uvod u silvaco tcadmikroelektronika.elfak.ni.ac.rs/files/tehnologije-ms-rac-i-lab-vezbe.pdfsuva...
Post on 05-Feb-2021
0 Views
Preview:
TRANSCRIPT
-
TEHNOLOGIJE
MIKROSISTEMA
računske i laboratorijske vežbe
2015/16.
Miloš Marjanović
ELEKTRONSKI FAKULTET NIŠ
Katedra za mikroelektroniku
-
I.
DOBIJANJE POLUPROVODNIČKIH
SUPSTRATA
Tehnologije mikrosistema 2015/16.
Miloš Marjanović
ELEKTRONSKI FAKULTET NIŠ
Katedra za mikroelektroniku
-
DOBIJANJE POLUPRVDNIČKIH SUPSTRATA
METODA CZOCHRALSKI
Rast CZ kristala predstavlja očvršćavanje atoma iz tečne faze na meĎupovršini koja razdvaja tečnu i čvrstu fazu.
U komoru se ubaci ESG (Electronic Grade Si), komora se ispunjava nekim inertnim gasom (na pr. Ar) i zagreva do temperature topljenja Si (1421°C).
Zatim se ubacuje klica monokristalnog Si, prečnika oko 5mm i duţine (100-300)mm u rastopljeni Si.
Klica počinje da rotira pri čemu se veoma precizno kontroliše (15-150)obrta/min, atomi Si slede raspored atoma u monokristalnoj klici. Rotiraju i klica i grafitna posuda u kojoj se nalazi rastopljeni Si u suprotnim smerovima.
-
DOBIJANJE POLUPRVDNIČKIH SUPSTRATA
METODA CZOCHRALSKI
Početna brzina izvlačenja je relativno velika, formira se „thin neck“. Kada se prečnik ingota povećava, brzina izvlačenja kristala se mora smanjivati. Ako brzina nije dovoljno velika usled stresa koji nastaje pri kontaktu klice sa rastopljenim Si dolazi do plastičnih deformacija koje uslovljavaju dislokacije u kristalu.
Neophodno je stalno pratiti i podešavati temperaturu rastopa i brzinu izvlačenja kako bi se dobio monokristalni Si potrebnih karakteristika.
Rastvorljivosti primesa u rastopu Cl i kristalu Cs na datoj temperaturi su različite, odnos ovih rastvorljivosti se definiše kao ravnoteţni sagregacioni koeficijent: 𝑘0 =
𝐶𝑠
𝐶𝑙
k0 je manji od 1, što znači da se u toku rasta kristala rastop progresivno obogaćuje primesama.
-
DOBIJANJE POLUPRVDNIČKIH SUPSTRATA
METODA CZOCHRALSKI
Raspodela primesa u naraslom kristalu opisana je
relacijom:
𝐶𝑠 = 𝑘0𝐶0(1 − 𝑥)𝑘0−1
gde je x deo rastopa koji je očvrsnuo, dok je C0
početna koncentracija primesa u rastopu.
-
ZADATAK 1.
Potrebno je dobiti monokristalni silicijum metodom CZ
dopiran borom, koncentracije 1015cm−3. Odrediti
potrebnu koncentraciju bora u rastvotu. Za 60kg
silicijuma koliko grama B (AB=10.8) je potrebno dodati
rastvoru? Sagregacioni koeficijent bora je 0.8, a
gustina rastopljenog Si 2.53 g/cm-3.
-
ZADATAK 2.
Metodom Czochralski je potrebno dobiti borom
dopirami monokristalni Si otpornosti 10Ωcm. Ako
imamo 100g čistog silicijuma, koliko grama borom
dopiranog silicijuma otpornosti 0.01Ωcm je potrebno
dodati rastopu? Pretpostaviti da je k0 = 0.8 i da je
pokretljivost šupljina μp= 550cm2/Vs.
-
ZADATAK 3.
Czochralski monokristalni silicijum se dobija iz
rastopa koji sadrţi 1015cm−3 bora i 2·1014cm−3 fosfora.
U početku silicijum će biti p-tipa, ali tokom izvlačenja
kristala zbog efekta segregacije sve više fosfora
ostaje u tečnoj fazi, tako da će u jednom trenutku
početi da se dobija monokristalni silicijum n-tipa. Ako
je koeficijent segregacije bora k0 = 0.8, a koeficijent
segregacije fosfora k0 = 0.32, izračunati na kom će se
rastojanju duţ izvučenog kristala promeniti tip
poluprovodnika (prelaz iz p-tipa u n-tip).
-
TEORIJSKI PREGLED
TCAD (Technology Computer-Aided Design) za
projektovanje procesa, komponenti i tehnološku
karakterizaciju
Silvaco International (Athena, Atlas, Deckbuild,
TonyPlot)
Athena – simulacija procesa (epitaksijalni rast,
termička oksidacija, termička difuzija, jonska
implantacija, fotolitografija, ecovanje, depozicija
dielektričnih filmova, metalizacija, ...)
-
TEORIJSKI PREGLED
1D i 2D simulatori
-
TEORIJSKI PREGLED
Atlas – alat za električnu simulaciju komponenti
(2D, 3D) koji uključuje fizičke mehanizme povezane
sa radom komponente ... u drugom kursu!
DeckBuild – GUI za Silvacove programe
TonyPlot – alat za vizuelizaciju rezultata
-
START/ALL PROGRAMS/S.EDA TOOLS/DECKBUILD ... go athena
-
DEFINISANJE MREŢE (MESH)
OdreĎuje tačnost i vreme trajanja simulacije
Simulator zasnovan na metodu konačnih
elemenata (numerički proračuni u svakoj tački
mreţe sa ciljem odreĎivanja rešenja diferencijalih
jednačina)
Definisanje gustine mreţe (gušća mreţa u kritičnim
oblastima!):
line x loc=0.0 spacing=0.02
line x loc=2.0 spacing=0.25
line y loc=0.0 spacing=0.02
line y loc=4.0 spacing=0.25
-
INICIJALIZACIJA MREŢE
Definisanje supstrata (wafer): materijal,
koncentracija dopanata, orijentacija kristala, ...
Početni materijal: Silicijum (100)
Dopiranje: n-tip poluprovodnika (fosfor)
koncentracije 3·1015cm-3
2D štampanje
init silicon orientation=100 c.phos=3e15 two.d
-
ČUVANJE I PRIKAZIVANJE REZLTATA
struct outfile=silicijum.str
tonyplot -st silicijum.str
quit
-
REZULTATI
Formiran supstrat (wafer) – osnova nad kojom
se odvijaju svi tehnološki procesi
Osnovni materijal: monokristalni Si (dobijen
izvlačenjem nekom od metoda)
Tokom izvlačenja odvija se dopiranje, tako da je
ravnomerno dopiranje unutar cele zapremine
Dobija se šipka (ingot) prečnika (2.5-30) cm
Ingot se seče na wafere (supstratske pločice, supstrat)
debljine (250-750) μm
-
PITANJA
Koja je namena Silvaco TCAD alata?
Koja je razlika izmeĎu n- i p- tipa poluprovodnika?
Navesti dopante za dobijanje n- i p- tipa
poluprovodnika.
Silicijumska pločica je dopirana fosforom
koncentracije 2.5·1015 cm-3. Koji tip materijala je
nastao i zašto? Koji su većinski, a koji manjinski
nosioci?
Metoda CZ.
-
ZADACI
Definisati n-tip (100) silicijmske pločice dimenzija 2x5 μm2 sa koncentracijom dopanata 5.3·1015 cm-3. Podesiti gustinu mreţe (spacing) na 0.02 μm.
Definisati p-tip (111) silicijumske pločice 2x2 μm2 sa koncentracijom dopanata 6·1015 cm-3. Horizontalna gustina mreţe treba da bude 0.1 μm, a vertikalna 0.04 μm.
Definisati n-tip (100) silicijmske pločice dimenzija 5x3 μm2 sa koncentracijom dopanata 4.3·1015 cm-3. Horizontalna gustina mreţe treba da bude 0.25 μm, ali u oblasti 2 μm do 3 μm treba da bude gušća (0.1 μm). Vertikalna gustina mreţe treba da bude 0.1 μm, ali blizu 0.5 μm, treba da bude gušća (0.01 μm).
-
II.
EPITAKSIJALNI RAST
ELEKTRONSKI FAKULTET NIŠ
Katedra za mikroelektroniku
Tehnologije mikrosistema 2015/16.
Miloš Marjanović
-
TEORIJSKI PREGLED
Epitaksijalni rast (epitaksija, eng. epitaxy) – proces
narastanja monokristalnog Si na Si supstratu (debljina
epi sloja do nekoliko desestina μm) sa ciljem poprimanja
kristalografske strukture osnovne pločice
Primese se dodaju tokom rasta, dobija se uniformno
dopirani epi sloj
Koncentracija primesa u epi sloju: veća ili manja od koncentracije primesa u supstratu
Tip primesa: isti u odnosu na tip primesa u supstratu (homoepitaksija), različit u odnosu na supstrat (heteroepitaksija)
-
TEORIJSKI PREGLED
Homoepitaksijalni rast
Temperature depozicije: (1000-1250)°C
Pritisak: atmosferski ili redukovan (80-200)torr Hemijskom reakcijom silicijum-hlorida sa vodonikom:
SiCl4+2H2↔Si↓+4HCl↑
Dekompozicijom silana:
SiH4→Si↓+2H2↑
Molecular Beam Epitaxy (MBE) – vrsta niskotemperaturnog napravanja Si i SiGe filmova (500-800) °C
Heteroepitaksijalni rast
Primeri: AlAs na GaAs, GaN na SiC, SiGe na Si, ...
