ΟΛΟΚΛΗΡΩΜΕΝΑ ΚΥΚΛΩΜΑΤΑ Ι. Γενικά Μέχρι τις αρχές της δεκαετίας του 60 τα ηλεκτρικά κυκλώµατα των διαφόρων εφαρµογών περιείχαν λυχνίες είτε στοιχεία ηµιαγωγών τα οποία ήσαν ενεργητικά (πηγές, ενισχυτές, ανορθωτές κ.α.) ή παθητικά (διατάξεις κατανάλωσης ή αποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας στους πυκνωτές αντικατάστασης κ.α.). Ένα βασικό χαρακτηριστικό ήταν ο διακριτός χαρακτήρας των διαφόρων στοιχείων τα οποία συνδέονται µεταξύ τους µε αγωγούς ή αγώγιµες διασυνδέσεις (στην περίπτωση των τυπωµένων σε πλακέτα κυκλωµάτων). Τα κυκλώµατα αυτά ονοµάζονται κυκλώµατα διακριτών (discrete) στοιχείων και αποτελούν τη βάση της συµβατικής Ηλεκτρονικής. Από τις αρχές της δεκαετίας του 60 τα κυκλώµατα διακριτών στοιχείων άρχισαν να αντικαθίστανται από τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα (integrated circuits) τα οποία περιέχουν όλα τα στοιχεία τους καθώς και τις αγώγιµες διασυνδέσεις πάνω σε λεπτά στρώµατα της επιφάνειας µικρού τµήµατος µονοκρυσταλλικού ηµιαγωγού (κυρίως Si ) έτσι ώστε να µην είναι δυνατός ο διαχωρισµός ή η αντικατάσταση των στοιχείων. Το τµήµα αυτό του ηµιαγωγού, µε επιφάνεια µικρότερη από 1 mm 2 και πάχος από 100 400µm, ονοµάζεται chip (ψηφίδα), όρος που έχει κυριαρχήσει στη σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία. Στο σχήµα 1α φαίνεται ένα συµβατικό κύκλωµα διακριτών στοιχείων που περιλαµβάνει αντίσταση πυκνωτή, δίοδο και τρανζίστορ και στο 1β η κατασκευή του σε ολοκληρωµένη µορφή, όπου όλα τα στοιχεία του καθώς και οι αγώγιµες διασυνδέσεις περιέχονται στην επιφάνεια (βάθους µερικών µm) ενός chip πυριτίου. Σχήµα 1. Κύκλωµα σε συµβατική και ολοκληρωµένη µορφή Η ανάπτυξη κυκλωµάτων σε ολοκληρωµένη µορφή έφερε µία πραγµατική επανάσταση στην Τεχνολογία της Ηλεκτρονικής στο τέλος της δεκαετίας του 60 ήταν δυνατή η κατασκευή αρκετά πολύπλοκων κυκλωµάτων µε ενεργητικά και παθητικά στοιχεία και διασυνδέσεις πάνω σ ένα chip. Στη σηµερινή εποχή µε τη βοήθεια της τεχνολογίας ολοκληρωµένων κυκλωµάτων είναι δυνατή και η κατασκευή υποσυστηµάτων και συστηµάτων κυκλωµάτων πάνω σ ένα chip.
2 Η µεγάλη ώθηση στην τεχνολογία των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων έγινε στις αρχές της δεκαετίας του 60 µε την ανάπτυξη της επιπεδικής κατασκευαστικής τεχνικής (planar process). Με βάση την τεχνική αυτή χρησιµοποιήθηκε η είσοδος προσµίξεων µε διάχυση, µέσα σε δισκίδιο (wafer) ηµιαγωγού, µέσω επιλεγµένων περιοχών της επιφάνειάς του µε τη βοήθεια των κατάλληλων µασκών. Με τον τρόπο αυτό έγινε δυνατή η επίτευξη της επιθυµητής συγκέντρωσης προσµίξεων σε περιοχές του ηµιαγωγού, η κατασκευή των στοιχείων του κυκλώµατος και η δηµιουργία των αγώγιµων διασυνδέσεων στην ίδια επιφάνεια του δισκιδίου. Με την τεχνική αυτή µέσα από διαδοχικά κατασκευαστικά στάδια έγινε δυνατή η ταυτόχρονη κατασκευή πολλαπλών στοιχείων και διατάξεων. Το σηµαντικό αυτό πλεονέκτηµα είχε σαν αποτέλεσµα την µαζική κατασκευή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων µε διαστάσεις που συνεχώς µικραίνουν και πυκνότητα στοιχείων που αυξάνει ραγδαία µε σηµαντική µείωση του κόστους κατασκευής. Άλλα πλεονεκτήµατα είναι η µικρή κατανάλωση ισχύος, η µεγάλη αξιοπιστία τους καθώς και η µεγάλη ταχύτητα απόκρισης, παράγοντες που ευνοούν την ευρεία χρήση των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων σε διατάξεις των Η/Υ (µικροεπεξεργαστές, µνήµες κ.α.), σε τηλεπικοινωνιακές εφαρµογές, αυτοµατισµούς κ.α. Μειονεκτήµατα των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων µπορούν να θεωρηθούν η αδυναµία επέµβασης ή επισκευής στο κύκλωµα, η πολυπλοκότητα των κατασκευαστικών βηµάτων καθώς και οι ειδικές εγκαταστάσεις (καθαροί χώροι), µε εξοπλισµό υψηλού κόστους, που απαιτούνται για την κατασκευή τους. Τα µειονεκτήµατα αυτά όµως αντισταθµίζονται από τη δυνατότητα µαζικής παραγωγής ολοκληρωµένων κυκλωµάτων σε µικρό χρονικό διάστηµα. Η πυκνότητα (κλίµακα) ολοκλήρωσης (scale of integration) που συνήθως εκφράζεται σε αριθµό στοιχείων ανά chip καθώς και το ελάχιστο µήκος στοιχείου ενός ολοκληρωµένου κυκλώµατος, είναι δύο χαρακτηριστικά «ανταγωνιστικά» µεγέθη που αποτυπώνουν την εξέλιξη της τεχνολογίας των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων τις τελευταίες δεκαετίες. Έτσι στις αρχές της δεκαετίας του 60 τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα µικρής κλίµακας (SSI: small scale of integration) περιείχαν απο 1-100 στοιχεία ανά chip, µε ελάχιστο µήκος 30-40µm. Στο τέλος της δεκαετίας του 70 η πυκνότητα έφθασε στα επίπεδα του 10 2-10 3 στοιχεία ανά chip (MSI : medium scale of integration) αργότερα έγινε 10 3-10 -5 στοιχεία (LSI: large scale of integration). Προς το τέλος της δεκαετίας του 80 η πυκνότητα έγινε 10 5-10 -6 στοιχεία ανά chip (VLSI : very large scale of integration ) µε ελάχιστο µήκος µικρότερο από 1µm (υποµικρονική τεχνολογία) ενώ στο τέλος της δεκαετίας του 90 εως σήµερα η πυκνότητα κυµαίνεται στα επίπεδα των 10 7-10 9 στοιχείων ανά chip (ULSI : ultra large scale of integration). Μάλιστα στις αρχές της νέας χιλιετίας οι βιοµηχανίες των ηµιαγωγών ξεκίνησαν την παραγωγή των λεγόµενων nanochips, κυκλωµάτων δηλαδή, µε χαρακτηριστικές διαστάσεις µικρότερες από 100 nm.οι απαιτήσεις για αύξηση της πυκνότητας ολοκλήρωσης και µείωσης του κόστους έδωσαν εντυπωσιακή ώθηση, τα τελευταία χρόνια, στην ταχύτητα µείωσης των διαστάσεων.. Στο σχήµα 2 δίνεται µια σχηµατική παράσταση µαζικής κατασκευής ολοκληρωµένων κυκλωµάτων µε βάση την επιπεδική τεχνική όπου φαίνεται και η συγκριτική σµίκρυνση στοιχείων του ολοκληρωµένου κυκλώµατος.
