάποια MOS τρανζίστορ ενώ το αλουµίνιο είναι το κύριο υλικό για τις επιµεταλλώσεις και τη δηµιουργία ακροδεκτών και ηλεκτρικών συνδέσεων µεταξύ των επιµέρους τµηµάτων ενός ολοκληρωµένου κυκλώµατος. Το Si 3 N 4 έχει παρόµοιες ιδιότητες µε το SiO 2 αλλά παρέχει µεγαλύτερη προστασία έναντι των ανεπιθύµητων προσµίξεων και γενικότερα έχει καλύτερες επιδόσεις ως παθητικό στρώµα (passivation layer). To Si 3 N 4 αποµακρύνεται µε τη χρήση βραστού φωσφορικού οξέως όµως το φωτοευαίσθητο υλικό δεν µπορεί να δράσει προστατευτικά έναντι αυτού του οξέως σε αντίθεση µε το διοξείδιο του πυριτίου που µπορεί να δράσει προστατευτικά. Για το λόγο αυτό, στην περίπτωση του Si 3 N 4 ρόλο µάσκας διαδραµατίζει το SiO 2 και όχι το φωτοευαίσθητο υλικό. Έτσι το

8 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 8 Si 3 N 4 συνήθως συναντάται στη µικροηλεκτρονική σε ρόλο παθητικού στρώµατος που περιβάλλεται (sandwich) από στρώµατα SiO 2. Α.3 Οξείδωση του πυριτίου. Το προστατευτικό και µονωτικό στρώµα του SiΟ 2 αναπτύσσεται στην επιφάνεια του wafer πυριτίου µε θερµική οξείδωση σε υψηλή θερµοκρασία ( ο C σε φούρνους χαλαζία µε θερµαντικά σπειρώµατα) µε τους δύο ακόλουθους τρόπους: Si + O2 SiO2 (ξηρή οξείδωση dry oxidation) Si + 2H O SiO + 2H (υγρή οξείδωση wet oxidation) Στην πρώτη περίπτωση η ατµόσφαιρα της οξείδωσης είναι ξηρό οξυγόνο και στη δεύτερη είναι υδρατµοί. Και στις δύο περιπτώσεις, τα οξειδωτικά υλικά έρχονται σε επαφή µε την ελεύθερη επιφάνεια του wafer πυριτίου αντιδρούν µε αυτήν και η διεπιφάνεια SiO 2 -Si σιγά-σιγά κινείται "προς τα κάτω" µέσα στο wafer. Τελικά περίπου το 42-44% του πάχους του οξειδίου που προκύπτει βρίσκεται κάτω από την αρχική επιφάνεια του wafer πυριτίου (Παράρτηµα Α). Η υγρή οξείδωση είναι πολλές φορές ταχύτερη από την ξηρή έχει όµως το µειονέκτηµα ότι απελευθερώνει αέριο υδρογόνο το οποίο διαχέεται γρήγορα και ξεφεύγει από το οξείδιο προκαλώντας του µια σχετική αποδυνάµωση και καθιστώντας το πιο πορώδες. Καθίσταται λοιπόν προφανές πως όταν το ζητούµενο είναι η ανάπτυξη ενός πολύ λεπτού και µε ακρίβεια ελεγχόµενου οξειδίου, όπως για παράδειγµα στην περίπτωση του διηλεκτρικού πύλης σε MOSFET, η µεθοδολογία θερµικής οξείδωσης που προκρίνεται είναι αυτή της ξηρής οξείδωσης.