Teško uparivanje karakteristika materijala, ali je proces korišćen u različitim tehnologijama (ne samo CMOS)
-
SIMULACIJA HOMOEPITAKSIJALNOG RASTA
Parametri: tip i koncentracija nosilaca u supstratu, orijentacija supstrata, temperatura rasta, brzina rasta (growth rate), tip i koncentracija dopanata
Simulurati u 1D i 2D...
go athena
line x loc=0.0 spacing=0.1
line x loc=1.0 spacing=0.1
line y loc=0.0 spacing=0.05
line y loc=1.0 spacing=0.05
init silicon orient=100 c.boron=5e14 one.d
epitaxy temperature=1050 time=4 growth.rate=0.4
c.arsenic=5e15 division=40
structure outfile=epitaksija.str
tonyplot -st epitaksija.str
quit
-
SIMULACIJA HOMOEPITAKSIJALNOG RASTA
Rast arsenom dopiranog Si na p-tipu Si supstrata
brzinom 0.4 μm u minutu
Debljina epi- sloja: vreme [min] · brzina rasta
[μm/min] = 4 ·0.4 = 1.6 μm
Parametar division: broj podslojeva u epi-sloju
-
REZULTATI SIMULACIJE HOMOEPITAKSIJALNOG
RASTA
1D simulacija
ND =5e15
NA = 5e14
Xj
-
REZULTATI SIMULACIJE HOMOEPITAKSIJALNOG
RASTA
2D simulacija - prikazati 1D iz 2D: Tools/Cutline(F2)
ND =5e15
NA = 5e14
Xj
-
PITANJA
Šta je epitaksijalni rast?
Definisati i uporediti homoepitaksijalni i
heteroepitaksijalni rast.
-
ZADACI
Simulirati profil primesa epitaksijalnog rasta za n+/n- strukturu (supstrat n+=4.5e18, epitaksijalni sloj n-=2e15), kada je epi- sloj debljine 4 μm, a temperatura rasta 1100°C.
Si supstrat fopiran je fosforom koncentracije 2e17. Epitaksijalni sloj je dopiran borom koncentracije 4.5e15. Epitaksijalni rast odvija se na Si supstratu orijentacije (100) u trajanju od 12 minuta na temperaturi 1050°C, pri čemu je brzina rasta 0.5μm/min. Simulirati profil primesa epitaksijalnog rasta.
Deponovati sloj SiGe (1.3e20 Ge, 30 min, debljine 0.2 μm) na Si supstrat orijentacije (100) dopiran borom koncentracije 2e16, debljine 4 μm na temperaturi 1200°C. Simulirati profil primesa pri depoziciji.
-
III.
OKSIDACIJA
ELEKTRONSKI FAKULTET NIŠ
Katedra za mikroelektroniku
Tehnologije mikrosistema 2015/16.
Miloš Marjanović
-
TEORIJSKI PREGLED
OKSIDACIJA: proces formiranja SiO2 sloja na površini Si
Termička i hemijska oksidacija
Uloge oksida: izolacija komponenata u kolu, izolacija u
samoj komponenti, maska u termičkoj difuziji ili jonskoj
implantaciji, oksid gejta u MOS strukturama...
Debljine oksida: od 1-2 nm do 1-2 μm
Atmosfera za dobijanje oksida: bogata kiseonikom (termička,
suva oksidacija); vodena para (hemijska, vlaţna oksidacija,
CVD)
Temperature za dobijanje oksida: 800 – 1100 °C za termičku
i 200 – 600 °C za hemijsku (odreĎuju brzinu rasta)
-
TEORIJSKI PREGLED
Suva oksidacija: Si + O2 → SiO2 (za dobijanje tankih
oksida sa malom gustinom naelektrisanja na
meĎuporšini, tokom procesa se debljina supstrata smanji
za 0.44dox – izgubi se deo Si koji učestvuje u reakciji sa
O2 stvarajući sloj SiO2)
Vlažna oksidacija: Si + 2H20 → SiO2 + 2H2 (nanošenje
sloja SiO2 na supstrat procesom depozicije u pari, CVD
– Chemical Vapour Deposition)
o Oksidacija se moţe vršiti i
lokalno, na delu površine
pločice- kao maska za
sprečavanje rasta na ostatku
površine koristi se silicijum-
nitrid (Si3N4)
-
TEORIJSKI PREGLED
Deal Grove model: linearno parabolički model, nastao 1960tih, još uvek u širokoj upotrebi:
𝑥2 + 𝐴𝑥 = 𝐵(𝑡 + 𝜏)
gde je x- debljina oksida.
Aproksimacija, za duga vremena oksidacije opisuje se jednačinom:
𝑥2 = 𝐵𝑡1
gde je B konstanta parabolične brzine rasta: 𝐵 = 𝐶1exp −𝐸1
𝑘𝑇
Aproksimacija, za kratka vremena oksidacije opisuje se jednačinom:
𝑥 =𝐵
𝐴𝑡2
gde je B/A konstanta linearne brzine rasta:𝐵
𝐴= 𝐶2exp −
𝐸2
𝑘𝑇
Ukupno vreme rasta je t=t1+t2.
-
TEORIJSKI PREGLED
Deal Grove model: tabele
-
TEORIJSKI PREGLED
Deal Grove model: linearno parabolički model, nastao
1960tih, još uvek u širokoj upotrebi...
Debljine formiranog oksida na (100) Si u dry O2 ambijentu
-
TEORIJSKI PREGLED
Deal Grove model: linearno parabolički model, nastao
1960tih, još uvek u širokoj upotrebi...
Debljine formiranog oksida na (100) Si u wet H2O ambijentu
-
ZADATAK 1.
Proces oksidacije (100) Si pločice se odvija 3 sata na
1100°C u O2 ambijentu, zatim još 2 sata na 900°C u
H2O ambijentu, i konačno još 3 sata na 1200°C u O2
ambijentu. Odrediti konačnu debljinu oksidnog sloja
posle ovakvog multi-step oksidacionog procesa.
-
TEORIJSKI PREGLED
LOCOS proces. Struktura prikazana na slici se sastoji od tankog sloja monokristalnog Si koji se nalazi na SiO2 supstratu koji daje mehaničku čvrstoću strukturi.
Jedan od razloga što se koristi ovakva struktura je i taj što se spojevi mogu formirati kroz ceo sloj Si, čime se smanjuju kapacitivnosti spoja i ubrzava rad kola. Takodje, veoma je jednostavno realizovati izolaciju, s obzirom da se sloj Si moţe kompletno oksidisati, čime dobijamo oblast Si koja je potpuno opkoljena oksidom - LOCOS.
-
ZADATAK 2.
Pretpostavljajući da se LOCOS proces odvija na
1000°C u H2O ambijentu izračunati, koriseći Deal-
Grove model procesa oksidacije, koliko je vremena
potrebno da se oksidiše sloj Si debljine 0.3μm?
-
ZADATAK 3.
Si pločica kristalografske orijentacije (100) oksidiše 1
sat na 900°C u wet H2O ambijentu. Posle foto
postupka formirani sloj oksida se ukloni sa polovine
pločice. Pločica se zatim reoksidiše u steam H2O
ambijentu 30 minuta na 1000°C. Koristeći date
Jaegerove zavisnosti debljine formiranog oksida od
temperature, ambijenta i vremena oksidacije, odrediti
finalnu debljinu formiranog oksida u oblastima A i B
prikazane strukture.
-
ZADATAK 3.
-
ZADATAK 4.
Početna debljina oksida na Si pločici je xi. U oblastima
definisanim foto postupkom najpre se potpuno uklanja
oksid, a zatim se oksidacijom na 900°C u dry O2 ambijentu
u njima formira oksid gejta. Odrediti koliko je vreme
oksidacije ako se formira oksid gejta debljine 0.1μm?
Poznato je: B=5600·10-20/min, B/A = 2·10-10/min.
Posle oksidacije gejta ukupna debljina oksida u FIELD
oblasti je 0.5μm. Kolika je bila početna debljina oksida xi?
-
TEORIJSKI PREGLED
Brzina rasta zavisi od: vremena oksidacije,
temperature i pritiska...
Proces oksidacije je spor: suva oksidacija, 2h, na
1000°C, oko 70nm SiO2; vlaţna oksidacija, 2h, oko
600nm SiO2.