3 Σχήµα 2. Σχηµατική παράσταση επιπεδικής τεχνικής Τα τελευταία χρόνια είµαστε µάρτυρες µιας συνεχούς και εκτεταµένης ανάπτυξης της µικροηλεκτρονικής και συγκεκριµένα της τεχνολογίας CMOS.. Βασικό στοιχείο αυτής της ανάπτυξης είναι η συνεχής σµίκρυνση των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων ως αποτέλεσµα των απαιτήσεων για ηλεκτρονικές διατάξεις υψηλότερων επιδόσεων, χαµηλότερης κατανάλωσης ισχύος και µειωµένου κόστους. Η πρόοδος αυτή επαληθεύει κατά κάποιο τρόπο την πρόβλεψη που έκανε το 1965, ακριβώς 4 χρόνια µετά την ανακάλυψη του πρώτου επίπεδου ολοκληρωµένου κυκλώµατος, ο Gordon Moore (συνιδρυτής της Intel και νυν επίτιµος πρόεδρός της), σύµφωνα µε την οποία, ο αριθµός των τρανζίστορ ανά ολοκληρωµένο κύκλωµα θα διπλασιάζεται κάθε περίπου 18 µήνες. Η πρόβλεψη αυτή έµεινε γνωστή ως «νόµος του Moore». Χαρακτηριστικό παράδειγµα αυτής της προόδου αποτελεί η Intel: Στις αρχές της δεκαετίας του 1970, στις συσκευές της υπήρχαν µερικά εκατοντάδες τρανζίστορ ανά chip. Στον επεξεργαστή Pentium IV που βγήκε στην αγορά το 2000 υπήρχαν 42 εκατοµµύρια τρανζίστορ, ο πιο πρόσφατος Itanium 2 αποτελείται από 410 εκατοµµύρια τρανζίστορ, ενώ τελευταία η εταιρία κατασκεύασε έναν µικροεπεξεργαστή µε 1.7 δισεκατοµµύρια τρανζίστορ. Πριν µερικά χρόνια (12 ος /2000) η ΙΝΤΕLανεκοίνωσε την κατασκευή, σε ερευνητικό επίπεδο, transistor MOSFET µε ελάχιστο µήκος 30nm και πάχος που αντιστοιχεί σε 3 ατοµικά στρώµατα Σε αυτούς τους ρυθµούς κινούνται και οι υπόλοιπες εταιρίες του κλάδου (IBM, AMD, Philips κ.τ.λ.), αφού έτσι ικανοποιείται το αίτηµα για µείωση του κόστους εξαιτίας του γεγονότος ότι πλέον χωράνε πολύ περισσότερα τρανζίστορ σε ένα και µόνο chip. Η Τεχνολογία της Ηλεκτρονικής που ασχολείται µε τη µοντελοποίηση, σχεδιασµό, κατασκευή και αξιοπιστία των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων καλείται Μικροηλεκτρονική Τεχνολογία. Σαν κλάδος της Μικροηλεκτρονικής θα µπορούσε
4 σήµερα να θεωρηθεί η Νανοηλεκτρονική Τεχνολογία που πραγµατεύεται την ανάπτυξη διατάξεων και κυκλωµάτων διαστάσεων νανοκλίµακας όπως προαναφέραµε. εν θα πρέπει να παραλειφθεί ο κλάδος της έρευνας των νέων Υλικών για την κατασκευή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων µε µεγαλύτερη ταχύτητα και πυκνότητα ολοκλήρωσης Σχήµα 3. Εξέλιξη της πυκνότητας transistor ανά ολοκληρωµένο κύκλωµα. 1.2. Τύποι ολοκληρωµένων κυκλωµάτων Η ταξινόµηση των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων µπορεί να γίνει είτε µε βάση την κατασκευαστική διαδικασία και τη δοµή τους είτε µε βάση το λειτουργικό τους ρόλο στις διάφορες εφαρµογές. Έτσι µπορούµε να πούµε ότι τα κυκλώµατα, που προαναφέραµε, µε όλα τα στοιχεία τους και τις διασυνδέσεις κατασκευασµένα στο ίδιο τµήµα µονοκρυσταλλικού Si µέσα σε βάθος µερικών µικρών, αποκαλούνται και µονολιθικά ολοκληρωµένα κυκλώµατα. Υπάρχουν όµως και ολοκληρωµένα κυκλώµατα των οποίων όλα τα στοιχεία και οι αγώγιµες διασυνδέσεις κατασκευάζονται µέσα σε λεπτά στρώµατα υλικών (πάχους µερικών µm) που έχουν εναποτεθεί πάνω σε µονωτικά υποστρώµατα (γυαλί, Al 2 O 3, SiO 2, κεραµικά κ.α.). Τα κυκλώµατα αυτά αποκαλούνται κυκλώµατα λεπτών στρωµάτων (thin films). Συνδυασµός των δύο πιο πάνω κατηγοριών ολοκληρωµένων κυκλωµάτων είναι τα υβριδικά κυκλώµατα καθώς και τα κυκλώµατα πολλαπλών chip (multi chip) µε τα οποία είναι δυνατή η κατασκευή ενός ηλεκτρονικού υποσυστήµατος. Η πλειονότητα των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων στις διάφορες εφαρµογές είναι µονολιθικού τύπου λόγω των σηµαντικών οικονοµικών τους πλεονεκτηµάτων. Τέλος ταξινοµώντας τα
5 ολοκληρωµένα κυκλώµατα µε βάση το λειτουργικό τους ρόλο σ ένα σύστηµα διακρίνουµε τα αναλογικά και τα ψηφιακά. 2. Ανάπτυξη κρυσταλλικού Si Eισαγωγή Όπως προαναναφέραµε, η κατασκευή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων (Ο.Κ.) υψηλών επιδόσεων και πυκνότητας ολοκλήρωσης βασίζεται στην χρησιµοποίηση ηµιαγώγιµων µονοκρυσταλλικών δισκιδίων (wafers) υψηλή ποιότητας. Οι πρώτες κρυσταλλικές διατάξεις (δεκαετία 50) κατασκευάσθηκαν µε Ge, το οποίο όµως, λόγω της χαµηλής θερµοκρασίας λειτουργίας και του προβληµατικού του οξειδίου αντικαταστάθηκε σύντοµα από το Si. Το Si παρουσιάζει σηµαντικά πλεονεκτήµατα (υψηλή θερµοκρασία λειτουργίας,πολύ καλό οξείδιο, χαµηλό κόστος κ.α.) τόσο έναντι του Ge ότι και έναντι των άλλων ηµιαγωγών (βλέπε πίνακα 1). Πίνακας 1 Συγκριτικά στοιχεία µεταξύ Si και Ge Ηµιαγωγός E g (ev) Θερµοκρασία Θερµικό Ενδογενής Κόστος λειτουργίας οξείδιο αντίσταση Si 1.12 150 Πολύ καλό 230 kω cm 1 Ge 0.66 100 Κακό 47 Ω cm 10 Σήµερα, το 95% περίπου της παγκόσµιας παραγωγής Ο.Κ. χρησιµοποιεί σαν βάση το Si ενώ η χρήση του GaAs, αν και παρουσιάζει σηµαντικό ενδιαφέρον, περιορίζεται σε µικρή κλίµακα κυκλωµάτων λόγω των δυσεπίλυτων τεχνολογικών προβληµάτων που ανεβάζουν σηµαντικά το κόστος. Στο κεφάλαιο αυτό θα περιγραφούν συνοπτικά οι τεχνολογικές διαδικασίες για την παρασκευή κρυσταλλικών δισκιδίων Si ξεκινώντας από πρώτη ύλη χαλαζία (SiO 2 ) ή άµµο. Σχηµατικό διάγραµµα φαίνεται στο σχήµα 4.
6 Πρώτη ύλη Μεταλλουργικό Si Ηλεκτρονικό Si Κρυσταλλικό Si ισκίδια Si Μορφοποιηµένα ισκίδια Si Σχήµα 4. Σχηµατικό διάγραµµα διαδικασίας παραγωγής κρυσταλλικού Si 2.1. Παρασκευή πυριτίου ηλεκτρονικού τύπου (EGS) Για την παρασκευή µονοκρυσταλλικών δισκιδίων Si, ως πρώτη ύλη χρησιµοποιείται πολυκρυσταλλικό Si υψηλής καθαρότητας (> 99%) το οποίο καλείται: Ηλεκτρονικό πυρίτιο (Electronic Grade Si: EGS). Η παρασκευή του EGS απαιτεί διαδοχικά στάδια καθαρισµού του υλικού ξεκινώντας από την αρχική πρώτη ύλη χαλαζία (SiO 2 ). Τα στάδια αυτά συνοψίζονται ως εξής: α) Παρασκευή πυριτίου µεταλλουργικού τύπου (MGS). Γίνεται σε φούρνους ηλεκτρικού τόξου µε αρχικά υλικά χαλαζία και άνθρακα σύµφωνα µε τη συνολική αντίδραση: SiC (στερεό) +SiO 2 (στερεό) Si (υγρό) + SiO (αέριο) + CO (αέριο) Το µεταλλουργικό Si δεν είναι ικανοποιητικό για την κατασκευή ηλεκτρονικών διατάξεων καθώς η καθαρότητά του δεν ξεπερνά το 98%, γι' αυτό ακολουθεί νέο στάδιο καθαρισµού.
7 β) Παρασκευή τριχλωροσιλάνης SHCl 3 µε επίδραση HCl σε κονιορτοποιηµένη Si σύµφωνα µε την αντίδραση: Si (στερεό) +3 HCl (αέριο) SiHCl 3 (αέριο) + Η 2 (αέριο) γ) Παρασκευή ηλεκτρονίων Si υψηλής καθαρότητας. Από το αέριο SiHCl 3, µε τη µέθοδο της χηµικής εναπόθεσης από αέρια φάση (ΧΕΑ ή CVD), παρασκευάζεται το ηλεκτρονικό πυρίτιο (EGS) υψηλής καθαρότητας σύµφωνα µε την αντίδραση: 2 SiHCl 3 (αέριο) + 2 Η 2 (αέριο) Si (στερεό) + 6 HCl (αέριο) Απλούστερη διαδικασία και χαµηλότερου κόστους, είναι η µέθοδος της χηµικής εναπόθεσης από αέρια φάση (CVD) κατά την οποίο το EGS παρασκευάζεται από πυρόλυση της σιλάνης SiH 4 σε υψηλή θερµοκρασία (~1000 C): SiH 4 (αέριο) θ Si (στερεό) + 2 Η 2 (αέριο) 2.2. Ανάπτυξη µονοκρυσταλλικού πυριτίου Το ηλεκτρονικό πυρίτιο (EGS) που παρασκευάζεται µε τη µέθοδο που αναπτύχθηκε προηγουµένως έχει πολυκρυσταλλική δοµή, αποτελείται δηλαδή από πολλές µικρές κρυσταλλικές περιοχές (κόκκους) µε αποτέλεσµα τη µειωµένη ευκινησία των ελευθέρων φορέων. Για την κατασκευή ηµιαγώγιµων διατάξεων ή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων είναι απαραίτητη η παραγωγή µονοκρυσταλλικού Si µε προκαθορισµένη συγκέντρωση και τύπο προσµίξεων (n ή p) σε µορφή δισκιδίων που αποτελούν την πρώτη ύλη των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Οι χρησιµοποιούµενες τεχνικές εξασφαλίζουν υψηλή ποιότητα κρυσταλλικού Si κυρίως σε µορφή ράβδων ή λεπτών στρωµάτων σε επιλεγµένα υποστρώµατα. Σηµαντικότερες µέθοδοι κρυσταλλικής ανάπτυξης είναι: η µέθοδος Czochralski, µε την οποία παράγεται το µεγαλύτερο ποσοστό (~98%) του χρησιµοποιούµενου Si από τη βιοµηχανία των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων, καθώς επίσης και η µέθοδος τηγµένης ή κινητής ζώνης (float zone). Για την ανάπτυξη λεπτών κρυσταλλικών στρωµάτων (επιταξίες) χρησιµοποιούνται επιταξιακές µέθοδοι εναπόθεσης (CVD, MBE κ.α.). (α) Μέθοδος Czochralski Ή µέθοδος αυτή βασίζεται στη στερεοποίηση λειωµένου πολυκρυσταλλικού Si µε τη βοήθεια οδηγού µονοκρυστάλλου ή σπόρου που τοποθετείται στο άκρο ενός βραχίονα (puller). Ο οδηγός βυθίζεται µέσα στο τήγµα και µε τη βοήθεια του βραχίονα σύρεται και ταυτόχρονα περιστρέφεται µε σταθερές ταχύτητες παρασύροντας µε αυτόν τον τρόπο µία στερεοποιούµενη µάζα µονοκρυσταλλικού Si σε µορφή κυλινδρικής ράβδου (σχήµα 5).