9 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 9 Α.4 Τεχνικές εναπόθεσης (CVD - Sputtering). Α.4.1. CVD. Κατά τις επίπεδες διεργασίες της µικροηλεκτρονικής, το SiO 2 το Si 3 N 4 και το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο εναποτίθενται σε άλλο υλικό (συνήθως στο πυρίτιο) µε την τεχνική της χηµικής εναπόθεσης ατµών (Chemical Vapor Deposition - CVD). Η τεχνική CVD περιλαµβάνει µια σειρά διαδικασιών µε κεντρική φιλοσοφία την υλοποίηση µιας χηµικής αντίδρασης σε υψηλή θερµοκρασία χρησιµοποιώντας ένα αέριο όπως το υδρογόνο ή το άζωτο σαν αέριο φορέα. ιοξείδιο του πυριτίου. Η εναπόθεση του διοξειδίου του πυριτίου γίνεται µε την αντίδραση µεταξύ σιλανίου (SiH 4 ) και οξυγόνου σε θερµοκρασίες ο C χρησιµοποιώντας N 2 σαν αέριο φορέα: SiH + 2O SiO + 2H O o C Πρόκειται για µια πολύ χρήσιµη αντίδραση επειδή επιτρέπει την εναπόθεση διοξειδίου του πυριτίου ακόµη και πάνω από µια επιµετάλλωση αλουµινίου. Αυτό καθίσταται εφικτό λόγω του σχετικά χαµηλού εύρους θερµοκρασιών της αντίδρασης συγκριτικά µε το σηµείο τήξης του αλουµινίου (660 ο C). Παράλληλα, υπάρχει η δυνατότητα κατά τη διάρκεια της εναπόθεσης να διοχετεύονται στον αέριο φορέα και προσµίξεις έτσι ώστε να παραχθεί ένα ντοπαρισµένο οξείδιο που µπορεί να χρησιµοποιηθεί σαν πηγή για διάχυση προσµίξεων µέσα στο πυρίτιο. Νιτρίδιο του πυριτίου (Si 3 N 4 ). Η εναπόθεση νιτριδίου του πυριτίου επιτυγχάνεται µε αλληλεπίδραση σιλανίου και αµµωνίας γύρω στους 700 ο C µε βάση την αντίδραση:

10 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 10 3SiH + 4NH Si N + 12H o C παρέχοντας ένα πολύ πυκνό διηλεκτρικό µε εξαιρετικές ιδιότητες για δράση ως passivation layer. Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο, επιταξιακή ανάπτυξη πυριτίου. Η εναπόθεση γίνεται µε διάσπαση του σιλανίου σε ατµόσφαιρα υδρογόνου στους 1000 ο C περίπου: o C SiH Si + 2H Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο συνήθως εναποτίθεται πάνω σε λεπτό στρώµα διοξειδίου του πυριτίου για την κατασκευή της πύλης (υποκαθιστώντας τη µεταλλική πύλη) σε MOS τρανζίστορ. Η σηµασία όµως της προηγούµενης αντίδρασης είναι πολύ µεγαλύτερη αν ληφθεί υπόψη ότι η πραγµατοποίησή της πάνω σε επιφάνεια πυριτίου (αντί επί της επιφάνειας του λεπτού διοξειδίου του πυριτίου στην περίπτωση της πύλης MOSFET) µπορεί µε κατάλληλες συνθήκες να οδηγήσει στο σχηµατισµό επιταξιακού στρώµατος πυριτίου πάνω στο πυρίτιο. Το πυρίτιο δηλαδή εναποτίθεται ακολουθώντας την κρυσταλλική δοµή του υποβάθρου πυριτίου που το υποδέχεται. Η επιταξιακή αυτή τεχνική εναπόθεσης πυριτίου σε πυρίτιο µπορεί να συνδυαστεί µε παράλληλη διοχέτευση προσµίξεων δότη (As, P, Sb) ή αποδέκτη (B) για τη δηµιουργία οµοιόµορφα ντοπαρισµένων στρωµάτων πυριτίου n- ή p-τύπου αντίστοιχα πάνω στο πυρίτιο. ιαδικασία που είναι πολύ διαδεδοµένη στην ανάπτυξη διπολικών διατάξεων. Επιµετάλλωση (π.χ. εναπόθεση αλουµινίου). Η συγκεκριµένη επίπεδη διεργασία πραγµατοποιείται µε εξάχνωση του µετάλλου σε κενό (vacuum evaporation). Το υψηλό κενό παρέχει µια µεγάλη µέση ελεύθερη διαδροµή στους ατµούς του µετάλλου εξασφαλίζοντας κατάλληλες