PoreĎenje modela:
suva oksidacija na
1000°C
-
TEORIJSKI PREGLED
Na brizinu rasta utiču i: kristalografska orijentacija, nivo dopiranja Si-supstrata, procenat hlorovodonične kiseline (HCl) ili hlorina (Cl2)
HCl i Cl2 štite od kontaminacije metala i sprečavaju ugradnju defekata u oksidni sloj
Jako dopirani supstrati brţe oksidišu u odnosu na slabo dopirane (3-4 puta), efekat je izraţeniji kod n+ nego kod p+ i to pri niskim temperaturama oksidacije
Brţi je rast na (111) nego na (100) supstratima, sem pri rastu tankih oksida pri niskim pritiscima pri suvoj oksidaciji i na vrlo visokim pritiscima i niskim temperaturama pri vlaţnoj oksidaciji
Različito oksidišu ravne i hrapave (oblikovane) strukture Si
ON LINE kalkulator – GROVE.net: http://fabweb.ece.illinois.edu/utilities/grove/default.aspx.
http://fabweb.ece.illinois.edu/utilities/grove/default.aspxhttp://fabweb.ece.illinois.edu/utilities/grove/default.aspx
-
SIMULACIJA OKSIDACIJE
Parametri: orijentacija supstrata, nivo dopiranja
supstrata, temperatura u peći, vreme koje je
supstrat u peći, ambijent oksidacije, pritisak i
procenat koncentracije kiseline ili hlora
go athena
line x loc=0.0 spacing=0.02
line x loc=2.0 spacing=0.25
line y loc=0.0 spacing=0.05
line y loc=4.0 spacing=0.25
init silicon orient=100 c.phos=3e15 two.d
diffuse time=90 temperature=900 wetO2 press=2 hcl=3
structure outfile=oksidacija.str
tonyplot -st oksidacija.str
quit
-
SIMULACIJA OKSIDACIJE
Zumiranje...
Korišćenje „lenjira“: Tools/Ruler (F3)
-
REZULTATI SIMULACIJE OKSIDACIJE
54% (0.2µm) iznad originalne površine, 46%
(0.17µm) ispod originalne površine Si-pločice.
Ukupna debljina oksida: 0.37µm.
Komanda EXTRACT se koristi za analizu simulirane
strukture, tj. ekstrakciju debljine materijala, dubine
spoja, nivoa dopiranja, kao i otpornosti, napone
praga i CV parametre komponenata
Ekstrakcija debljine materijala: 1D presek u
x=0.5:
extract name=“Debljina oksida je" thickness
material="SiO~2" x.val=0.5
-
FOR PETLJA U ATHENA-I:
go athena
foreach gas (2. to 8. step 2.)
line x loc=0.0 sp=1.0
line x loc=1.0 sp=1.0
line y loc=0.0 sp=0.05
line y loc=1.0 sp=0.05
initialize
diffuse time=60 temperature=1000 f.o2=gas f.h2=20.
structure outfile=primer_gas.str
end
tonyplot –st primer*.str
quit
-
PITANJA
Koju ulogu ima oksid?
Koje su razlike izmeĎu suvog i vlaţnog nagrizanja?
Korišćenjem Deal Grove-ovog modela, odrediti
vreme suve oksidacije na 1100°C, tako da se dobije
oksid debljine 0.2µm.
-
ZADACI
Analizirati zavisnost debljine oksida od tipa
oksidacije (wet i dry) u funkciji vremena oksidacije,
ako se proces vrši na Si supstratu orijentacije (100),
pri temperaturi 1100°C. Vreme oksidacije: 60, 120,
180, 240 300 min.
-
ZADACI
Analizirati zavisnost debljine oksida od pritiska pri
oksidaciji u funkciji temperature, ako se proces
obavlja na Si supstratu orijentacije (100), ukoliko je
koncentracija HCl u komori 2% u trajanju od 1 časa.
-
ZADACI
Analizirati zavisnost debljine oksida od
koncentracije HCl u komori pri suvoj oksidaciji u
funkciji temperature, ako se proces obavlja na Si
supstratu orijentacije (100), pri pritisku od 2 atm. u
trajanju od 1 časa.
-
IV.
DIFUZIJA
ELEKTRONSKI FAKULTET NIŠ
Katedra za mikroelektroniku
Tehnologije mikrosistema 2015/16.
Miloš Marjanović
-
TEORIJSKI PREGLED
DIFUZIJA: proces dopiranja Si (dolazi do redistribucije primesnih atoma koji su prethodno uneti u supstrat) sa ciljem promene provodnosti poluprovodnika
Odvija se na visokim temperaturama (850-1200)°C
Profil distribucije primesa zavisi od: temperature, vremena trajanja procesa
Difuzija se najčešće odvija u prisustvu kiseonika -> nad difuzionim otvorom narasta SiO2
-
TEORIJSKI PREGLED
Dubina spoja: xj (od nekoliko
desetina nm, do nekoliko
desetina µm):
Plitki (kratkotrajna difuzija –
Rapid Thermal Annealing
(RTA))
Duboki (atomi za implantaciju
se nalaze u smeši gasova
kojima se supstrati izlaţu na
visokoj temperaturi)
Tipovi spojeva:
pn spoj
hl spoj
-
TEORIJSKI PREGLED
DIFUZIJA iz dva dela:
Predepozicija (unošenje primesnih atoma na površinu Si
supstrata). Difuzivnost se povećava sa temperaturom.
Drive-in (redistribucija unešenih atoma unutar supstrata, pri
čemu nema izvora primesa). U toku procesa narasta oksid
koji sprečava prolazak nečistoća u supstrat.
Slojna otpornost:
q - elementarno naelektrisanje, µ - pokretljivost, n(x) – koncentracija dopanata,
NB – koncentracija u supstratu, xj – dubina spoja.
Aproksimacija:
-
TEORIJSKI PREGLED
Profil primesa u Si za konstantnu koncentraciju
dopanata na površini je:
N0 – koncentracija primesa na površini, xj – dubina spoja, t – vreme, D – difuzioni
koeficijent na odreĎenoj temperaturi, Q0 – ukupna koncentracija primesa, doza
Deponovana doza je:
𝑄 = 2𝐶𝑆𝐷𝑡
𝜋
gde je Cs – rastvorljivost, D – difuzioni koeficijent
-
TEORIJSKI PREGLED
rastv
orljiv
ost
-
TEORIJSKI PREGLED
Difuzioni koeficijent je nelinearna funkcija temperature i
koncentracije:
k – Bolcmanova konstanta, T – temperatura u Kelvinima, EA – aktivaciona energija u eV
(3.5-4.5 eV).
-
ZADATAK 1.
Poprečni presek strukture otpornika, koji je sastavni
deo visokofrekventnog analognog IC, prikazan je na
slici. Otpornik je napravljen u N- epitaksijalnom sloju.
Ako je širina otpornika 2.5μm, kolika bi trebala da
bude njegova duţina, da bi otpornost otpornika bila
50kΩ? Epitaksijalni sloj je dopiran fosforom,
koncentracije 1015cm−3, a njegova debljina je 3μm.
Pokretljivost nosilaca je 1560 cm2/Vs.
-
ZADATAK 2.
Difuzija p-tip (bor) oblasti je realizovana na sledeći
način:
Pre-dep: 30 minuta, 900°C, solid solubility,
Drive-in: 60 minuta, 1000°C.
a) Kolika je deponovana doza Q?
b) Ako je supstrat dopiran fosforom (1015cm−3),
kolika je dubina spoja xjB?
c) Kolika je slojna otpornost formiranog p-tip sloja?
-
IRVINOVE KRIVE
Irvinove krive se koriste za odreĎivanje trećeg
parametra difunodovanih slojeva na osnovu dva
poznata parametra: površinske koncentracije, odnosa
x/xj, srednje provodnosti.
Irvinove krive dostupne na:
http://fabweb.ece.illinois.edu/gt/irvin/,
ON LINE kalkulator:
http://fabweb.ece.illinois.edu/utilities/irvin/.
http://fabweb.ece.illinois.edu/gt/irvin/http://fabweb.ece.illinois.edu/gt/irvin/http://fabweb.ece.illinois.edu/utilities/irvin/http://fabweb.ece.illinois.edu/utilities/irvin/
-
IRVINOVE KRIVE
-
ZADATAK 3.
N+ oblast dubine xj se formira u P− supstratu, kao što je prikazano na slici. Za komponentu
koju proizvodimo je vaţno minimizirati vrednost slojne otpornosti N+ oblasti.
a) Pod pretpostavkom da se moţe formirati idealni ”box” profil, napisati izraz za ρs
(apsolutni minimum vrednosti slojne otpornosti).
b) Ako se kao primesa koristi arsen, odrediti minimalnu vrednost slojne otpornosti kada je
xj=0.1μm, pod uslovom da je dobijena maksimalna moguća koncentracija arsena
jednaka njegovoj rastvorljivosti u silicijumu 2·1021cm−3.
c) Ako koristimo normalni ”error function” profil, sa površinskom koncentracijom koja
odgovara vrednosti maksimalne rastvorljivosti arsena u silicijumu i ako je dubina spoja
xj=0.1μm, kolika će biti vrednost ρs?
d) Ponoviti izračunavanja pod c) ako ako je arsen deaktiviran na svoju normalnu
električnu rastvorljivost u silicijumu, koja je za red veličine manja, zbog formiranja
klastera, tako da deo aresnovih primesa ostaje električno neaktivan.