8 Puller Παράθυρο Οδηγός Κρύσταλλος Θερµαντικό στοιχείο Σχήµα 5. ιάταξη κρυσταλλικής ανάπτυξης µε την τεχνική Czochralski Η διάταξη αποτελείται επίσης από δοχείο πορσελάνης ή χαλαζία µέσα στο οποίο τοποθετείται το πολύ-si. Το δοχείο τοποθετείται σε υποδοχέα γραφίτη και το όλο σύστηµα φέρεται µέσα σε θάλαµο µε ατµόσφαιρα αδρανούς αερίου (Ar, N 2 ) σε πιέσεις από 1 έως 50 Torr. Η αναγκαία θέρµανση για την τήξη του Si παρέχεται είτε µέσω θερµαντικής αντίστασης είτε µέσω επαγωγικού πηνίου RF. Οι επιθυµητές προσµίξεις (dopants), που θα καθορίσουν τον τύπο και τη αγωγιµότητα του κρυστάλλου, µπορεί να εισαχθούν υπό µορφή σκόνης κατά τη διάρκεια της τήξης του πολυκρυσταλλικού Si. Πλεονεκτήµατα της µεθόδου είναι το χαµηλό κόστος, η παραγωγή κρυσταλλικού Si χωρίς ατέλειες και εξαρθρώσεις καθώς επίσης και η επιλογή διαµέτρων των ράβδων που κυµαίνονται από 75 έως 150 mm. Μειονέκτηµα της µεθόδου αποτελεί η εισαγωγή Ο 2, προερχόµενου από το δοχείο χαλαζία, που επηρεάζει την αγωγιµότητα και άλλες ηλεκτρικές παραµέτρους του κρυστάλλου. (β) Μέθοδος κινητής ζώνης Για την παραγωγή Si υψηλής καθαρότητας µε αντιστάσεις 20-10 kω cm και εφαρµογές σε ειδικές διατάξεις (ισχύος, ανιχνευτές κ.α.) χρησιµοποιείται κυρίως η τεχνική της τηγµένης ζώνης (float zone). Η διάταξη που χρησιµοποιείται για το σκοπό αυτό περιλαµβάνει σύστηµα κατακόρυφης κίνησης και περιστροφής όπου είναι στερεωµένη µία ράβδος πολύ-si η οποία στο κάτω µέρος της φέρει στερεωµένο µικρό µονοκρυσταλλικό οδηγό (σχήµα 6). Η ράβδος εισάγεται περιστροφικά µέσα σε µία θερµαινόµενη (συνήθως µε πηγή RF) στενή ζώνη, µε µικρή ταχύτητα, έτσι ώστε η µάζα που εισέρχεται στην θερµαινόµενη περιοχή τήκεται και στερεοποιείται καθώς εξέρχεται από αυτή. Επειδή η µάζα που τήκεται αρχικά είναι σε επαφή µε τον κρυσταλλικό οδηγό, κατά τη στερεοποίησή της, κρυσταλλώνεται στην κρυσταλλική διεύθυνση του οδηγού. Το ίδιο συµβαίνει και µε την υπόλοιπη µάζα µε τελικό αποτέλεσµα τη µετατροπή του
9 πολυκρυσταλλικού Si σε µονοκρυσταλλικό. Λόγω της πτητικότητας των προσµίξεων, στην τηγµένη ζώνη του Si, κάθε πέρασµα της ράβδου από την περιοχή αυτή έχει σαν αποτέλεσµα τη µείωση της περιεκτικότητας του κρυστάλλου σε προσµίξεις. Έτσι, η µέθοδος χρησιµοποιείται και για την παραγωγή κρυσταλλικού Si υψηλής καθαρότητας. Πολύ-Si RF Θέρµανση τηγµένη ζώνη Μονοκρύσταλλος Si Holder Κρυσταλλικός οδηγός Σχήµα 6. Ανάπτυξη κρυσταλλικού Si µε την µέθοδο κινητής ζώνης (float zone) Μειονεκτήµατα της µεθόδου είναι το υψηλό κόστος της σε σχέση µε την τεχνική Czochralski και η ανοµοιογένεια στην τιµή της αντίστασης λόγω µεγάλων θερµοκρασιακών διακυµάνσεων κατά τη διάρκεια της παρασκευής. Τέλος, σε εφαρµογές που απαιτούν υψηλή οµοιογένεια προσµίξεων και µεγάλη επιφάνεια chip χρησιµοποιείται η µέθοδος ακτινοβόλησης του Si µε νετρόνια και µετατροπή ενός µέρους του σε φώσφορο (µεταστοιχείωση) µε τελικό προϊόν n-si σύµφωνα µε την αντίδραση: Si 31 31 + νετρ όνια Si + γ + β 30 14 14 P15 2.3. Εναπόθεση επιταξιακών στρωµάτων
10 Αναφέρεται και σαν επίταξη ή επιταξιακή ανάπτυξη και χρησιµοποιείται ευρέως στην κατασκευή των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα λεπτό κρυσταλλικό στρώµα εναποτίθεται πάνω σε ένα επίσης λεπτό κρυσταλλικό υπόστρωµα, ίδιας κρυσταλλικής δοµής, το οποίο στην περίπτωση αυτή παίζει τον ρόλο του κρυστάλλου οδηγού. Οι επιταξιακές µέθοδοι διακρίνονται σε χηµικές, κατά τις οποίες οι πρώτες ύλες είναι διαφορετικές από το τελικό προϊόν λεπτό στρώµα και σε φυσικές, κατά τις οποίες το αρχικό και το τελικό υλικό είναι της ίδιας φύσης αλλά διαφορετικής δοµής. Οι επιταξίες διακρίνονται σε οµοεπιταξίες όταν το λεπτό στρώµα και το υπόστρωµα είναι από το ίδιο υλικό και σε ετεροεπιταξίες όταν τα δύο υλικά είναι διαφορετικά. Η χηµική εναπόθεση ατµών (XEA) ή CVD από τα αρχικά: Chemical Vapor Deposition, λαµβάνει χώρα σε ειδικούς αντιδραστήρες (σχήµα 7) και συνίσταται σε πυρόλυση ή χηµική αντίδραση των προδρόµων υλικών (πρώτες ύλες) σε υψηλές θερµοκρασίες (άνω των 1000 C) του υποστρώµατος έτσι ώστε τα προϊόντα των αντιδράσεων, ατµοί Si, να εναποτίθενται στο κρυσταλλικό υπόστρωµα. N 2 H 2 HCl Dopant SiCl 4 a. b. c. Σχήµα 7. Τύποι αντιδραστήρων χηµικής εναπόθεσης αερίων. a: οριζόντιας ροής, b: κατακόρυφης µε θέρµανση RF πηγής, c: κατακόρυφης µε θέρµανση από ακτινοβολία Τα πρόδροµα υλικά-αέρια που χρησιµοποιούνται για την εναπόθεση επιταξιακού Si είναι ενώσεις του Si όπως: SiCl 4, SiΗ 4, SiCl 2 Η 2, SiCl 3 Η κ.α. Οι χλωριούχες ενώσεις του Si αποσυντίθενται µε την αναγωγή του µε H 2 : 2 SiCl 4 (αέριο) + 2 Η 2 (αέριο) Si (στερεό) + 4 HCl (αέριο) Στην περίπτωση σιλάνης SiΗ 4 γίνεται πυρόλυση στους 1200 C ως εξής: SiH 4 (αέριο) C 1200 Si (στερεό) + 2 Η 2 (αέριο)
11 Τα υποστρώµατα τοποθετούνται εντός του αντιδραστήρα από χαλαζία, σε πλάκες γραφίτη, ενώ η θέρµανση γίνεται µε RF πηγές ή µε θερµαντικές αντιστάσεις ή µε ακτινοβολία από λαµπτήρες. Η ποιότητα και οι ιδιότητες των επιταξιακών στρωµάτων εξαρτώνται από τις συνθήκες εναπόθεσης, όπως θερµοκρασία υποστρώµατος, ροή αερίων, πίεση, χρόνος εναπόθεσης, γεωµετρία υποστρώµατος κ.α. Η εισαγωγή προσµίξεων γίνεται µέσω αερίων ενώσεων που διοχετεύονται στον αντιδραστήρα παράλληλα µε τις πηγές του Si µε την κατάλληλη στοιχειοµετρία. Συνηθέστερες πηγές είναι η φωσφίνη PH3, η αρσίνη AsH3 και το διβοράνιο B 2 H 6. Στο σχήµα 7 φαίνεται διάταξη αντιδραστήρων ΧΕΑ διαφόρων τύπων όπως : οριζόντιου τύπου, κατακόρυφου τύπου µε RF θέρµανση και κατακόρυφου τύπου µε θέρµανση από ακτινοβολία (photocvd). 2.4. Επιταξία Μοριακής έσµης (MBE) Η τεχνική Επιταξίας Μοριακής έσµης είναι η MBE από τα αρχικά των λέξεων Molecular Beam Epitaxy, είναι µία επίσης επιταξιακή µέθοδος, διαφορετική από την ΧΕΑ, που βασίζεται στην εξάχνωση του υλικού. Ο απαιτούµενος εξοπλισµός είναι υψηλού κόστους και η χρήση της µεθόδου προσφέρει κυρίως τα εξής πλεονεκτήµατα: περιέχει διαδικαστικά στάδια χαµηλών, σχετικά µε την ΧΕΑ, θερµοκρασιών (400-800 C) και έτσι αποφεύγεται η διάχυση επιταξιακών προσµίξεων στο επιταξιακό στρώµα. Το δεύτερο πλεονέκτηµα είναι ο ακριβής έλεγχος των επιθυµητών προσµίξεων καθώς επίσης και ο έλεγχος του πάχους του επιταξιακού στρώµατος. Η διαδικασία εναπόθεσης της επιταξίας µε τις προσµίξεις γίνεται µε βάση την εξάχνωση µάζας poly-si και µιας ή περισσοτέρων προσµίξεων (dopants) µέσα σε θάλαµο υπερυψηλού κενού (10 8-10 12 Torr) πάνω σε θερµαινόµενο υπόστρωµα (σχήµα 8). θερµοζεύγος µετρητής πάχους θερµαντική υπόβαθρο φασµοτογράφος µάζας ανιχνευτής ιονισµού e-κανόνι αντλία Ti πηγή Si παράθυρο καλύπτρα turbo µοριακή αντλία στοιχείο εξαέρωσης Sb Σχήµα 8. ιάταξη επιταξίας µοριακής δέσµης ΜΒΕ