11 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 11 συνθήκες εναπόθεσης. Η εξάχνωση επιτυγχάνεται είτε µε θερµαινόµενο νήµα είτε µε βοµβαρδισµό κάνοντας χρήση δέσµης ηλεκτρονίων. Η πυκνότητα ρεύµατος σε αυτήν τη διαδικασία δεν µπορεί να ξεπερνά τα µερικά ma/µm2 επειδή οι µεγάλες πυκνότητες ρεύµατος οδηγούν στο ανεπιθύµητο φαινόµενο του electromigration κατά το οποίο παρατηρούνται αλλού συσσωρεύσεις και αλλού αραιώσεις των εναποτιθέµενων ατόµων του µετάλλου, οδηγώντας έτσι σε τοπικέςεντοπισµένες συνθήκες ανοικτού κυκλώµατος που οδηγούν σε λειτουργικές βλάβες. A.4.2 Sputtering. Μια εναλλακτική µέθοδος εναπόθεσης, που όµως παρέχει µικρότερους ρυθµούς ανάπτυξης υλικού, είναι αυτή του sputtering. Σύµφωνα µε την τεχνική αυτή, θετικά ιόντα τα οποία παράγονται από εκκένωση αίγλης επιταχύνονται µε τη βοήθεια υψηλής τάσης και κατευθύνονται σε µια κάθοδο-στόχο που έχει επιστρωθεί µε το υπό εναπόθεση υλικό. Ο βοµβαρδισµός του υλικού επίστρωσης της καθόδου προκαλεί την απελευθέρωση "sputtering" του επιστρωµένου υλικού, µέρος του οποίου θα κατευθυνθεί προς το wafer και θα εναποτεθεί σε αυτό. Α.5 Μελέτη περίπτωσης: Κατασκευή δοµής MOS µε πύλη αλουµινίου. Στα σχήµατα 1 και 2 παρουσιάζονται οκτώ στάδια κατασκευής µιας δοµής MOS µε παχύ στρώµα οξειδίου και πύλη από αλουµίνιο.

12 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 12 Σχήµα 1. Τα τέσσερα πρώτα στάδια κατασκευής δοµής MOS µε παχύ στρώµα οξειδίου και πύλη από αλουµίνιο.

13 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 13 Σχήµα 2. Τα τέσσερα τελευταία στάδια κατασκευής δοµής MOS µε παχύ στρώµα οξειδίου και πύλη από αλουµίνιο.

14 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 14 (α) η επιφάνεια του υποστρώµατος καθαρίζεται και αναπτύσσονται µερικές χιλιάδες Angstrom (µερικά δέκατα του µm) διοξειδίου του πυριτίου πάνω σε αυτήν για να λειτουργήσουν σα µάσκα παρεµπόδισης της διάχυσης που θα πραγµατοποιηθεί σε επόµενο βήµα. (β) χρησιµοποιείται η πρώτη µάσκα µε φωτοευαίσθητο υλικό που οριοθετεί τις περιοχές στις οποίες θα αποµακρυνθεί το οξείδιο. Το διοξείδιο του πυριτίου θα αποµακρυνθεί από περιοχές όπου πρόκειται να πραγµατοποιηθούν διαχύσεις πηγής και απαγωγού (βλ. κεφ. Τρανζίστορ MOSFET) ή να δηµιουργηθεί ένα στρώµα διάχυσης που θα έχει το ρόλο του µέσου διασύνδεσης. (γ) πραγµατοποιούνται διαχύσεις για τη διαµόρφωση των p+ περιοχών σε πηγή και απαγωγό. Παρατήρηση: Η διαδικασία της προώθησης των προσµίξεων µέσα στο υπόστρωµα απαιτεί θέρµανση του δείγµατος η οποία µπορεί να οδηγήσει σε µικρής έκτασης θερµική οξείδωση των επιφανειών των ντοπαρισµένων περιοχών. (δ) για την κατάλληλη ηλεκτρική αποµόνωση, αναπτύσσεται ένα παχύ στρώµα οξειδίου πάχους 1.5 µm. (ε) χρησιµοποιείται µια δεύτερη µάσκα για την επίτευξη διάβρωσης µέχρι την επιφάνεια του πυριτίου και στις θέσεις που θα αναπτυχθούν οι ακροδέκτες της συσκευής. (στ) χωρίς τη χρήση µάσκας, αναπτύσσεται ένα λεπτό στρώµα διοξειδίου του πυριτίου πάχους µm στην επιφάνεια ολόκληρης της δοµής αλλά η χρήση του περιορίζεται στο σχηµατισµό του λεπτού διηλεκτρικού της πύλης του MOSFET. Η παρουσία λοιπόν του λεπτού αυτού οξειδίου είναι ανεπιθύµητη στις περιοχές των διαχύσεων πηγής και απαγωγού.