* KLASTER: odredjeni broj čestica formira novu česticu (klaster), čije se transportne
karakteristike bitno razlikuju u odnosu na matičnu česticu.
-
PROBLEM 1
U silicijumu je realizovan proces difuzije bora tako da
je maksimalna koncentracija bora 1018cm−3. U kom
opsegu temperatura na kojima se odvija proces
difuzije je vaţno uzeti u obzir zavisnost koeficijenta
difuzije od koncentracije primesa i uticaj električnog
polja na proces difuzije?
-
PROBLEM 2
Silicijumska pločica je uniformno dopirana borom (2·
1015cm−3) i fosforom (1·1015cm−3) tako da je ona P-
tipa. Procesom termičke oksidacije na pločici se
formira sloj osida debljine 1μm. Oksid se zatim
uklanja i merenjm je utvrdjeno da je površina pločice
sada N-tipa. Objasniti zašto se porvšina pločice
konvertovala iz P u N-tip?
ON LINE kalkulator – DifCad.net:
http://fabweb.ece.illinois.edu/utilities/difcad/default.aspx.
http://fabweb.ece.illinois.edu/utilities/difcad/default.aspxhttp://fabweb.ece.illinois.edu/utilities/difcad/default.aspx
-
SIMULACIJA DIFUZIJE
Ulazni parametri simulacije: orijentacija supstrata,
dopiranje supstrata, tip i koncentracija dopanata,
temperatura, ambijent
Ključni izlazni parametri difuzije: slojna otpornost, dubina
spoja, koncentracija primesa na površini...
go athena
line x loc=0.0 spacing=0.01
line x loc=1.0 spacing=0.01
line y loc=0.0 spacing=0.01
line y loc=1.0 spacing=0.01
init silicon orient=100 c.boron=1e15 one.d
diffuse time=30 temperature=950 pressure=1.0
hcl.pc=0 c.phos=1e20
structure outfile=difuzija.str
tonyplot -st difuzija.str
quit
-
SIMULACIJA DIFUZIJE
-
SIMULACIJA DIFUZIJE
Ekstrakcija parametara:
extract name="Dubina spoja je: " xj material="Silicon"
x.val=0
extract name="Slojna otpornost je: " sheet.res
material="Silicon" x.val=0
extract name="Povrsinska koncentracija je: " surf.conc
impurity="Net Doping" material="Silicon" x.val=0
-
SIMULACIJA DIFUZIJE
Predepozicija + drive in:
go athena
line x loc=0.0 spacing=0.01
line x loc=8.0 spacing=0.01
line y loc=0.0 spacing=0.01
line y loc=8.0 spacing=0.01
init silicon orient=100 c.boron=1e15 one.d
diffuse time=30 temperature=950 pressure=1.0
hcl.pc=0 c.phos=1e20
structure outfile=predepozicija.str
diffuse time=60 temperature=1175 dryo2 press=1
hcl.pc=3
extract name="Dubina spoja je: " xj
material="Silicon" x.val=0
extract name="Slojna otpornost je: " sheet.res
material="Silicon" x.val=0
-
SIMULACIJA DIFUZIJE
Predepozicija + drive in:
extract name="Povrsinska koncentracija je: "
surf.conc impurity="Net Doping" material="Silicon"
x.val=0
structure outfile=drive_in_60min.str
diffuse time=30 temperature=1175 dryo2 press=1
hcl.pc=3
extract name="Dubina spoja je: " xj
material="Silicon" x.val=0
extract name="Slojna otpornost je: " sheet.res
material="Silicon" x.val=0
extract name="Povrsinska koncentracija je: "
surf.conc impurity="Net Doping" material="Silicon"
x.val=0
structure outfile=drive_in_90min.str
-
SIMULACIJA DIFUZIJE
Predepozicija + drive in:
diffuse time=30 temperature=1175 dryo2 press=1
hcl.pc=3
extract name="Dubina spoja je: " xj
material="Silicon" x.val=0
extract name="Slojna otpornost je: " sheet.res
material="Silicon" x.val=0
extract name="Povrsinska koncentracija je: "
surf.conc impurity="Net Doping" material="Silicon"
x.val=0
structure outfile=drive_in_120min.str
tonyplot -overlay drive_in_60min.str
drive_in_90min.str drive_in_120min.str
quit
-
SIMULACIJA DIFUZIJE
Predepozicija + drive in: duţe vreme, dublje prodiranje
primesa, površinska koncentracija opada
-
PITANJA
Šta je difuzija?
Šta podrazumeva predepozicija?
Šta podrazumeva drive-in difuzija?
-
ZADACI
Simulirati predepoziciju fosfora (površinske koncentracije N0=5e18) u Si (100) supstrat p-tipa na 850°C u trajanju od 15 minuta, ako je Si pločica dopirana borom koncentracije 3e16. Korišćenjem Athena simulatora odrediti profil primesa i dubinu spoja.
Proces predepozicije odvija se 25 minuta na n-tipu Si (111) pločice dopirane fosforom koncentracije 2e17 na 950°C. Odrediti dubinu spoja i slojnu otpornost, ako je površinska koncentracija bora N0=3.8e20. Nakon predepozicije sledi drive-in difuzija u trajanju od 1 časa na 1250°C. Koja je konačna dubina spoja i sloja otpornost dobijenog uzorka?
-
ZADACI
Dioda je formirana kroz proces dve difuzije bora u
n-tip Si (100) pločice. Supstratska pločica je
uniformno dopirana fosforom koncentracije 4e15. U
toku predepozicije ukupno 4.3e17 cm-3 dopanata je
deponovano na Si na temperaturi 1150°C u trajanju
od 6 minuta. Nakon toga, pločica je odţarivana 3
časa na različitim temperaturi. Odrediti dubinu
spoja, slojnu otpornost i površinsku koncentraciju
dopanata za različite vrednosti temperature pri
drive-in difuziji (1150, 1180, 1210, 1240, 1270)°C.
Nacrtati grafike ovih zavisnosti.
-
V.
JONSKA IMPLANTACIJA
ELEKTRONSKI FAKULTET NIŠ
Katedra za mikroelektroniku
Tehnologije mikrosistema 2015/16.
Miloš Marjanović
-
TEORIJSKI PREGLED
JONSKA IMPLANTACIJA: proces ubacivanja primesa u obliku jona u Si
Joni dopanata se ubrzavaju električnim poljem do velikih energija (nekoliko keV do MeV) i prodiru u Si supstrat
Dubina prodiranja jona je funkcija energije jona (kontroliše se električnim poljem)
Niskotemperaturni proces
Precizna kontrola atoma dopanata: od 1012 do 1016 cm-2, čak i manje doze je moguće implantirati tokom CMOS procesa
-
TEORIJSKI PREGLED
Povećanje doze primesa postiţe
se duţim vremenom implantacije
i/ili jačim snopom jona
„Random“ proces: svaki jon
prodire po proizvoljnoj putanji pri
čemu gubi energiju razarajući Si
rešetku
Kada izgubi energiju ostaje na
odreĎenoj lokaciji
Srednja dubina prodiranja
(projektovani rang Rp) procenjuje
se na osnovu:
-
TEORIJSKI PREGLED
Projektovani rang u (nm) i standardna devijacija za
različite tipove jona i energije:
-
TEORIJSKI PREGLED
Projektovani rang u (nm) i standardna devijacija za
različite tipove jona i energije:
-
TEORIJSKI PREGLED
Raspodela jona se često modelira simetričnom
Gausovom funkcijom:
gde je Npeak – vršna vrednost koncentracije (=0.4N/ΔRp) i
odreĎena je za srednju dubinu prodiranja (x=Rp), a ne na
površini Si supstrata.
Doza: ukupni broj implantiranih jona*
*Jednačina je korisna veza izmeĎu doze i vršne vrednosti
koncentracije za energije u opsegu (100-200) keV.
* Za veće energije koristi se Dual Pearson model.
-
RAZLIKA IZMEĐU DOZE I KONCENTRACIJE
DOZA. Gledano odozgo, koliko riba po
jedinici površine, u odredjenoj zapremini
KONCENTRACIJA. Gledano
na specifičnoj lokaciji, koliko
ima riba po jedinici zaremine
-
TEORIJSKI PREGLED
Tunelovanje jona: Kada se primese implantiraju u
monokristalni Si i pravac prodiranja snopa jona se
poklapa sa kristalografskom orijentacijom supstrata,
dopanti prodiru dublje od teorijski predvidivih dubina.
Tunelovanje se sprečava tako što se primese
implantiraju pod odreĎenim uglom u odnosu na
normalu supstrata. U praksi je ugao implantacije od
7° do 10° za orijentacije kristala (100) ili (111).
-
TEORIJSKI PREGLED
Posle procesa implantacije, kristalna struktura Si je
uništena (razorena), a primese su električno
neaktivne jer nisu deo kristalne rešetke.