12 Η εξάχνωση του Si προκαλείται µε τη βοήθεια δέσµης e προερχοµένων από ηλεκτρονική τηλεβόλο, τα οποία προσπίπτουν στο στόχο Si που βρίσκεται µέσα σε ειδικό κεραµικό δοχείο (crucible). Από τη µετατροπή της κινητικής ενέργειας των e σε θερµική, προκαλείται τήξη και εξάχνωση του Si. Για τη εξάχνωση των προσµίξεων, συνήθως As, P, B κ.α. χρησιµοποιείται στοιχείο τήξης τύπου Knudsen. Τα σύγχρονα συστήµατα MBE είναι αρκετά πιο σύνθετα και προσφέρουν τη δυνατότητα πολλαπλών και επαλλήλων επιταξιακών εναποθέσεων. 3. Μορφοποίηση ισκιδίων Μετά την ανάπτυξη µονοκρυσταλλικών ράβδων Si όπως έχει περιγραφεί, απαιτούνται στη συνέχεια οι κατάλληλες διαδικασίες επεξεργασίας του υλικού για τη παραγωγή µονοκρυσταλλικών δισκιδίων κατάλληλων για την κατασκευή ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Αρχικά αφαιρείται ο οδηγός-σπόρος και στη συνέχεια καθορίζεται η διάµετρος του δισκιδίου µε το κατάλληλο τρόχισµα της ράβδου. Οι διάµετροι των δισκιδίων που κυρίως χρησιµοποιούνται είναι 75, 100, 125 και 150 mm. Στη συνέχεια, αποτυπώνονται ο κρυσταλλογραφικός προσανατολισµός και ο τύπος αγωγιµότητας του υλικού µε τη βοήθεια της απόσπασης µικρών κυκλικών τµηµάτων, όπως φαίνεται στο σχήµα 9.. Σχήµα 9. Αποτύπωση προσανατολισµού και τύπου δισκιδίων Si Στη συνέχεια η ράβδος κόβεται σε δισκίδια µε τη βοήθεια τροχού ή λεπίδας διαµαντιού µε κυριότερα πάχη 0.3, 0.5, 0.7 mm ανάλογα µε το µήκος της διαµέτρου. Στη συνέχεια οι δύο επιφάνειες των δισκιδίων υποβάλλονται σε κατεργασία µε µίγµα Al 2 O 3 και γλυκερίνης για την αφαίρεση των επιφανειακών ατελειών και βελτίωση της
13 οµοιοµορφίας. Τέλος, οι επιφάνειες των δισκιδίων γυαλίζονται για να χρησιµοποιηθούν στην κατασκευή ολοκληρωµένων διατάξεων. Στον πιο κάτω πίνακα 2 φαίνονται τα χαρακτηριστικά µορφοποιηµένων δισκιδίων µονοκρυσταλλικού Si µε τρεις τυπικές τιµές διαµέτρων. Πίνακας 2 Τύποι δισκιδίων Si Παράµετρος 100 cm 125 cm 150 cm ιάµετρος (mm) 100±1 125±1 150 ±1 Πάχος (mm) 0.5-0.55 0.6-0.65 0.65-0.7 Πρωτεύουσα εγκοπή (mm) 30-35 40-45 55-60 ευτερεύουσα εγκοπή (mm) 16-20 25-30 35-40 Κάµψη (µm) 60 70 60 Μεταβολή πάχους(µm) 50 65 50 4. Εισαγωγή προσµίξεων στο Si: ιάχυση Εµφύτευση Όπως είναι γνωστό, η εισαγωγή προσµίξεων σ' ένα ηµιαγωγό επηρεάζει σηµαντικά τις ηλεκτρικές του ιδιότητες όπως ηλεκτρική αγωγιµότητα, τύπο ηµιαγωγού, συγκέντρωση προσµίξεων, ευκινησία φορέων κ.α. Καταλληλότερες προσµίξεις για το σκοπό αυτό είναι τα στοιχεία των οµάδων III και V του περιοδικού πίνακα, που σχηµατίζουν ενεργειακές στάθµες κοντά στις ζώνε σθένους και αγωγιµότητας αντίστοιχα του Si. Η προσθήκη προσµίξεων για την παραγωγή δισκιδίων n ή p τύπου Si γίνεται όπως προαναφέραµε κατά τη διάρκεια της κρυσταλλικής ανάπτυξης. Όµως, για την κατασκευή διακριτών ή ολοκληρωµένων ηµιαγώγιµων διατάξεων συχνά απαιτείται η µετατροπή περιοχών του κρυστάλλου στο επιθυµητό βάθος, από p-τύπου σε n και αντίστροφα. Αυτό γίνεται µε την εισαγωγή επιπλέον προσµίξεων επιλεγµένων συγκεντρώσεων µε την ιδιότητα της αντιστάθµισης (compensation). Για το σκοπό αυτό χρησιµοποιείται ως "µάσκα" στη επιφάνεια του Si, το SiΟ 2 µε τα κατάλληλα ανοίγµατα (παράθυρα) στις επιλεγµένες περιοχές της επιφάνειας του Si (σχήµα 10 a, b). SiO 2 SiO 2 Si Si a b Σχήµα 10. Χρήση του SiO 2 ως "µάσκα" για την εισαγωγή προσµίξεων στο Si. Οι σηµαντικότερες µέθοδοι εισαγωγής προσµίξεων στον ηµιαγωγό είναι η θερµική διάχυση (thermal diffusion) και η ιοντική εµφύτευση (ion implantation).
14 4.1 Θερµική ιάχυση Η διαδικασία αυτή λαµβάνει χώρα σε ειδικούς φούρνους χαλαζία µε ροή αδρανούς αερίου (N 2, Ar) και θερµοκρασίες µεταξύ 800-1200 C. Η διάταξη είναι παρόµοια µε αυτή της θερµικής οξείδωσης (σχήµα 16) µε την προσθήκη εισόδων για την περίπτωση αέριων προσµήξεων. Τα δισκίδια Si τοποθετούνται παράλληλα σε ειδικές θήκες και ανάµεσά τους τοποθετούνται οι πηγές µε τα επιθυµητά στοιχεία προσµίξεων. Στην περίπτωση n-τύπου συνηθέστερες προσµίξεις είναι P και As σε στερεά µορφή ενώ µπορούν να χρησιµοποιηθούν και υγρές ή αέριες. Στην περίπτωση p-τύπου µε προσµίξεις Β χρησιµοποιείται συνήθως το ΒΝ (στερεό). Τα άτοµα των προσµίξεων φθάνουν στην επιφάνεια του Si, ή κοντά σε αυτήν, µε εναπόθεση από την αέρια φάση λόγω υψηλής θερµοκρασίας των πηγών και στη συνέχεια εισέρχονται στο εσωτερικό του ηµιαγωγού µε τη βοήθεια της υψηλής θερµικής τους κίνησης όπου καταλαµβάνουν τελικά πλεγµατικές θέσεις. Οι βασικοί µηχανισµοί εισαγωγής των προσµίξεων στο κρυσταλλικό πλέγµα είναι δύο: η διάχυση µέσω διακένων (vacancies) και η διάχυση µέσω διαπλεγµατικών θέσεων (interstitials) (σχήµα 11). a b Σχήµα 11. Μηχανισµοί διάχυσης. a: µέσω διακένων και b: µέσω διαπλεγµατικών θέσεων Οι εξισώσεις που περιγράφουν τη διάχυση έχουν διατυπωθεί από τον Fick και είναι γνωστές σαν νόµοι του Fick. Η πρώτη εξίσωση που συνδέει τη ροή διάχυσης J στο υλικό και τη µεταβολή της συγκέντρωσης C(x,t) είναι η εξής: C( x, t) J = D (1) t Ο συντελεστής D καλείται συντελεστής διάχυσης και εξαρτάται από τη φύση των υλικών και τη θερµοκρασία. Με βάση την αρχή διατήρησης της ύλης ισχύει: C( x, t) J ( x, t = ) t x Από τις δύο ανωτέρω εξισώσεις προκύπτει: (2)
15 2 C( x, t) ( x, t) = D (3) 2 t x Η τελευταία εξίσωση καλείται και δεύτερος νόµος διάχυσης του Fick. Από την επίλυσή της µε αρχικές και συνοριακές συνθήκες, προκύπτουν δύο βασικά µοντέλα διάχυσης µε σταθερό D. α) ιάχυση µε σταθερή επιφανειακή συγκέντρωση Αρχικές συνθήκες: t = 0, C(x,0) = 0 Συνοριακές συνθήκες: C(0,t) = 0, C(,t) = 0 (4) Η λύση της εξίσωσης (3) δίνει: x C( x, t) = CS erfc (5) 2 Dt x e όπου erfc: συνάρτηση σφάλµατος: erfc π x και C S : συγκέντρωση προσµίξεων στην επιφάνεια του Si. β) ιάχυση σταθερού συνολικού αριθµού προσµίξεων Στην περίπτωση αυτή οι αρχικές και συνοριακές συνθήκες του προβλήµατος είναι: C(x,0) = 0 0 C ( x, t) dx = QT και C(,t) = 0 Η λύση της εξίσωσης διάχυσης δίνει: 2 C( x, t) = Q T πdt 2 x exp 4Dt (6) θέτοντας x = 0 C S QT = C( 0, t) = (7) πdt Q T : συνολικός αριθµός ατόµων προσµίξεων ανά cm 2 Σύµφωνα µε τη µορφή της λύσης οι προσµίξεις υπακούουν σε κατανοµή Gaussian. Στην κατασκευή των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων η διάχυση γίνεται συνήθως σε δύο βήµατα. Αρχικά σχηµατίζεται ένα στρώµα διάχυσης µε συνθήκες σταθερής συγκέντρωσης προσµίξεων στην επιφάνεια. Το βήµα αυτό καλείται προεναπόθεση (predeposition). Στη συνέχεια η διάχυση γίνεται µε συνθήκη σταθερού συνολικού
16 αριθµού προσµίξεων στην επιφάνεια και καλείται διάχυση ανακατανοµής (redistribution ή drive-in). Στο σχήµα 12 φαίνεται η κανονικοποιηµένη κατανοµή που προκύπτει από τα δύο πιο πάνω µοντέλα διάχυσης. x / 2 Σχήµα 12. Κανονικοποιηµένη συγκέντρωση συναρτήσει της κανονικοποιηµένης Dt απόστασης για συναρτήσεις τύπου Gaussian και erfc. 4.2 Ιοντική εµφύτευση Η ιοντική εµφύτευση είναι η εισαγωγή ιονισµένων προσµίξεων µέσα σ' ένα υπόστρωµα, όπως ο κρύσταλλος Si, µε τη βοήθεια συστήµατος ιοντικού εµφυτευτή (ion implantation) που παράγει δέσµη ιόντων προσµίξεων (σχήµα 13). Με τη βοήθεια της εµφύτευσης ιόντων σε ένα κρύσταλλο είναι δυνατή η αλλαγή των ηλεκτρικών του ιδιοτήτων καθώς επίσης και η επιλεκτική µετατροπή του τύπου του ηµιαγωγού (n ή p) µέσω αντιστάθµισης για τις ανάγκες σύνθετων διατάξεων (MOSFET, διπολικά transistors κ.α.). Τυπικές τιµές ενεργειών ενός ιοντικού εµφυτευτή είναι 30-300 kev, ενώ οι δόσεις των ιόντων µπορεί να κυµαίνονται από 10 10-10 17 ιόντα/cm 2. όση είναι ο αριθµός των επιταχυνόµενων ιόντων ανά cm 2 επιφάνειας του ηµιαγωγού. Σηµαντικότερα πλεονεκτήµατα της ιοντικής εµφύτευσης είναι ο έλεγχος των προσµίξεων µε ικανοποιητική ακρίβεια και αξιοπιστία καθώς και οι χαµηλές θερµοκρασίες που απαιτούνται, σε σχέση µε τη θερµική διάχυση. Μειονεκτήµατα είναι οι "καταστροφές" που προκαλούνται στο πλέγµα του κρυστάλλου, οι οποίες επηρεάζουν τοπικά την περιοδικότητά του.