15 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 15 (ζ) µια τρίτη µάσκα θα αφαιρέσει το ανεπιθύµητο οξείδιο από τις διαχύσεις πηγής και απαγωγού γιατί εκεί πρόκειται να κατασκευαστούν οι µεταλλικοί ακροδέκτες. (η) δηµιουργία ακροδεκτών: a. πραγµατοποιείται επιµετάλλωση σε ολόκληρη την επιφάνεια της δοµής b. µια τέταρτη µάσκα καθορίζει τις περιοχές όπου το µέταλλο δεν είναι επιθυµητό και θα πρέπει να αφαιρεθεί. Β. Παραδείγµατα βασικών ολοκληρωµένων δοµών µικροηλεκτρονικής. Β.1 ιπολικά τρανζίστορ επαφής (BJT). Στο σχήµα 3 παρουσιάζεται η τοµή ενός οριζόντιου pnp transistor επαφής. Η δοµή χαρακτηρίζεται ως οριζόντια επειδή τα τρία στοιχεία του Σχήµα 3. Τοµή οριζόντιου pnp διπολικού transistor επαφής

16 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 16 τρανζίστορ (εκποµπός, βάση και συλλέκτης) βρίσκονται στο ίδιο οριζόντιο επίπεδο σε αντίθεση µε το κατακόρυφο τρανζίστορ όπου η διάταξή τους είναι κατακόρυφη (σχήµα 4). Οι p-τύπου διαχύσεις στο σχήµα 3 σχηµατίζουν τις περιοχές του συλλέκτη και του εκποµπού. Η n + -τύπου διάχυση στην περιοχή της βάσης χρειάζεται για να διαµορφωθεί µια αρκετά καλή ωµική επαφή της n-τύπου βάσης µε τον µεταλλικό ακροδέκτη της βάσης. Το αλουµίνιο από το οποίο αποτελείται ο µεταλλικός ακροδέκτης της βάσης δρα σαν p-τύπου πρόσµιξη στο πυρίτιο. Όποτε λοιπόν ένας ακροδέκτης έρχεται σε επαφή µε n-τύπου πυρίτιο δηµιουργείται µια pn επαφή. Προς αποφυγή της δηµιουργίας αυτής της παρασιτικής διόδου, κάθε φορά που ένας ακροδέκτης αλουµινίου πρόκειται να έρθει σε επαφή µε n-τύπου πυρίτιο, παρεµβάλλεται ανάµεσα σε αυτόν και το n-τύπου πυρίτιο µια n + διάχυση µε στόχο την επίτευξη ωµικής επαφής. Με διαδικασία παρόµοια µε αυτή των pnp κατασκευάζεται και ένα npn BJT (σχήµα 5) µε τη διαφορά όµως ότι το οριζόντιο τρανζίστορ pnp έχει αισθητά µικρότερη τιµή της παραµέτρου β σε σύγκριση µε το npn επειδή ο εκποµπός του είναι p-τύπου και δεν εγχέει προς τη βάση του τόσους φορείς µειονότητας (οπές) όσους µπορεί να εγχέει (ηλεκτρόνια) στη δική του (p-τύπου) βάση ο n + εκποµπός του npn BJT. Σχήµα 4. Τοµή κατακόρυφου pnp διπολικού transistor επαφής