Proces termičkog odţarivanja je neophodan da bi se
aktivirali dopanti i eliminisala nastala oštećenja
kristalne rešetke - defekti. Temperatura odţarivanja
je (800-1000)°C u atmosferi Ar ili N2.
-
ZADATAK 1.
Antimon implantiramo u nedopirani silicijumski
supstrat. Energija implantacije je 60keV, a doza
implantacije je 1012cm−2.
a) Na kojoj dubini se nalazi maksimum implantiranog
profila?
b) Kolika je koncentracija antimona na ovoj dubini?
c) Kolika je koncentracija na dubini 20nm?
-
ZADATAK 2.
Procesom implantacije potrebno je dobiti profil bora
čiji se maksimum (1017cm−3) nalazi na dubini od
0.4μm. Odrediti energiju i dozu implantacije. Kolika je
dubina pn-spoja, ako je supstrat u koji se bor
implantira N-tipa, koncentracije 1015cm−3.
-
SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE
Ulazni parametri simulacije: tip supstrata,
koncentracija dopanata, energija, doza i ugao
implantacije
go athena
line x loc=0.0 spacing=0.2
line x loc=8.0 spacing=0.2
line y loc=0.0 spacing=0.01
line y loc=2.0 spacing=0.01
init silicon orient=100 c.phosphor=1e14 one.d
implant boron energy=100 dose=6e14 pears tilt=7
structure outfile=implantacija_100keV.str
tonyplot implantacija_100keV.str
quit
-
SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE
Vršna vrednost
koncentracije dopanata
NIJE na površini!
Energija u [keV]; doza u [cm2]; pears je matematički
model (Dual Pearson Model); ugao u [°]
ΔRp=0.6Npeak=0.936e-6
Npeak=2.7e19
Rp=0.33e-6
-
SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE
Ekstrakcija parametara:
extract name="Dubina spoja je: " xj silicon x.val=0.0
extract name="Vrsna koncentracija primesa je: "
max.conc impurity="boron" material="silicon" x.val=0.0
extract name="Dubina" x.val from curve(depth,
impurity="boron" material="silicon") where
y.val=max(curve(depth, impurity="boron"
material="silicon"))
extract name="Granica" x.val from curve(depth,
impurity="boron" material="silicon") where
y.val=max(curve(depth, impurity="boron"
material="silicon"))*0.6
extract name="Devijacija je: " ($Dubina - $Granica)
-
SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE
Rezultati ekstrakcije parametara:
Dubina spoja je: =0.880951 um from top of nth Silicon
layer X.val=0
Vrsna koncentracija primesa je:=2.70049e+019 atoms/cm3
X.val=0
Dubina=0.33
Granica=0.236382
Devijacija je: =0.093618
-
SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE
Simulacija procesa odţarivanja u N2 atmosferi (30 min
zagrevanje od 800°C do 1000°C, 90 min na konstantnih
1000°C i konačno hlaĎenje 30 min sa 1000°C na 800°C)
sa ciljem električnog aktiviranja dopanta i otklanjanja
defekata:
diffusion time=30 temperature=800 t.final=1000 nitro
press=1 hcl.pc=0
diffusion time=90 temperature=1000 nitro press=1
hcl.pc=0
diffusion time=30 temperature=1000 t.final=800 nitro
press=1 hcl.pc=0
-
SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE
Ekstrakcija istih parametara kao i pre odţarivanja...
Štampanje uporednih rezultata:
Rezultati: Sa povećanjem temperature i vremena
odţarivanja, primesni joni prodiru dublje u Si. Dubina
spoja se povećava, a vršna vrednost koncentracije
se smanjuje, tako da površina ispod krive ostane
konstantna sa vremenom i temperaturom. =>
struct outfile=posle_odzarivanja.str
tonyplot -overlay -st implantacija_100keV.str
posle_odzarivanja.str
-
SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE
pre odžarivanja
posle odžarivanja:
Npeak=9.9e18
Rp=0.32e-6
ΔRp=0.6Npeak=0.252e-6
-
SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE
Simulacija zavisnosti implantacije bora u (100) Si od
ugla implantacije:
go athena line x loc=0.0 spacing=0.2
line x loc=8.0 spacing=0.2
line y loc=0.0 spacing=0.01
line y loc=1.0 spacing=0.01
init silicon orient=100 one.d
structure outfile=inicijalizacija.str
implant boron energy=35 dose=1e13 pears tilt=0
structure outfile=ugao0.str
init infile=inicijalizacija.str
implant boron energy=35 dose=1e13 pears tilt=2
structure outfile=ugao2.str
-
SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE
init infile=inicijalizacija.str
implant boron energy=35 dose=1e13 pears tilt=5
structure outfile=ugao5.str
init infile=inicijalizacija.str
implant boron energy=35 dose=1e13 pears tilt=7
structure outfile=ugao7.str
init infile=inicijalizacija.str
implant boron energy=35 dose=1e13 pears tilt=10
structure outfile=ugao10.str
tonyplot -overlay -st ugao0.str ugao2.str ugao5.str
ugao7.str ugao10.str
quit
-
SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE
Početna struktura se sačuva, a nakon toga poziva
više puta korišćenjem naredbe:
Rezultati: Raspodela primesa je vrlo osetljiva čak i
za male promene ugla implantacije. Efekat
tunelovanja je izraţen za uglove manje od 2° i to
tunelovanje progresivno opada sa povećanjem ugla
implantacije. Za ugao od 7° tunelovanje je značajno
smanjeno.
init infile
-
SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE
tunelovanje
-
PITANJA
Opisati proces jonske implantacije.
Objasniti pojam tunelovanja jona.
-
ZADACI
Joni bora se implantiraju u As- dopirani
(ND=2.3e15) Si supstrat. Energija implantacije je
125 keV, a doza je 3.2e15. Simulirati koncentraciju
bora u funkciji dubine supstrata. Odrediti
projektovani rang i devijaciju. Naći Npeak i dubinu
spoja.
Prethodno dobijenu strukturu odţariti na 1150°C u
trajanju od 35 minuta. Odrediti i prikazati novi profil
primesa za jone bora i dubinu spoja.
-
ZADACI
Korišćenjem Athena-e simulirati sledeći proces:
n-tip, (100) Si supstrat, dopiran fosforom, ND=5.7e14
Implantacija jona bora sa 100 keV i dozom 9e12.
Prikazati koncentraciju bora u funkciji dubine supstrata,
koja je dubina spoja xj?
Odţarivanje na 1025°C u trajanju od 30 minuta u N2
atmosferi. Koja je dubina spoja, koliko iznosi vršna
vrednost koncentracije dopanata?
Dodatna jonska implantacija As sa 75keV, doze: 6.8e12,
sa odţarivanjem na 1000°C u trajanju od 25 min u N2
atmosferi. Na istom grafu prikazati koncentracije B, P i
As u funkciji dubine supstrata. Da li se formirao pn-
spoj? Ako da, koliko je duboko od površine supstrata?
-
VI.
FOTOLITOGRAFIJA
ELEKTRONSKI FAKULTET NIŠ
Katedra za mikroelektroniku
Tehnologije mikrosistema 2015/16.
Miloš Marjanović
-
TEORIJSKI PREGLED
FOTOLITOGRAFIJA: proces kojim se definišu šabloni (pattern) na površini materijala.
Površina pločice se najpre prekrije slojem fotoosetljivog materijala koji se naziva fotorezist.
Fotorezist se zatim prekrije fotomaskom na kojoj se nalaze otvori koji predstavljaju šablone.
Sledi ekspozicija, odnosno izlaganje maskirane površine pločice ultraljubičastoj svetlosti ili fokusiranom mlazu elektrona.
-
TEORIJSKI PREGLED
Fotorezist menja svoj hemijski
sastav pod dejstvom svetlosti
(polimerizuje se) na površinama
kroz koje svetlost prodire kroz
masku.
Nakon toga se fotomaska uklanja,
a fotorezist izlaţe hemijskom
nagrizanju (ecovanje).
Nagrizanje je selektivno,
ukljanjaju se samo polimerizovani
delovi fotorezista.
Sledi nagirazanje SiO2, tako da
se stvaraju otvori do površine
supstrata.
-
TEORIJSKI PREGLED
Na kraju se fotorezist uklanja, pločica je spremna za dalje procesiranje.
REZOLUCIJA FOTOLITOGRAFSKOG POSTUPKA predstavlja najmanju dimenziju otvora koja se moţe ostvariti na fotomasci (danas par desetina nm)!
Kamen temeljac mikro- i nano- elektronike – najbitniji proces. Najkomplikovaniji, najskuplji i najkritičniji proces u IC fabrikaciji...
Bitni parametri: rezolucija, polje prilikom izlaganja svetlosti, tačnost postavljanja maske, gustina defekata, protok procesiranja...
-
TEORIJSKI PREGLED Sistem za fotolitografiju se sastoji iz: sistema za
osvetljavanje, maske, projekcionog sistema i Si-
pločice
-
TEORIJSKI PREGLED
Najčešće korišćen projekcioni sistem je stepper sistem: osvetli se jedan čip na pločici, pločica se pomeri na novu poziciju, a onda se izloţi svetlosti drugi čip. Ovaj pristup se naziva step-and-repeat. Fotomaske se nazivaju reticles.