17 Είσοδος Αερίου Πηγή Αντλία Εστίαση έσµης Αντλία Επιτάχυνση δέσµης Αντλία δείγµα Ηλεκτροστατικό πεδίο Υπόβαθρο Σχήµα 13. ιάταξη ιοντικού εµφυτευτή. Στο σχήµα 13 φαίνεται σύστηµα ιοντικού εµφυτευτή. Τα ιόντα (Β +, Ρ + κ.α.) παράγονται στην πηγή ιόντων και στη συνέχεια, αφού γίνει διαχωρισµός από τα ανεπιθύµητα στοιχεία µέσω του διαχωριστή µάζας, εισέρχονται σε σύστηµα ηλεκτρικών πεδίων όπου επιταχύνονται. Η ιοντική δέσµη ελέγχεται µέσω συστήµατος οριζόντιας και κατακόρυφης απόκλισης και τέλος προσπίπτει στον κρύσταλλο ηµιαγωγού που είναι τοποθετηµένος στο κατάλληλο υπόστρωµα.
18 Σχήµα 14. Κατανοµής των εµφυτευµένων προσµίξεων συναρτήσει της απόστασης από την επιφάνεια του Si. Τα ιόντα, καθώς εισέρχονται στον κρύσταλλο συγκρούονται µε τα e και τους πυρήνες και χάνουν την ενέργειά τους αφού διανύσουν µία απόσταση R που καλείται εµβέλεια. Η κατανοµή των εµφυτευµένων προσµίξεων είναι Gaussian όπως φαίνεται στο σχήµα 14.Η συνάρτηση κατανοµής n(x) δίνεται από τη σχέση: n( x) S ( x R ) exp 2 R 3 P = 2 2π RP P (8) όπου R P : προβολή του R στον άξονα x, R P : Στατιστική διακύµανση της προβολής R P και S: ιοντική δόση ανά µονάδα επιφάνειας. Λόγω των καταστροφών που προκαλούν τα ιόντα υψηλής ενέργειας στο πλέγµα οι ηλεκτρικές παράµετροι του κρυστάλλου (αγωγιµότητα, ευκινησία, χρόνος ζωής κ.α.) επηρεάζονται. Για την αποκατάσταση της κρυσταλλικής τάξης και την επαναφορά των ηλεκτρικών παραµέτρων ακολουθεί θερµική ανόπτηση (annealing) σε θερµοκρασίες 600-900 C και αδρανές περιβάλλον. 5. Λιθογραφία και Εγχάραξη (etching) Λιθογραφία είναι η διαδικασία κατά την οποία ένα γεωµετρικό σχέδιο µεταφέρεται από µία µάσκα στην επιφάνεια ενός δισκιδίου Si µε τη βοήθεια φωτοευαίσθητης ρητίνης (photoresist) που καλύπτει την επιφάνεια του Si. Τα µεταφερόµενα γεωµετρικά σχήµατα είναι στοιχεία ή τµήµατα ενός ολοκληρωµένου κυκλώµατος όπως µεταλλικές διασυνδέσεις, αντιστάσεις, επαφές περιοχών του transistor κ.α. Το σχέδιο µεταφέρεται αρχικά στη ρητίνη (σχήµα 15) και στη συνέχεια στην επιφάνεια του Si, µε τη βοήθεια επιλεκτικής αφαίρεσης ακάλυπτων περιοχών. Η λιθογραφία συνήθως γίνεται αφού έχει προηγηθεί θερµική οξείδωση του δισκιδίου Si.
19 Το SiO 2 παίζει το ρόλο µάσκας για το Si και µέσω της λιθογραφίας γίνεται το άνοιγµα "παραθύρων" ή ενεργών περιοχών έτσι ώστε να ακολουθήσει η εισαγωγή προσµίξεων ή άλλες διεργασίες στο Si. Το SiΟ 2 καλύπτεται αρχικά µε υγρή φωτοευαίσθητη ρητίνη η οποία στη συνέχεια ξηραίνεται. Μία µερικά διαπερατή από το φως, φωτογραφικά αρνητική, φωτοµάσκα (από γυαλί ή Cr) τοποθετείται πάνω (ή κοντά) στην επιφάνεια του δισκιδίου µε τη βοήθεια µικροσκοπίου. Στη µάσκα είναι τυπωµένο το σχέδιο που πρόκειται να µεταφερθεί στο Si. α Προετοιµασία και κάλυψη δισκιδίου µε φωτοευαίσθητη ρητίνη b Ξήρανση ρητίνης και έκθεση στην ακτινοβολία c d Εµφάνιση ρητίνης µε τη βοήθεια διαλύτη. Ξήρανση της υπόλοιπης ρητίνης (120 C) Εγχάραξη (etching) του SiΟ 2 e Αποµάκρυνση της ρητίνης Σχήµα 15. Στάδια λιθογραφίας Όπως φαίνεται και στο σχήµα 15, το σύστηµα εκτίθεται στο υπεριώδες φως (λ = 0.2-0.4 µα) το οποίο πολυµερίζει τα µόρια της ρητίνης (αρνητική) που εκτίθενται. Τα µη πολυµερισµένα µέρη της ρητίνης διαλύονται µέσω διαλύτη ενώ τα πολυµερισµένα παραµένουν µεταφέροντας το αρχικό σχέδιο στην επιφάνεια του SiΟ 2. Το ίδιο αποτέλεσµα είναι δυνατό µε την χρήση θετικής ρητίνης (σχήµα 15.α). Στη συνέχεια ακολουθεί µία νέα διαδικασία για την χάραξη του SiΟ 2 στις περιοχές όπου έχει αφαιρεθεί η ρητίνη έτσι ώστε να γίνει το άνοιγµα των περιοχών-παραθύρων που απαιτούνται για τα επόµενα κατασκευαστικά στάδια του Ο.Κ. Η διαδικασία αυτή καλείται εγχάραξη (etching) και γίνεται µε χηµικά µέσα (wet etching) που περιέχουν
20 οξύ και προσβάλλουν το SiΟ 2 χωρίς προσβάλλουν την ρητίνη που έχει αποµείνει. Η εγχάραξη γίνεται µε µεγαλύτερη ακρίβεια και µε τη βοήθεια δέσµης βαρέων ιόντων που προσβάλει την πολυµερισµένη ρητίνη. Στην περίπτωση αυτή η εγχάραξη είναι ξηρή (dry etching). Για το ταίριασµα µάσκας δισκιδίου µε ακρίβεια χρησιµοποιείται συσκευή γνωστή ως optical stepper. Η οπτική λιθογραφία είναι κατάλληλη για περιπτώσεις όπου το µήκος κύµατος της ακτινοβολίας είναι αρκετά µικρότερο από τη µικρότερη διάσταση του µεταφερόµενου σχεδίου, γιατί σε αντίθετη περίπτωση εµφανίζονται φαινόµενα περίθλασης που περιορίζουν την ακρίβεια της µεθόδου. Για διαστάσεις µικρότερες των 500 nm χρησιµοποιούνται ακτινοβολίες µε µικρά µήκη κύµατος, όπως ακτίνες Χ και δέσµη ηλεκτρονίων που αποτελεί την πλέον προηγµένη τεχνική λιθογραφίας (ebeam lithography). 6. Οξείδωση πυριτίου Εισαγωγή Η οξείδωση του πυριτίου είναι µία απαραίτητη διαδικασία κατά την διάρκεια της κατασκευής των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Για το σκοπό αυτό απαιτείται η κατανόηση των µηχανισµών της οξείδωσης καθώς και η δυνατότητα κατασκευής οξειδίων υψηλής ποιότητας τόσο ως προς τη δοµή όσο και ως προς τις φυσικές και ηλεκτρικές τους ιδιότητες. Ο έλεγχος των ηλεκτρικών ιδιοτήτων του SiO 2 γίνεται κυρίως µε τη µέθοδο χαρακτηριστικών χωρητικότητας-τάσης C(V) πάνω σε ειδικές διατάξεις MOS (Metal-oxide-semiconductor) που στην προκειµένη περίπτωση αποτελούνται από τα υλικά Al SiO2 Si. Τέλος µπορούµε να πούµε ότι ο έλεγχος της παρασκευής και των ιδιοτήτων των οξειδίων του πυριτίου εξασφαλίζει την αξιόπιστη αναπαραγωγή και λειτουργία των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. 6.1 Μέθοδοι παρασκευής οξειδίων Οι µέθοδοι παρασκευής των οξειδίων επιλέγονται ανάλογα µε το έργο που αυτά καλούνται να επιτελέσουν σ ένα κύκλωµα. Οι κυριότερες είναι: - Η µέθοδος θερµικής οξείδωσης µε ή χωρίς την παρουσία υδρατµών. - Η µέθοδος χηµικής εναπόθεσης (CVD: Chemical Vapor Deposition). - Η ηλεκτρολυτική µέθοδος (Ηλεκτροχηµική ανοδίωση) - Η µέθοδος πλάσµατος (plasma oxydation). Η µέθοδος θερµικής οξείδωσης χρησιµοποιείται ευρέως στην τεχνολογία ολοκληρωµένων κυκλωµάτων πυριτίου. 6.1.1. Θερµική οξείδωση Η θερµική οξείδωση του Si πραγµατοποιείται σε ειδικές διατάξεις που καλούνται αντιδραστήρες οξείδωσης (σχήµα 16).