17 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 17 Σχήµα 5. Τοµή κατακόρυφου npn διπολικού transistor επαφής Επίσης αν συγκριθούν οι επιφάνειες βάσης του οριζόντιου pnp και του κατακόρυφου npn τρανζίστορ (σχήµατα 3 και 5 αντίστοιχα) παρατηρούµε µεγαλύτερη επιφάνεια στο οριζόντιο pnp τρανζίστορ γεγονός που δικαιολογεί και τα µικρότερα ρεύµατα συλλέκτη στα οποία το οριζόντιο pnp BJT λειτουργεί. Αντίθετα, τα κατακόρυφα τρανζίστορ (σχήµα 4) χρησιµοποιούν το υπόστρωµα ως συλλέκτη (γι αυτό και ονοµάζονται και pnp BJT υποστρώµατος) και µπορούν να χρησιµοποιηθούν σε εφαρµογές που απαιτούν µεγαλύτερο ρεύµα ή ισχύ. Το p + ντοπάρισµα στα όρια του κατακόρυφου npn BJT (δεξιά και αριστερά στο σχήµα 5) αποσκοπεί στην αποµόνωση αυτής της συσκευής από γειτονικές συσκευές που κατασκευάζονται στο ίδιο υπόβαθρο. Στα σχήµατα 6 και 7 παρουσιάζεται µια γενίκευση της δοµής του σχήµατος 5. Το διπολικό τρανζίστορ πολλαπλών εκποµπών και τα ισοδύναµα κυκλώµατα-σύµβολά του αντίστοιχα. Όπως αναπτύσσεται στο κεφάλαιο των ψηφιακών κυκλωµάτων µικροηλεκτρονικής, οι τρεις επαφές εκποµπού συµπεριφέρονται σαν τρεις δίοδοι κοινής ανόδου στην οικογένεια λογικής TTL.

18 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 18 Σχήµα 6. Τοµή npn transistor πολλαπλών εκποµπών Σχήµα 7. Ισοδύναµα κυκλώµατα-σύµβολα της δοµής του npn transistor πολλαπλών εκποµπών του σχήµατος 6 Στο κύκλωµα του σχήµατος 8 παρουσιάζεται µια τροποποίηση της δοµής του σχήµατος 6. Ο ακροδέκτης της βάσης στο σχήµα 8 ουσιαστικά εφάπτεται και στο συλλέκτη. Αν η επαφή του ακροδέκτη αλουµινίου µε τον n-τύπου συλλέκτη ήταν ωµική τότε θα µιλούσαµε για βραχυκύκλωµα µεταξύ βάσης και συλλέκτη. ε µεσολαβεί όµως κάποια διάχυση n + µεταξύ του n-τύπου συλλέκτη και του ακροδέκτη που συµπεριφέρεται

19 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 19 όπως έχει ήδη αναφερθεί σαν p-περιοχή. Κατά συνέπεια έχουµε επαφή µετάλλου-ηµιαγωγού και όχι ωµική επαφή. Αυτή η επαφή ονοµάζεται δίοδος Schottky και το τρανζίστορ του σχήµατος 8 τρανζίστορ Schottky. Ο ρόλος αυτής της ένωσης βάση και συλλέκτη µε δίοδο (σχήµα 9) είναι Σχήµα 8. Τρανζίστορ Schottky. Η βάση και ο συλλέκτης συνδέονται µεταξύ τους µε δίοδο Schottky. Σχήµα 9. (α) Σύνδεση της βάσης µε το συλλέκτη ενός τρανζίστορ διαµέσου µιας διόδου Schottky για τη δηµιουργίας ενός τρανζίστορ Schottky (β) Σύµβολο του τρανζίστορ Schottky.