Proces je sporiji nego kada se odjednom svetlosti izlaţe cela pločica (1X projekcioni optički sistem): 30 pločica/sat u odnosu na 100 pločica/sat...
Prednosti: manja površina koja se izlaţe, lakše se postiţe za (20x20)mm2, nego (200x300)mm2; moguće poravnanje svakog čipa posebno; lakše eksperimentisanje (svi čipovi mogu da budu izlagani različito sa ciljem da se odredi optimalna doza zračenja, uslovi fokusa, proveri stabilnost procesa); moguća je promena maske izmeĎu izlaganja - moguće je na istoj pločici napraviti različite čipove.
-
TEORIJSKI PREGLED
Izvor svetlosti daje svetlosne talase različitih talasnih
duţina koji kada proĎu kroz masku se preko
projekcione optike preslikavaju na Si- pločicu.
Minimalne karakteristične dimenzije struktura koje se
mogu postići fotolitografskim procesom, zavise od
efekata talasne duţine svetlosti, interferencije i
difrakcije zraka...
-
TEORIJSKI PREGLED
Veza izmeĎu numeričke aperture (NA), talasne
duţine svetlosti (λ) i rezolucije (R) data je kroz
proširenu Rayleigh-ovu rezoluciju i deep of focus
(DoF):
gde k1 zavisi od optičkog sistema i fotorezistnog
materijala, k2=1, n je indeks prelamanja (n=1 za
vazduh, n=1.44 fluida za potapanje). Maksimalni ugao
prelamanja θ odreĎuje NA= n·sinθ.
-
TEORIJSKI PREGLED
Faktor delimične koherencije (σ) se definiše kao
odnos efektivne dimenzije izvora (s) i dimenzije
sočiva u sistemu za osvetljenje (d) ili kao odnos NAC
za sočivo u sistemu osvetljenja i NA za sočivo u
projekcionom sistemu.
σ definiše meru osveteljenosti: veća vrednost σ jača
osvetljenost i manji ugao koherencije svetlosnog
izvora.
Tok procesa: nanošenje fotorezista, pečenje (soft
bake), poravnanje, izlaganje svetlosti, pečenje,
razvijanje, pečenje (hard bake).
-
SIMULACIJA FOTOLITOGRAFIJE
Definisanje parametara izvora svetlosti, maske i
projekcionog sistema
Sistem za osvetljavanje se definiše korišćenjem dve
naredbe. Naredba illumination definiše talasnu
duţinu svetlosti (λ=365nm (i-line), λ=405nm (h-line),
λ=436nm (g-line)):
Naredba illum.filter definiše oblik izvora svetlosti:
circle, square, Gaussian... Parametar koherencije
sigma definiše prečnik kručnog izvora, tj. dimenzije
kvadratnog izvora:
go athena
illumination h.line
illum.filter circle sigma=0.5
-
SIMULACIJA FOTOLITOGRAFIJE
Definisanje parametara izvora svetlosti, maske i
projekcionog sistema
Naredba layout se koristi za unos koordinata layouta
maske (primer: 1um u x-pravcu, 2 um u z-pravcu).
Projekcioni sistem se definiše korišćenjem dve
naredbe. Naredba projection definiše numeričku
aperturu:
Naredbom pupil.filter definiše se oblik projekcionog
sistema (square, circle) i mogući filtri ovog sistema:
layout x.low=-0.5 z.low=-1.0 x.high=0.5
z.high=1.0
projection na=0.45
pupil.filter circle
-
SIMULACIJA FOTOLITOGRAFIJE
Definisanje parametara izvora svetlosti, maske i
projekcionog sistema
Naredbom image poziva se modul za maske i definiše
se maska (koordinate i korak duţ x-ose):
Parametar clear definiše se da je maska prazno polje
sa tamnim centralnim delom odreĎenom u layout
naredbi.
Čuvanje rezultata u izlaznom fajlu:
image win.x.low=-1.0 win.x.hi=1.0
win.z.lo=-1.25 win.z.hi=1.25 dx=0.05
clear
structure outfile=litografija_1.str
intensity mask
-
SIMULACIJA FOTOLITOGRAFIJE
Definisanje parametara izvora svetlosti, maske i projekcionog sistema
Parametar mask čuva samo informacije o layoutu maske, a intensity čuva samo informacije o raspodeli intenziteta svetlosti
Prikazivanje rezultata:
Slika maske, tj. intenzitet svetlosti na vrhu fotorezistnog sloja se moţe menjati promenom talasne duţine, uslova zračenja, numeričke aperture, parametara maske...
tonyplot –st litografija_1.str
-
SIMULACIJA FOTOLITOGRAFIJE
-
SIMULACIJA FOTOLITOGRAFIJE
Tok fotolitografije
Fotorezistni sloj se nanosi preko cele površine Si-
pločice sa odreĎenim tankim slojem dielektrika
(oksida, nitrida, ...) ili tankim slojem metala (Al, Cu, ...)
spin coating procesom. Primer: nanošenje pozitivnog
AZ1350J fotorezista firme Shipley Inc. debljine 0.5um,
na celu površinu Si-pločice sa oksidnim slojem
debljine 0.1um:
line x loc=-1.0 spacing=0.05
line x loc=1.0 spacing=0.05
line y loc=0.0 spacing=0.05
line y loc=1.0 spacing=0.05
initialize silicon orientation=111 two.d
deposit oxide thick=0.1
deposit name.resist=AZ1350J thickness=0.5
-
SIMULACIJA FOTOLITOGRAFIJE
Tok fotolitografije
Nakon nanošenja fotorezista, drugi korak je soft bake,
tipično u trajanju 10-30 minuta na 90-100°C. U
simulatoru je ovaj korak podrazumevan (default).
Nakon toga se maska poravnjava sa Si-pločicom, tj.
sa šablonom na površini pločice. Fotorezist se
osvetljava kroz šablon na maski visokim intenzitetom
UV zračenja sa neophodnom dozom [mJ/cm2]:
expose dose=150
-
SIMULACIJA FOTOLITOGRAFIJE
Tok fotolitografije
Sledi pečenje (post-exposure bake - PEB) da bi se
eliminisali efekti stojećeg talasa usled zračenja. Ovaj
korak povećava otpornost fotorezista. Ovi efekti su
rezultat interferencije unutar fotorezistonog sloja
izmeĎu upadnog i reflektovanog zraka. Tipične PEB
temperature su 100-120°C, u trajanju oko 500-600s,
odnosno 100s, respektivno. Ako se nanese
antireflektujući sloj ispod fotorezista, PEB nije
neophodan.
Naredba za PEB (vreme je podrazumevano u min): bake time=100 sec temp=120
-
SIMULACIJA FOTOLITOGRAFIJE
Tok fotolitografije
Razvijanjem se eleminiše osvetljen fotorezist sa
pločice uranjanjem u odreĎene kiselne, odreĎeno
vreme, nakon čega se sa pločice ispiraju zaostali
nepotrebni delovi fotorezista.
Razvijanje se simulira naredbom:
gde je Mack naziv ugraĎenog modela za razvijanje,
vreme je izraţeno u sekundama, a steps definiše broj
vremenskih koraka.
develop mack time=90 steps=20
-
SIMULACIJA FOTOLITOGRAFIJE
Tok fotolitografije
Na kraju sledi još jedno pečenje (post-development
hard bake) koji očvršćava preostali fotorezistni sloj
kako bi bio izdrţljiviji u sledećim procesnim koracima,
kao što su hemijsko ili plazma nagrizanje. Tipične
temperature su 120-140°C u trajanju od 10-30 min.
Pre simulacije ovog pečenja, u naredbi material se
podešavanjem parametra reflow omogućava
korišćenje tog modela u naredbi bake. Ovde su
definisani viskozitet fotorezista, kao i faktor
površinskog naprezanja za ovaj materijal:
material material=AZ1350J gamma.reflo=2e2 reflow
visc.0=1.862e-13 visc.E=1.85
bake time=10 min temp=120 reflow
-
SIMULACIJA FOTOLITOGRAFIJE
Tok fotolitografije
Čuvanje i prikaz rezultata: structure outfile=litografija_2.str
tonyplot –st litografija_2.str
quit
-
PITANJA I ZADACI
Objasniti proces fotolitografije.
Šta je rezolucija fotolitografije? Kako se ona moţe menjati?
Šta je numerička apertura i kako je ona povezana sa rezolucijom? Ponoviti simulaciju ako je na=0.85. Uporediti rezultate.
Objasniti razliku izmeĎu pozitivnog i negativnog fotorezista. Šta će se desiti ako se obriše parametar clear iz image naredbe?
Opisati tok fotolitografskog procesa.
Šta se dešava tokom soft bake-a?
Šta se dešava tokom izlaganja pločice svetlosti sa pozitivnim, a šta sa negativnim fotorezistom? Ponoviti simulaciju sa dose=20. Uporediti rezultate.
Koja je uloga post-exposure bake pre razvijanja?
Šta se dešava tokom procesa razvijanja?