21 θερµαντική αντίσταση φιλτραρισµένος αέρας κεραµικό Ο 2 Η 2 Ο αέρια φορέας από χαλαζία δισκίδια Si σωλήνας χαλαζία έξοδος Σχήµα 16. ιάταξη αντιδραστήρα θερµικής οξείδωσης 6.1.2. Περιγραφή διάταξης Τα κύρια µέρη της διάταξης θερµικής οξείδωσης είναι: - Φούρνος που παρέχει θερµαντική ισχύ µε τη βοήθεια ηλεκτρικής αντίστασης. - Κυλινδρικός σωλήνας από χαλαζία (guartz tube) ανοικτός από το ένα άκρο του, ενώ από το άλλο φέρει ακροφύσιο για την είσοδο του αερίου O 2 και των υδρατµών. - Φορέας των προς οξείδωση δισκιδιών Si. Είναι από χαλαζία και έχει κατάλληλες υποδοχές για πολλά δισκίδια. - Σύστηµα ελέγχου και σταθεροποίησης της θερµοκρασίας (temperature controller) - Σύστηµα ελέγχου της ροής των οξειδωτικών αερίων µέσα στο φούρνο. - Με τη βοήθεια υπολογιστή συνδεδεµένου µε τη διάταξη του φούρνου επιτυγχάνονται: i) Η άνοδος της θερµοκρασίας µέχρι την επιθυµητή τιµή µε σταθερό βήµα που επιλέγεται κατάλληλα. ii) Ο συνεχής έλεγχος της θερµοκρασίας. iii) iv) Ο έλεγχος της ροής των αερίων οξείδωσης µέσα στο φούρνο. Ο χρόνος οξείδωσης και ο ρυθµός µείωσης της θερµοκρασίας στην αρχική τιµή λειτουργίας. 6.1.3. ιαδικασία οξείδωσης. Η γνώση της κινητικής της οξείδωσης και ο ακριβής έλεγχος του πάχους των οξειδίων έχουν ιδιαίτερη σηµασία για την ποιότητα τους και κάποια συνέπεια στην συµπεριφορά και αξιοπιστία των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων.
22 Το SiO 2, που θα µας απασχολήσει, σχηµατίζεται σύµφωνα µε τις εξής αντιδράσεις: Si (στερεό) + 2H2O SiO2(στέρεο) + 2H2 Si (στέρεο) + O2 SiO2(στέρεο) Η πρώτη αντίδραση αφορά την υγρή οξείδωση και µπορεί να επιτευχθεί διοχετεύοντας το O 2 µέσα σε λουτρό HOυψηλής 2 καθαρότητας και στη συνέχεια µέσα στο φούρνο. Επίσης µπορεί να γίνει και µε απ ευθείας ροή ατµού πάνω στο οξειδούµενο Si.. Η υγρή είναι ταχύτερη διαδικασία της ξηρής αλλά τα παρασκευαζόµενα οξείδια δεν είναι πολύ καλής ποιότητας λόγω των προσµίξεων και των ατελειών που αποκτούν από τους υδρατµούς. Η ταχύτητα της οξείδωσης αυξάνει µε την αύξηση της µερικής πίεσης των ατµών. Η δεύτερη διαδικασία (ξηρή οξείδωση) δίνει οξείδια µε καλύτερες φυσικές και ηλεκτρικές ιδιότητες όµως ο ρυθµός ανάπτυξης τους είναι σχετικά χαµηλός. Εφαρµογή : Ανάλωση του Si κατά τη διάρκεια της οξείδωσης. x ox SiO 2 αρχική επιφάνεια Si x Si υπόστρωµα Si Σχήµα 17. Ανάλωση επιφανειακού στρώµατος του Si κατά την οξείδωσή του. Κατά τη διάρκεια της θερµικής οξείδωσης της επιφάνειας του Si, ένα επιφανειακό στρώµα του Si αναλώνεται για τη δηµιουργία του SiO 2 (σχήµα 17). Ο υπολογισµός του πάχους του στρώµατος αυτού βασίζεται στο συλλογισµό ότι ένα άτοµο Si απαιτείται για τη δηµιουργία ενός µορίου SiO 2, οπότε ισχύει : N X = N X Si Si SiO2 OX όπου NSi NSiO : άτοµα/cm 3 2 X Si,X OX : πάχη των Si και SiO 2 Τελικά υπολογίζεται : XSi = 0.44XOX. Το φαινόµενο αυτό παρατηρείται και στην πράξη καθώς η ελεύθερη επιφάνεια του SiO 2 που αναπτύχθηκε θερµικά βρίσκεται σε µία υψοµετρική διαφορά µε την επιφάνεια του Si και αυτό µπορεί να δηµιουργήσει προβλήµατα για τα επόµενα κατασκευαστικά βήµατα (π.χ. εναπόθεση λεπτών στρωµάτων).
23 6.1.4 Το SiO 2 ως µονωτικό των αγωγίµων συνδέσεων διατάξεων ολοκληρωµένων κυκλωµάτων. Οι κυριότερες αγώγιµες περιοχές-διασυνδέσεις που χρησιµοποιούνται σε διατάξεις ολοκληρωµένων κυκλωµάτων µπορεί να είναι + + - περιοχές π p µε µεγάλη συγκέντρωση προσµίξεων σε υπόστρωµα π, ή p. π.χ. πηγή (source) και υποδοχή (drain) ενός MOSFET. - στρώµα π + πολυκρυσταλλικού Si. - οι µεταλλικές γραµµές Α1 που χρησιµοποιούνται σαν ωµικές επαφές. Για την προστασία και αποµόνωση αυτών των περιοχών από τις υπόλοιπες χρησιµοποιείται SiO 2 που παρασκευάζεται µε τη µέθοδο χηµικής εναπόθεσης ατµών (CVD). 6.2. Λεπτά οξείδια πύλης (gate-oxide) Οι ραγδαίες εξελίξεις στην περιοχή των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων υψηλής πυκνότητας (VLSI), απαιτούν την ανάπτυξη πολύ λεπτών οξειδίων υψηλής ποιότητας τα οποία χρησιµοποιούνται κυρίως σαν διηλεκτρικά πύλης (gate-oxide) των MOSFET. Κάτω από το οξείδιο της πύλης σχηµατίζεται ο αγώγιµος δίαυλος (channel) από φορείς µειονότητας που συνδέει την πηγή (source) µε την υποδοχή (drain) του MOSFET αφού πολωθεί η διάταξη σε κατάσταση αντιστροφής (inversion). Η ποιότητα του οξειδίου πύλης και κυρίως της διεπιφάνειας Si-SiO 2 επηρεάζει τις χαρακτηριστικές των MOSFET. Εκτός από την απαίτηση του πολύ µικρού πάχους (80 300 A) τα οξείδια αυτά θα πρέπει να έχουν και άλλες ιδιότητες όπως καλή οµοιογένεια, υψηλή τάση κατάρρευσης, µικρή πυκνότητα φορτίων και καταστάσεων στη διεπιφάνεια Si-SiO 2. Έχει διαπιστωθεί πως η παρουσία υγρασίας κατά την ανάπτυξη λεπτών οξειδίων, o (πάχους µικρότερου από 200A ) επηρεάζει σηµαντικά τα χαρακτηριστικά του. Γι αυτό η ξηρή οξείδωση είναι η καταλληλότερη µέθοδος παρασκευής τους. Στο σχήµα 18 φαίνονται τα κατασκευαστικά βήµατα για την ανάπτυξη λεπτού οξειδίου πύλης ενός transistor MOSFET. o
24 5000Å οξείδιο πυριτίου α. p + p + 2 5 Ωcm υπόβαθρο τύπου n οξείδωση b. p + p + οξείδιο πύλης οξείδιο πεδίου c. p + p + πηγή (source) υποδοχή (drain) πύλη επιµετάλλωση Al d. p + p + υπόβαθρο τύπου n Σχήµα 18. Kατασκευαστικά στάδια για την ανάπτυξη λεπτού οξειδίου πύλης MOSFET. α. Άνοιγµα "παραθύρων" στο SiO 2 για τον καθορισµό της ενεργού περιοχής b. Ανάπτυξη προστατευτικού οξειδίου c. Ανάπτυξη λεπτού οξειδίου πύλης d. Επιµετάλλωση για τη δηµιουργία ωµικών επαφών σε πηγή, πύλη, υποδοχή του MOSFET. 7. Επιµετάλλωση
25 Είναι η διαδικασία σχηµατισµού λεπτών µεταλλικών στρωµάτων τα οποία χρησιµεύουν για τις εσωτερικές διασυνδέσεις ενός Ο.Κ., ως ωµικές επαφές, επαφές Schottky, επαφές περιοχών των transistors κ.α. Η επιµετάλλωση µπορεί να γίνει µε διάφορες τεχνικές οι σηµαντικότερες των οποίων είναι η φυσική εναπόθεση ατµών και η χηµική εναπόθεση ατµών για την οποία έχει γίνει αναφορά στην 2.4. Τα µεταλλικά υλικά που χρησιµοποιούνται στην τεχνολογία των Ο.Κ. είναι κυρίως: το Al και τα κράµατά του κα τα πυριτίδια που είναι ενώσεις του Si µε ορισµένα µέταλλα (Er, Pt, W κ.α.). 7.1. Φυσική εναπόθεση ατµών Λαµβάνει χώρα σε θάλαµο υψηλού κενού (P<10 7 Torr) και µπορεί να γίνει µε δύο τεχνικές: την εξάχνωση (evaporation) και τον θρυµµατισµό (sputtering) του προς εναπόθεση υλικού. i) Εξάχνωση Μπορεί να είναι θερµική όπου το µέταλλο τοποθετείται σε υποδοχέα από δύστηκτο υλικό (W, Mo, Ta) τροφοδοτούµενο από πηγή υψηλού ρεύµατος έτσι ώστε το µέταλλο µε µικρότερο σηµείο τήξης να εξαχνώνεται (σχ.19). Το ίδιο αποτέλεσµα παράγεται και όταν η πηγή θέρµανσης είναι RF πηνίο γύρω από δοχείο δύστηκτου (crucible) υλικού BN, πορσελάνης κ.α. υπόστρωµα b. c. κενό α. Ι Σχήµα 19. α, b, c: Θάλαµος κενού και πηγές θερµικής εξάχνωσης d: εξαχνωτής e δέσµης d.