20 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 20 το να αποτρέψει το τρανζίστορ να φτάσει στον κόρο αυξάνοντας έτσι την ταχύτητα µεταγωγής του. Β.2 FET Επαφής (JFET). Στο σχήµα 10 παρουσιάζεται η τοµή ενός τρανζίστορ επίδρασης πεδίου επαφής (JFET) n-καναλιού. Σχήµα 10. FET επαφής (JFET) n- καναλιού. Κατά τα γνωστά πλέον, οι περιοχές p + δεξιά και αριστερά της δοµής έχουν διαχυθεί στο επιταξιακό στρώµα τύπου n, που θα αποτελέσει το δίαυλο (κανάλι) του FET, για να χρησιµοποιηθούν ως µόνωση από γειτονικές συσκευές που κατασκευάζονται στο ίδιο υπόστρωµα.. Η κεντρική p + είναι η ντοπαρισµένη περιοχή της πύλης και έχει σχηµατιστεί µέσα στο n-τύπου κανάλι. Παράλληλα, οι n + διαχύσεις (ή εµφυτεύσεις) εντός του n-καναλιού στις περιοχές των ακροδεκτών της πηγής και του απαγωγού γίνονται για την επίτευξη καλών ωµικών επαφών.

21 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 21 Β.3 Ολοκληρωµένες µονολιθικές δίοδοι. Σχήµα 11. Μονολιθικές δίοδοι µε χρήση δοµών τρανζίστορ Οι pn επαφές που ούτως ή άλλως υπάρχουν στις δοµές των διπολικών τρανζίστορ επαφής µπορούν µε κατάλληλη προεργασία κατά τη διάρκεια της επιµετάλλωσης ή κατά το προγενέστερο στάδιο των διαχύσεων να µετατραπούν σε διόδους. Μπορεί µε αυτό το σκεπτικό να γίνει αξιοποίηση τόσο της επαφής βάσης-εκποµπού (σχήµα 11α & 11β) όσο και της επαφής βάσης-συλλέκτη (σχήµα 11γ). Στο σχήµα 11 παρουσιάζονται οι τρεις πιο διαδεδοµένες συνδεσµολογίες µε τα αντίστοιχα σύµβολά τους. Για λόγους εµπέδωσης της διαδικασίας ολοκλήρωσης, οι τρεις συνδεσµολογίες παρουσιάζονται µονωµένες µεταξύ τους µε p + διαχύσεις πάνω στο ίδιο µονολιθικό ολοκληρωµένο κύκλωµα.

22 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 22 Ερώτηση αυτοαξιολόγησης: Oι δοµές των npn τρανζίστορ στο σχήµα 11 είναι κατακόρυφης ή οριζόντιας αρχιτεκτονικής; Την απάντηση θα τη βρείτε στο τέλος του κεφαλαίου. Οι δοµές διόδου που παρουσιάζονται στο σχήµα 11 είναι κατά σειρά: ίοδος εκποµπού-βάσης µε το συλλέκτη βραχυκυκλωµένο µε τη βάση. ίοδος εκποµπού-βάσης µε ανοικτό συλλέκτη. ίοδος συλλέκτη-βάσης χωρίς να έχει γίνει σχηµατιστεί ο εκποµπός (απουσία σταδίου διάχυσης ή εµφύτευσης εκποµπού). Σχήµα 12. Μονολιθικές δίοδοι σε ζεύγος κοινής ανόδου Στο σχήµα 12 παρουσιάζεται ένα ζεύγος διόδων κοινής ανόδου. Οι δύο δίοδοι είναι δίοδοι βάσης-συλλέκτη µε απουσία εκποµπού. Αποµονώνονται η µία από την άλλη µε µια p + διάχυση ή εµφύτευση και στη συνέχεια βραχυκυκλώνονται εξωτερικά µε επιµετάλλωση οι άνοδοί