Koja je uloga hard bake tokom fotolitografskog procesa? Ponoviti simulaciju za temperaturu iznad 200°C. Uporediti rezultate.
-
PITANJA I ZADACI
Korišćenjem Athena-e simulirati strukturu sa slike.
Parametri procesa i sistema u toku fabrikacije ove
strukture dati su u tabeli.
-
PITANJA I ZADACI
Korišćenjem Athena-e simulirati strukturu sa slike.
Parametri procesa i sistema u toku fabrikacije ove
strukture dati su u tabeli.
-
VII.
ECOVANJE (NAGRIZANJE)
ELEKTRONSKI FAKULTET NIŠ
Katedra za mikroelektroniku
Tehnologije mikrosistema 2015/16.
Miloš Marjanović
-
TEORIJSKI PREGLED
Ecovanje: proces selektivnog otklanjanja
materijala, nagrizanje
Vlaţno ecovanje (wet) – tečne supstance izazivaju
hemijsku reakciju
Suvo ecovanje (dry, plazma ecovanje) – gasovite
supstance izazivaju hemijske i fizičke procese
Selektivnost: S21=r1/r2, gde su r1 i r2 brzine
ecovanja maske i sloja koji se otklanja (brzine
ecovanja različitih materijala). Na pr: SiO2 i Si,
Si3N4 i SiO2 ili fotorezist i SiO2. Selektivnost kod
vaţnog ecovanja je visoka i dobra (od nekoliko
desetina do hiljadu puta), dok je kod plazma
ecovanja selektivnost mala (do nekoliko puta).
-
TEORIJSKI PREGLED
Izotropno nagrizanje – brzina nagrizanja je ista u
svim pravcima, ne moţe se koristiti za dobijanje
finih submikronskih i nanometarskih oblika.
Vreme ecovanja se odreĎuje na osnovu poznate
brzine ecovanja.
Prekoračenje usled ecovanja moţe biti 10-20%.
-
TEORIJSKI PREGLED
b – etch bias (nagrizanje ispod maske)
d – dubina ecovanja
b=d kod izotropnog ecovanja samo ako se
zaustavi pre nagrizanja sledećeg sloja
Selektivnost ecovanja i maske i sloja koji se ecuje
je beskonačna
-
TEORIJSKI PREGLED
Etch directionality je mera relativnih brzina
ecovanja u različitim pravcima (vertikalnom rvert i
lateralnom rlater)
Stepen anizotropnosti ecovanja filma Af=1-
(rlater/rvert)
Anizotropno nagrizanje ima Af=1, a izotropno
Af=0, u praksi vaţi: 0
-
TEORIJSKI PREGLED
Erozija maske: usled ecovanja dolazi do
otklanjanja delova maske (Δm)
Dolazi do još većeg lateralnog nagrizanja nego
kad ne bi bilo erozije maske
Ovaj problem postoji čak i kod anizotropnog
ecovanja
-
SIMULACIJA ECOVANJA
Vlažno nagrizanje Si (111):
Najčešće korišćena hemikalija za izotropno vlaţno
nagrizanje Si (111) je HNA. HNA je mešavina azotne
kiseline (HNO3), fluorovodonične kiseline (HF) i
sirćetne kiseline (CH3COOH). Brzina ecovanja i
kvalitet površine nakon ecovanja zavise od sastava
hemikalije i temperature. Tipično se koristi 10ml HF,
30ml HNO3, 80ml DI H2O ili CH3COOH na 22°C. Si se
nagriza brzinom 0.7-3.0 μm/min.
Problemi pri ecovanju sa HNA: teško precizno
postavljanje maske od SiO2 jer se brzo nagriza (30-
70)nm/min; brzina ecovanja je zavisna od
temperature.
-
SIMULACIJA ECOVANJA
Vlažno nagrizanje Si (111):
Definiše se mašina za ecovanje korišćenjem naredbe rate.etch. Koristi se wet.etch model. Parametar
u.m definiše brzinu ecovanja u μm/min (n.m je za
nm/min). Parametar isotropic opisuje tip ecovanja
i brzinu.
Primer: brzina je 30nm/min za oksid i 0.7μm/min za
Si. Selektivnost je 23.3.
Mašina za ecovanje se pokreće komandom etch
machine, pri čemu se specificira vreme nagrizanja
(primer: 4 min).
-
SIMULACIJA ECOVANJA
go athena
init infile=litografija_2.str
rate.etch machine=HNA wet.etch oxide n.m isotropic=30
rate.etch machine=HNA wet.etch silicon u.m isotropic=0.7
etch machine=HNA time=3.9 min
structure outfile=HNA_nagrizanje.str
tonyplot HNA_nagrizanje.str
quit
Nagrizanje isto u svim
pravcima, primetna je
erozija maske.
-
SIMULACIJA ECOVANJA
Plazma nagrizanje:
Najčešće se korisi RIE – reactive ion etching. RF izvor
se koristi da pobudi jone u gasu koji dobijaju dovoljno
energije da izazovu fizičku ili hemijsku reakciju na
izloţenom delu pločice u cilju nagrizanja.
Gasovi CHF3 i CF4 se koriste za nagrizanje SiO2 i
Si3N4, dok se fotorezist uklanja sa O2.
RIE se postiţu anizotropni ili izotropni profili u
zavisnosti od korišćenih gasova, uslova plazme,
primenjenog izvora.
-
SIMULACIJA ECOVANJA
Plazma nagrizanje:
1. Izotropno nagrizanje: parametar isotropic
definiše tip i brzinu nagrizanja
2. Anizotropno nagrizanje: parametar directional
definiše tip i brzinu nagrizanja
3. Hemijsko nagrizanje: parametar chemical definiše
tip i brzinu nagrizanja
Brzina nagrizanja je 50Å/s, dok je selektivnost jednaka
10.
-
SIMULACIJA ECOVANJA
go athena
init infile=litografija_2.str
rate.etch machine=etch oxide a.s rie isotropic=5.0
rate.etch machine=etch silicon a.s rie isotropic=50.0
etch machine=etch time=3.9 min dx.mult=0.5
structure outfile=nagrizanje1.str
init infile=litografija_2.str
rate.etch machine=etch oxide a.s rie directional=5.0
rate.etch machine=etch silicon a.s rie directional=50.0
etch machine=etch time=3.9 min dx.mult=0.5
structure outfile=nagrizanje2.str
-
SIMULACIJA ECOVANJA
init infile=litografija_2.str
rate.etch machine=etch oxide a.s rie chemical=5.0
divergence=5
rate.etch machine=etch silicon a.s rie chemical=50.0
divergence=5
etch machine=etch time=3.9 min dx.mult=0.5
structure outfile=nagrizanje3.str
tonyplot -overlay nagrizanje1.str nagrizanje2.str
nagrizanje3.str
quit
-
SIMULACIJA ECOVANJA
-
PITANJA I ZADACI
Objasniti proces nagrizanja?
Koja je razlika izmeĎu vlaţnog i plazma ecovanja?
Koje su razlike izmeĎu izotropnog i anizotropnog
ecovanja?
Korišćenjem strukture iz prethodne veţbe, simulirati
otvaranje rupa za kontakte. Karakteristike procesa
nagrizanja za RIE date su u tabeli. Nagrizanje traje
1min.
-
VIII.
METALIZACIJA
ELEKTRONSKI FAKULTET NIŠ
Katedra za mikroelektroniku
Tehnologije mikrosistema 2015/16.
Miloš Marjanović
-
TEORIJSKI PREGLED
Metalizacija: stvaranje električnih kontakata (omskih i Šotkijevih) i meĎusobno povezivanje komponenata koji se nalaze na istom supstratu
o CVD postupkom se nanosi sloj metala preko cele površine
pločice
o Fotolitografskim postupkom se definišu mesta na kojima metal treba da ostane
o Metal dolazi u dodir sa Si koji treba da bude jako dopiran, stvara se kvalitetan električni kontakt (OMSKI kontakt)
o Za metalizaciju se koriste aluminijum, titan, nikl i njihove legure
o Debljina metala: od par stotina nm do par μm
-
TEORIJSKI PREGLED
Umesto metala se na pojedinim mestima koristi
polikristalni Si (polisilicijum - polySi) koji se jako
dopira tako da po električnoj provodnosti bude
blizak metalu
polySi nema osobinu da prodire u Si ili SiO2 (kao
kod metala), pogodan za metalizaciju iznad vrlo
tankih slojeva SiO2
Za metalizaciju iznad vrlo plitkih pn spojeva
koriste se silicidi (PtSi, TiS2)
Metali Au i Pt nekontaktiraju dobro na supstrat, pa
se nanosi tanki sloj (10-20 nm) Ti ili Cr
Metalizacija se izvodi i u više slojeva, meĎusobno
izolovanih sa SiO2
-
TEORIJSKI PREGLED
Poduţna otpornost je: R=ρL/Wh=ρsL/W, gde je ρ
specifična električna otpornost, ρs – slojna
otpornost [Ω/□], L – duţina, W – širina, h –
debljina linije
-
TEORIJSKI PREGLED
Fizičko naparavanje metala (spaterovanje, PVD
– Physical Vapor Deposition) se odvija
posredstvom plazme, u visokom vakuumu sa
argonom kao nosećim gasom. Para metala visoke
energije se kondenzuje na površini supstrata, tj.
nema hemijske reakcije.