26 Η µέθοδος εξάχνωσης είναι χαµηλού κόστους αλλά παρουσιάζει το µειονέκτηµα της µόλυνσης µε προσµίξεις που λόγω των υψηλών θερµοκρασιών των χρησιµοποιούµενων δοχείων τήξης, εκπέµπονται και εισέρχονται στο λεπτό στρώµα της εναπόθεσης. Βελτίωση στο πρόβληµα αυτό επιτυγχάνεται µε τη χρήση εξαχνωτή ηλεκτρονικής δέσµης (electron beam evaporator) που φαίνεται στο σχήµα 19d. Στην περίπτωση αυτή χρησιµοποιείται επίσης θάλαµος υψηλού κενού µέσα στον οποίο βρίσκεται το σύστηµα εξάχνωσης. Την τήξη και εξάχνωση του υλικού προκαλεί δέσµη ηλεκτρονίων που παράγεται από θερµιονική εκποµπή καθοδικής λυχνίας. Η δέσµη επιταχύνεται και µε τη βοήθεια µαγνητικού πεδίου κατευθύνεται στο στόχο- µέταλλο όπου η κινητική ενέργεια µετατρέπεται σε θερµότητα προκαλώντας την τήξη και εξάχνωση του µετάλλου. Η µέθοδος αυτή παρουσιάζει αρκετά πλεονεκτήµατα όπως υψηλή καθαρότητα του film, ακρίβεια πάχους, υψηλούς ρυθµούς εναπόθεσης και σχετικά χαµηλότερες θερµοκρασίες λειτουργίας. Είναι επίσης δυνατή η συνεξάχνωση περισσότερων του ενός υλικών και η προσθήκη της κατάλληλης διάταξης (στοιχείο Knudsen) µε την οποία είναι δυνατή η εισαγωγή προσµίξεων στην περίπτωση film ηµιαγωγού. ii) Θρυµµατισµός Ο θρυµµατισµός (sputtering) είναι µία φυσική διαδικασία που περιλαµβάνει εεπιτάχυνση βαρέων ιόντων, συνήθως Ar +, µέσω ηλεκτρικού πεδίου, και στη συνέχεια βοµβαρδισµό του στόχου του προς εναπόθεση υλικού. Τα άτοµα του στόχου, λόγω µεταφοράς ορµής, γίνονται πτητικά και µεταφέρονται σε µορφή ατµών στην επιφάνεια και στα επιθυµητά σηµεία του υποστρώµατος (Si) σχηµατίζοντας λεπτά στρώµατα (thin films). Οι τύποι των συστηµάτων θρυµµατισµού ποικίλουν ανάλογα µε τον τύπο του χρησιµοποιούµενου ηλεκτρικού ή και µαγνητικού πεδίου. Συνηθέστεροι τύποι είναι DC, RF και magnetron sputtering (προσθήκη µαγνητικού πεδίου). 7.2. Ηλεκτροεπιµετάλλωση Η ηλεκτροεπιµετάλλωση (electroplating) χρησιµοποιείται ως οικονοµική και όχι υψηλής καθαρότητας µέθοδος. Είναι ηλεκτρολυτική µε ηλεκτρολύτες υγρά διαλύµατα µεταλλικών αλάτων όπου το µέταλλο συνδέεται µε την άνοδο. Ο ρυθµός εναπόθεσης καθορίζεται από την πυκνότητα ρεύµατος που διαρρέει το σύστηµα. 8. Ολοκληρωµένες αντιστάσεις Οι αντιστάσεις που χρησιµοποιούνται σαν στοιχεία των ολοκληρωµένων κυκλωµάτων καλούνται ολοκληρωµένες αντιστάσεις. Η επιλογή των υλικών καθώς και των τύπων ολοκληρωµένων αντιστάσεων εξαρτώνται από την επιθυµητή τιµή της αντίστασης καθώς και από τις κατασκευαστικές προδιαγραφές του που θα πρέπει να ικανοποιούνται. Σηµαντικότεροι τύποι ολοκληρωµένων αντιστάσεων είναι οι εξής:
27 8.1. Αντιστάσεις τύπου διάχυσης Οι αντιστάσεις του τύπου αυτού κατασκευάζονται µε βάση το ενεργό στρώµα του πυριτίου που χρησιµοποιείται για τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα. Το Si έχει αρχικά µεγάλη ειδική αντίσταση και το πλεονέκτηµα της επιλεκτικής διαµόρφωσης της τιµής της µέσω της εισαγωγής των καταλλήλων προσµίξεων δοτών (π.χ. P, As) ή αποδεκτών (BGa, ). Η εισαγωγή των προσµίξεων αυτών γίνεται µε διάχυση ή εµφύτευση ιόντων των πιο πάνω στοιχείων σε επιλεγµένες περιοχές της επιφάνειας του δισκιδίου. Η τελική τιµή της ολοκληρωµένης αντίστασης του υλικού (µήκος, πλάτος και βάθος διάχυσης). Στο σχήµα 20 φαίνεται ένα σχηµατικό διάγραµµα τοµής και κάτοψης µιας ολοκληρωµένης αντίστασης Si p- τύπου. Στρώµα SiO 2 ιασυνδέσεις Αλουµινίου Νησίδα αποµόνωσης Βελος Βελος Σχήµα 20. Τοµή και κατανοµή ολοκληρωµένης αντίστασης Si. Για την αποµόνωση της αντίστασης από τα γειτονικά στοιχεία του κυκλώµατος και την προστασία από ανεπιθύµητες προσµίξεις χρησιµοποιείται το SiO 2 όπως φαίνεται και στο σχήµα µε τα κατάλληλα ανοίγµατα για τις ωµικές µεταλλικές επαφές που κατασκευάζονται συνήθως µε A. Στο σχήµα φαίνεται επίσης µια περιοχή αντίθετης νόθευσης (Ν τύπου στην προκειµένη περίπτωση) η οποία αποµονώνει την αντίσταση από το υπόλοιπο υπόστρωµα σχηµατίζοντας µια ανορθωτική επαφή PN σε ανάστροφη πόλωση. Η περιοχή αυτή λέγεται νησίδα αποµόνωσης και εµποδίζει τα ρεύµατα διαρροής προς το υπόστρωµα. Χρησιµοποιείται επίσης και για την αποµόνωση άλλων ολοκληρωµένων στοιχείων. Μειονέκτηµα των αντιστάσεων τύπου διάχυσης είναι ο µεγάλος όγκος που καταλαµβάνουν. Για παράδειγµα για µεγάλες τιµές αντίστασης (πάνω από 10ΚΩ) απαιτείται µεγάλο µήκος (σε µαιανδρικό σχήµα) και ο συνολικός όγκος είναι αρκετά µεγαλύτερος από αυτόν που απαιτείται για την κατασκευή ενεργητικών στοιχείων (transistors, διόδων κ.α.). Ένα χαρακτηριστικό µέγεθος που χρησιµοποιείται στην περίπτωση των ολοκληρωµένων αντιστάσεων είναι η αντίσταση φύλλου (sheet resistance) που συµβολίζεται µε R S ή R o και ορίζεται ως εξής:
28 R S ρ = (9) d ρ : ειδική αντίσταση του υλικού και d:πάχος Από τη σχέση αυτή, µε αντικατάσταση της ρ ( nµ e) 1 ιονισµό του ηµιαγωγού (n-n) προκύπτει: = και θεωρώντας πλήρη R S = 1 Nµ d e (10) N: συγκέντρωση προσµίξεων θεωρούµενη σταθερή για οµοιόµορφη κατανοµή. Ακριβέστερη είναι η σχέση: R S = d e µ 0 1 ( ) N x dx όπου Nx ( ) η κατανοµή προσµίξεων συναρτήσει του βάθους. (11) Με τη βοήθεια της γνωστής σχέσης R ρ = προκύπτει ότι: d w R = RS ή R = RS k (12) w όπου το k εκφράζει τον αριθµό των ισοδύναµων τετραγώνων που αντιστοιχούν στην επιφάνεια της ολοκληρωµένης αντίστασης. 8.2. Αντιστάσεις λεπτών στρωµάτων (thin films) Οι αντιστάσεις αυτές κατασκευάζονται στην επιφάνεια του chip µε διάφορες µεθόδους εναπόθεσης (σε υψηλό κενό) λεπτών στρωµάτων καθαρών µετάλλων ή κραµάτων. Η κατασκευή τους απαιτεί συνήθως περισσότερα του ενός βοήµατα αυτό όµως αντισταθµίζεται από το πλεονέκτηµα της εξοικονόµησης όγκου στο chip καθώς επίσης και από τη δυνατότητα χρησιµοποίησης ποικιλίας υλικών µε διαφορετικές τιµές ειδικής αντίστασης. Έτσι µε τη χρησιµοποίηση A είναι δυνατή η επίτευξη χαµηλών τιµών αντίστασης ( Ω) ενώ µε δύστηκτα µέταλλα ή κράµατα (W, Ta, Ni-Cr κ.α.) είναι δυνατή η δηµιουργία αντιστάσεων υψηλότερων τιµών ( ΚΩ). Στο σχήµα 21 φαίνεται η πλάγια τoµή αντίστασης λεπτού στρώµατος πάνω στην επιφάνεια ενός ολοκληρωµένου κυκλώµατος, αποµονωµένη µε τη βοήθεια στρώµατος SiO 2.