23 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 23 τους. Το ζεύγος διόδων αποµονώνεται από λοιπές γειτονικές συσκευές µε p + διάχυση ή εµφύτευση. Σχήµα 13. Μονολιθικές δίοδοι σε ζεύγος κοινής καθόδου Στο σχήµα 13 παρουσιάζεται ένα ζεύγος διόδων κοινής καθόδου. Οι δύο δίοδοι είναι και εδώ δίοδοι βάσης-συλλέκτη µε απουσία εκποµπού. Τέλος, στο σχήµα 14 παρουσιάζεται η δοµή µιας διόδου Schottky µε το αντίστοιχο σύµβολό της. Ο ακροδέκτης της ανόδου σχηµατίζει µια ανορθωτική επαφή αφού το αλουµίνιο που συµπεριφέρεται σαν p-τύπου πρόσµιξη (όταν βρίσκεται σε επαφή µε το πυρίτιο) συνδέεται απευθείας µε το n-τύπου πυρίτιο. Αντίθετα, στον ακροδέκτη της καθόδου η επαφή είναι ωµική λόγω της n + διάχυσης. Η διάχυση αυτή ουσιαστικά µειώνει το φράγµα δυναµικού που οφείλεται στη διαφορά της συγκέντρωσης ελευθέρων φορέων ανάµεσα στα δύο υλικά που βρίσκονται σε επαφή. Με δεδοµένη τη µεταλλική φύση της ανόδου και την απουσία φορέων µειονότητας στα µέταλλα, η δίοδος Schottky είναι µια συσκευή που η λειτουργία της βασίζεται στους φορείς πλειονότητας. Το γεγονός αυτό

24 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 24 της εξασφαλίζει µεγάλες ταχύτητες µεταγωγής γεγονός που αποτελεί και το µεγάλο της πλεονέκτηµα έναντι της διόδου επαφής πυριτίου. Στη συµβατική δίοδο, οι χρόνοι διατήρησης (αποθήκευσης) των φορέων µειονότητας στα όρια της επαφής κατά τη µετάβαση της πόλωσης από την ορθή στην ανάστροφη αποτελούν µια σηµαντική πηγή χρονοκαθυστέρησης της µεταγωγής. Οι φορείς µειονότητας που εγχύθηκαν κατά την ορθή πόλωση δε µηδενίζονται ακαριαία όταν η δίοδος πολωθεί ανάστροφα, αλλά µέσα σε χρόνο t απ που ονοµάζεται χρόνος αποθήκευσης. Ο συνολικός χρόνος µεταγωγής ισούται µε το άθροισµα του χρόνου αποθήκευσης και του χρόνου µετάβασης, t µετ (σχήµα 15). Στην ανορθωτική επαφή µετάλλου ηµιαγωγού της διόδου Schottky ο χρόνος αποθήκευσης είναι αµελητέος και ο χρόνος µεταγωγής είναι σχεδόν ίσος µε το χρόνο µετάβασης. Σχήµα 14. ίοδος Schottky

25 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 25 Σχήµα 15. Τα χαρακτηριστικά της µεταγωγής µιας διόδου pn επαφής από την κατάσταση ορθής πόλωσης στην κατάσταση ανάστροφης πόλωσης. Οι φορείς µειονότητας που εγχύθηκαν κατά την ορθή πόλωση δε µηδενίζονται ακαριαία όταν η δίοδος πολωθεί ανάστροφα, αλλά µέσα σε χρόνο t απ. Η χαρακτηριστική ρεύµατος τάσης της διόδου Schottky είναι παρόµοια µε αυτήν της διόδου επαφής πυριτίου µε τη διαφορά ότι η τάση κατωφλίου Vκ ώστε να αρχίσει να άγει η δίοδος Schottky στην ορθή πόλωση είναι µικρότερη από αυτήν της διόδου επαφής πυριτίου ενώ το ρεύµα κόρου στην ανάστροφη πόλωση είναι µεγαλύτερο στη Schottky. Και οι δυο αυτές διαφορές οφείλονται στην πολύ µεγαλύτερη συγκέντρωση φορέων που έχει η δίοδος Schottky. Πράγµατι, η µεγάλη συγκέντρωση φορέων οδηγεί σε µεγαλύτερα ρεύµατα (περίπτωση του ρεύµατος κόρου) ενώ τα ίδια ρεύµατα επιτυγχάνονται σε µικρότερες τάσεις (µετατόπιση χαρακτηριστικής i-v σε µικρότερες τάσεις).

26 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 26 B.4 MOS & CMOS. Σχήµα 16. MOSFET προσαύξησης n-καναλιού (NMOS) µε πύλη από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο για µείωση του V T. Σχήµα 17. οµή CMOS (Complementery MOS). Με τα κατάλληλα δυναµικά πύλης δηµιουργείται n-κανάλι αναστροφής στη δοµή NMOS και p-κανάλι αναστροφής στη δοµή PMOS µεταξύ πηγής και απαγωγού.

27 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 27 Στο σχήµα 16 παρουσιάζεται η δοµή ενός MOSFET προσαύξησης n- καναλιού (NMOS) µε τη µεταλλική πύλη να έχει αντικατασταθεί από πολυκρυσταλλικό πυρίτιο για µείωση του δυναµικού κατωφλίου V T. Επίσης, πολλές φορές ως οξείδιο πύλης χρησιµοποιείται το νιτρίδιο του πυριτίου (Si 3 N 4 ) αντί του SiO 2 επειδή το πρώτο είναι περισσότερο αδιαπέραστο στις προσµίξεις που χρησιµοποιούνται για τη διαµόρφωση των ντοπαρισµένων περιοχών του MOSFET. Στο ίδιο σχήµα µπορεί να φανεί ότι λείπει η εκτεταµένη διάχυση p + που χρησιµοποιείται ως νησίδα αποµόνωσης στα διπολικά τρανζίστορ (BJT) και αυξάνει ιδιαίτερα την επιφάνειά τους. Αυτό το γεγονός προσδίδει µια πολύ µεγάλη πυκνότητα εξαρτηµάτων (µερικές δεκάδες φορές µεγαλύτερη από τα BJT) στα ολοκληρωµένα τρανζίστορ τεχνολογίας MOS (IC MOS). Η σηµασία των εµφυτευµάτων p + στις δοµές MOS. Αντί της εκτεταµένης p + διάχυσης, στη δοµή του σχήµατος 16 δηµιουργούνται κάποια p + εµφυτεύµατα τα οποία δηµιουργούν στρώµατα µικρής αντίστασης και οδηγούν στην αυτοµόνωση του MOSFET και την προστασία του από παρασιτικές pn επαφές. Η µικρή αυτή αντίσταση, σε συνδυασµό µε το γεγονός ότι η πηγή και το σώµα (bulk) του υποστρώµατος συνδέονται µε επιµετάλλωση αποκόπτει την παρασιτική δίοδο πηγής υποστρώµατος. Επιπλέον, επειδή κατά τη λειτουργία µιας συσκευής NMOS ο n + απαγωγός βρίσκεται σε υψηλότερο δυναµικό από αυτό της πύλης (άρα και του υποστρώµατος) είναι φανερό πως και η παρασιτική δίοδος απαγωγού υποστρώµατος θα αποκόπτεται καθώς πολώνεται ανάστροφα. Στο σχήµα 17 παρουσιάζεται η δοµή µιας διάταξης CMOS που περιλαµβάνει µια συσκευή NMOS σε σειρά µε µια δοµή PMOS. Για την κατασκευή της δοµής PMOS µέσα στο p-τύπου υπόστρωµα

28 Εισαγωγή στη Μικροηλεκτρονική (ΕΤΥ-482) 28 δηµιουργείται ένα n-τύπου πηγάδι µέσα στο οποίο πραγµατοποιούνται οι εµφυτεύσεις της πηγής και του απαγωγού. Β.5 MOSFET Ισχύος. Σχήµα 18. V MOS FET ισχύος Στο σχήµα 18 παρουσιάζεται η δοµή του V MOS FET ισχύος. Παρατηρήστε τη θέση της πύλης και την ανάπτυξη του επιταξιακού στρώµατος πυριτίου n-τύπου για να µπορεί η δοµή να υποστηρίζει µεγάλα ρεύµατα. Το FET θα άγει µόνο όταν δηµιουργηθούν κανάλια αναστροφής (nτύπου) εντός των p-τύπου διαχύσεων. Τα κανάλια αυτά αναστροφής αποτελούν τους κατάλληλους διαύλους για να υπάρχει ρεύµα µεταξύ n + περιοχής και επιταξιακού στρώµατος. Η ροή του ρεύµατος µεταξύ πηγής και απαγωγού γίνεται στην κατακόρυφη διεύθυνση σε υπόβαθρο και