29 Λεπτό στρώµα αντίστασης ιασυνδέσεις Αλουµινίου Μονωτικό SiO 2 Ολοκληρωµένο κύκλωµα Υπόστρωµα-Si Σχήµα 21. Πλάγια τοµή αντίστασης λεπτού µεταλλικού στρώµατος στην επιφάνεια του Si. 9. Ολοκληρωµένοι πυκνωτές Οι πυκνωτές όπως και οι αντιστάσεις, θεωρούνται αδρανή στοιχεία για τα ολοκληρωµένα κυκλώµατα και η κατασκευή τους απαιτεί σηµαντικό όγκο. Υπάρχουν δύο τύποι ολοκληρωµένων πυκνωτών. 9.1. Πυκνωτές τύπου MOS Κατασκευάζονται µε βάση τη δοµή µέταλλο - οξείδιο - ηµιαγωγός. Όπως φαίνεται και στο σχήµα 22 το ηλεκτρόδιο («οπλισµός») της κορυφής αποτελείται από µεταλλικό κράµα (συνήθως A ) που έχει εναποτεθεί στην επιφάνεια του λεπτού SiO 2 που παίζει το ρόλο του διηλεκτρικού. Σαν διηλεκτρικό µπορεί επίσης να χρησιµοποιηθεί νιτρίδιο του πυριτίου (SiN ). Η επιλογή της χωρητικότητας ρυθµίζεται κυρίως από το πάχος του διηλεκτρικού ενώ µια τυπική περιοχή παχών είναι από διηλεκτρικού ενώ µια τυπική περιοχή παχών είναι από 0.1 1 µm. Η µέγιστη ένταση (breakdown) µπορεί να κυµαίνεται σε τιµές KV ( µ m) 1.
30 Οξείδιο SiO 2 ( ιηλεκτρικό) Κάτω επαφή Aln + n + Πάνω επαφή Al Νησίδα αποµόνωσης n-si Υπόστρωµα p-si Σχήµα 22. Πυκνωτής τύπου MOS Το κάτω ηλεκτρόδιο του πυκνωτή είναι στρώµα n + Si µε χαµηλή αντίσταση R S το οποίο είναι σε επαφή µε στρώµα A (σχήµα 22). 9.2. Πυκνωτής ένωσης p-n Αποτελείται από επαφή p n σε µονολιθική επιπεδική δοµή πολωµένη ανάστροφα. Και στην περίπτωση αυτή τα ηλεκτρόδια είναι A σ επαφή µε το τµήµα p Si και A n + σ επαφή µε το n Si (σχήµα 23). Ρόλο του διηλεκτρικού παίζει η απογυµνωµένη, λόγω ανάστροφης πόλωσης, περιοχή της επαφής p n µε πάχος που εξαρτάται από την τάση ανάστροφης πόλωσης σύµφωνα µε τη σχέση: d 2 ε s(vo+ V 2eN r 1/2 (13) V o : δυναµικό επαφής ε s : διηλεκτρική σταθερά του Si Ν: συγκέντρωση προσµίξεων V r : ανάστροφη πόλωση
31 Μεταλλικό στρώµα Al Περιοχή p-τύπου Προστατευτικό SiO 2 Περιοχή n-τύπου n + υπόστρωµα Υπόστρωµα Si Σχήµα 23. Τοµή ολοκληρωµένου πυκνωτή ενωσης p-n Η χωρητικότητα ανά µονάδα επιφάνειας C του πυκνωτή δίνεται από τη σχέση: C = c S ε d s = (14) η οποία µε τη βοήθεια της 4 γίνεται: C= c S ε sn = 2(Vo + Vr ) 1/2 (15) Όπως είναι φανερό η χωρητικότητα του πυκνωτή δεν είναι σταθερή αλλά εξαρτάται από την εξωτερική ανάστροφη πόλωση: C V r 1. Για ανάστροφη τάση 1V προκύπτουν τιµές χωρητικότητας της τάξης των 10pF/cm. 10. Θερµοκρασιακή συµπεριφορά των ολοκληρωµένων αντιστάσεων Όπως είναι γνωστό, η αντίσταση ενός υλικού οφείλεται στις κεδάσεις των ελευθέρων φορέων µε προσµίξεις, ατέλειες του κρυστάλλου, πλεγµατικές ταλαντώσεις κ.α. Σύµφωνα µε τον κανόνα του Mathiessen, η ειδική αντίσταση µπορεί να προσεγγισθεί ως άθροισµα δύο κυρίως όρων: ρ = ρ Τ + ρ Ι όπου η ρ Τ εκφράζει την ειδική αντίσταση λόγω σκέδασης µε πλεγµατικές ταλαντώσεις (φωνόνια), ενώ η ρ Ι τη σκέδαση από ιονισµένες προσµίξεις. Στην περίπτωση των µεταλλικών υλικών,η αντίσταση λόγω προσµίξεων είναι σχεδόν ανεξάρτητη της θερµοκρασίας και η σχέση µπορεί να γραφεί: ρ = ρ(τ) + ρ r
32 Ο ανεξάρτητος της θερµοκρασίας όρος καλείται residual (παραµένουσα) αντίσταση και εκφράζει την καθαρότητα του υλικού. Η επιρροή της θερµοκρασίας στην ειδική αντίσταση εκφράζεται µέσω του θερµοκρασιακού συντελεστή αντίστασης (temperature coefficient resistance) ή TCR που ορίζεται ως εξής για κάθε Τ: dρ α 1 (16) ρ dt Οι µικρές διακυµάνσεις της τιµής µιας ολοκληρωµένης αντίστασης µε τη θερµοκρασία, είναι κατασκευαστικό ζητούµενο στην τεχνολογία Ο.Κ. Οι διακυµάνσεις αυτές εκφράζονται µέσω του TCR, ο οποίος θα πρέπει να έχει µικρές σχετικά τιµές. Τα κράµατα Ni-Cr που χρησιµοποιούνται ως υλικά αντιστάσεων έχουν τιµές α 110 ppm / C, ενώ το δύστηκτο µέταλλο Ta έχει α µεταξύ 100 και +100 ppm / C. Τα υλικά τύπου "cermets" που είναι µίγµατα οξειδίων και µετάλλων έχουν τιµές α κάτω από 100 ppm / C. Η θερµοκρασιακή διακύµανση της αντίστασης ενός υλικού επηρεάζεται από την πυκνότητα ισχύος Q η οποία ορίζεται ως: Q = P/A, όπου Α η διατοµή και Ρ η ηλεκτρική ισχύς, ενώ η σχέση µεταξύ θερµοκρασίας Τ και πυκνότητας Q είναι: T = 1 550 T o + Q k Τ 0 = 300 K και k η θερµική αγωγιµότητα του υλικού. (17)
33 11. οµή MOS Η δοµή MOS (Metal Oxide Semiconductor) είναι µια διάταξη µετάλλου διηλεκτρικού ηµιαγωγού η οποία αποτελεί το δοµικό στοιχείο της τεχνολογίας των ολοκληρωµένων MOSFET transistors. Στην τεχνολογία του Si, ως διηλεκτρικό χρησιµοποιείται το SiO 2 και ως µέταλλο συνήθως το Al ή άλλα µεταλλικά κράµατα. Η δίοδος ή πυκνωτής MOS είναι η διάταξη δύο ακροδεκτών επαφών εκ των οποίων η πάνω επαφή λέγεται πύλη (gate), ενώ η κάτω,που είναι ωµική, καλείται υπόστρωµα (Si). (Σχ. 24). Σχήµα 24. Τοµή διόδου MOS (Al-SiO 2 -Si) 11.1. Λειτουργία µε πόλωση Η λειτουργία του πυκνωτή MOS διαφέρει από αυτή των τυπικών πυκνωτών στο ότι µε την εφαρµογή πόλωσης στην πύλη εµφανίζονται λόγω επαγωγής φορτία αντίθετου προσήµου στην επιφάνεια του Si. Τα φορτία αυτά επηρεάζουν σηµαντικά τη λειτουργία του πυκνωτή καθώς εισάγουν και το ρόλο του Si στην ηλεκτρική συµπεριφορά της διόδου MOS και αποτελούν βασική ιδέα για την κατασκευή ενός transistor MOSFET. Εξετάζοντας το ρόλο της πόλωσης µιας διόδου MOS, σε σχέση µε τα φορτία της διεπιφάνειας Si-SiO 2, υπάρχουν τρεις βασικές καταστάσεις όπως φαίνονται και στο σχήµα 25. α) Κατάσταση συσσώρευσης φορέων πλειονότητας στην επιφάνεια του Si. Για p-si υπόστρωµα απαιτείται V g <0. β) Κατάσταση απογύµνωσης (depletion). Για p-si απαιτείται V g >0 µε µικρές τιµές. Τα φορτία επιφάνειας είναι ιόντα προσµίξεων αποδεκτών (αρνητικά N A ). γ) Κατάσταση αντιστροφής (inversion). Συσσώρευση φορέων µειονότητας στην επιφάνεια του Si. Απαιτείται V g >V t >>0 για p-si. Η τάση V t είναι η κρίσιµη τάση για τη δηµιουργία αντίστροφων φορτίων στην επιφάνεια του Si και καλείται τάση κατωφλίου αντιστροφής.