Al-legura koja se naparava sadrţi 0.5-1% Cu (da
bi se sprečila elektromigracija i nagomilavanje
materijala), 1-1.5% Si (da spreči dodatne reakcije
sa supstratom).
PVD metodi/mašine: unidirectional, dual
directional, planetary, hemispherical, conical
-
TEORIJSKI PREGLED
Hemijsko naparavanje metala (CVD – Chemical Vapor Deposition): unutar reaktora u kome su pločice sa supstratom na povišenoj temperaturi postoji protok nosećeg gasa u kome se nalaze čestice materijala koji se deponuje
Hemijskom reakcijom na površini pločica se nadograĎuje ţeljeni film a nus-proizvodi reakcije se izbacuju iz reaktora
Brzina nadogradnje CVD sloja zavisi od temperature, pritiska, brzine protoka nosećeg gasa i reaktanata i dodirne površine sa supstratom
Prednosti u odnosu na PVD: odlično pokrivanje stepenica u strukturi, niskotemperaturni proces
-
SIMULACIJA METALIZACIJE
Unidirectional depozicija metala:
Tip depozicije metala: uni
Materijal se navodi kao komanda: aluminum,
tungsten, titanium, platinum, cobalt, ...
Brzina depozicije naredbom: dep.rate
Logičkim parametrom a.m definiše se jedinica Å/min
Parametar sigma.dep definiše parametar površinske
difuzije
Ugao depozicije u odnosu na normalu površine se specificira sa: angle1
Komandom deposit počinje nanošenje sloja Al u
trajanju time
-
SIMULACIJA METALIZACIJE go athena
line x loc=0.0 spac=0.2
line x loc=0.25 spac=0.01
line x loc=0.75 spac=0.01
line x loc=1.0 spac=0.2
line y loc=0.0 spac=0.01
line y loc=1.0 spac=0.01
init silicon orientation=100 two.d
deposit nitride thick=0.3 divis=10
etch nitride start x=0.35 y=-0.3
etch cont x=0.35 y=0.3
etch cont x=0.65 y=0.3
etch done x=0.65 y=-0.3
structure outfile=struktura.str
tonyplot -st struktura.str
rate.depo machine=uni aluminum a.m sigma.dep=0.2 uni
dep.rate=800 angle1=45.0
deposit machine=uni time=2 minutes divis=20
structure outfile=unidirectional.str
tonyplot -st unidirectional.str
quit
-
SIMULACIJA METALIZACIJE
45°
Shadowing fenomen (fenomen senke):
pojava oblasti bez metala zbog depozicije Al
pod jednim uglom
Neravnomerna debljina metala
moţe prouzrokovati probleme
pouzdanosti komponente. Na pr.
neravnomerna gustina struje u
provodnoj liniji moţe dovesti do
elektromigracije, tj. prekida linije.
-
SIMULACIJA METALIZACIJE
Dualdirectional depozicija metala:
Tip depozicije metala: dualdirec
Definišu se dva ugla: angle1, angle2
init infile=struktura.str
rate.depo machine=dual aluminum a.m sigma.dep=0.2 dualdirec
dep.rate=800 angle1=45.0 angle2=-45.0
deposit machine=dual time=2 minutes divis=20
structure outfile=dualdirectional.str
tonyplot -st dualdirectional.str
45° - 45°
mogući prekid metalne linije
-
SIMULACIJA METALIZACIJE
Hemispheric depozicija
metala:
Tip depozicije metala: hemisphe
Definišu se dva ugla: angle1, angle2
init infile=struktura.str
rate.depo machine=hemi aluminum
a.m sigma.dep=0.2 hemisphe
dep.rate=800 angle1=90.0
angle2=-90.0
deposit machine=hemi time=2
minutes divis=20
structure
outfile=hemispherical.str
tonyplot -st hemispherical.str
-
SIMULACIJA METALIZACIJE
CVD proces
Tip procesa: cvd
Parametar za definisanje pokrivenosti metalom stepenica u strukturi: step.cov
Debljina dobijenog sloja metala je dovoljno velika sa
svih strana i na stepenicama u strukturi...
init infile=struktura.str
rate.depo machine=cvd1 aluminum a.m cvd dep.rate=800
step.cov=0.8
deposit machine=cvd1 time=2 minutes divis=20
structure outfile=cvd.str
tonyplot -st cvd.str
-
PITANJA I ZADACI
Šta je metalizacija? Koji metali se najčešće koriste u
IC industriji?
Koja je razlika izmeĎu omskog i Šotkijevog kontakta?
Šta je slojna otpornost? Koja je debljina Al, ako je
izmerena slojna otpornost 0.03Ω/□ i ρ=3μΩcm?
Otpornost bakarne linije duţine 200μm i debljine
300nm je 40Ω. Koja je širina linije?
Koja je razlika izmeĎu CVD i PVD procesa?
Korišćenjem Athene simulirati depoziciju tankog Ti
filma, debljine 1500Å, korišćenjem planetary modela.
-
PITANJA I ZADACI
Korišćenjem Athene simulirati depoziciju Al filma iznad SiO2 i Si
slojeva u trajanju od 1min i 2 min. Brzina rasta Al soja je
1000Å/min. Visina SiO2 sloja je 5000Å, dok je prostor za kontakt
u oksidnom sloju širine 2μm. Koristiti uni model, pri čemu se Al
deponuje pod uglom od 30°.
o Projektovati strukturu sa
slike korišćenjem Athene i
simulirati izgled strukture sa
deponovanim slojem Al
(brzina deponovanja je
0.1μm/min) nakon 1, 2 i 4
min. Koristiti CVD model.
-
IX.
CMOS TEHNOLOŠKI NIZ
ELEKTRONSKI FAKULTET NIŠ
Katedra za mikroelektroniku
Tehnologije mikrosistema 2015/16.
Miloš Marjanović
-
TEORIJSKI PREGLED
Za dobijanje strukture sa slike
potrebno je 16 fotolitografskih koraka
i preko 100 individualnih procesnih
koraka. Finalno IC (mikroprocesor,
memorija, i dr) moţe da sadrţi
stotine miliona ovakvih komponenti i
svaka od njih treba da radi ispravno.
U preseku se pored aktivnih oblasti
NMOS i PMOS tranzistora vide i
izolacione oblasti izmeĎu
komponenti od SiO2 (LOCOS), kao i
oblasti sa metalom, za interkonekciju
komponenti, kako bi kolo obavljalo
odreĎenu funkciju.
-
TEORIJSKI PREGLED
IZBOR SUPSTRATA. Prvo se bira početni wafer, tj. specificira se tip (N ili P), otpornost (nivoi dopiranja), kristalna orijentacija, dimenzije, itd. Na primer, u većini IC se koristi supstrat Si, orijentacije (100), otpornosti (5-50)Ωcm, što odgovara nivoima dopiranja (0.2-2.0)x1015cm-3.
Prvo se površina pločice čisti od nečistoća hemijskim putem, nakon toga narasta sloj SiO2 (u komori na 900°C u trajanju od 15-20min, atmosfera bogata vodenom parom) debljine do 40nm. Ista debljina oksida će sporije narasti u atmosferi bogatoj kiseonikom (45min na 1000°C).
Zatim se pločice prebacuju u komoru za depoziciju tankog sloja Si3N4 (tipično 80-100nm). Ovaj sloj nastaje reakcijom izmeĎu NH3 i SiH4 na 800°C. Generalno proces depozicije se radi ispod atmosferskog pritiska jer se postiţe bolja uniformnost deponovanog filma; zato su potrebne specijalne pumpe, ovakvi sistemi zovu se Low-Pressure Chemical Vapour Deposition (LPCVD) sistemi.
-
TEORIJSKI PREGLED
Sledeći korak je nanošenje fotorezista (u tečnom stanju na sobnoj temperaturi). Viskoznost rezista odreĎuje njegovu konačnu debljinu (oko 1μm). Ovaj sloj je više od 10 puta deblji od sloja oksida i nitrida, dok je supstrat 500-600 puta deblji od fotorezista. Nanešeni fotorezist se peče na oko 100°C da bi se otklonili rastvarači, tako da ovaj sloj očvrsne.
Rezist se zatim izlaţe svetlošću korišćenjem maske 1, koja definiše patern (šablon) za LOCOS oblasti.
-
TEORIJSKI PREGLED
Fotolitografski proces je i najsloţeniji i najskuplji. Mašine koje ga obavljaju zovu se „steperi“ jer izloţe svetlosti malu površinu (100-600)mm2 pločice, pa u sledećem koraku idu do sledeće podešene, takoĎe, male površine koju osvetle. Mašine su precizne: linije 90-32nm i postavljaju šablone sa tačnošću od 20nm, koštaju i nekoliko miliona evra.
Nakon definisanja šablona na fotorezistu, Si3N4 sloj se otklanja suvim nagrizanjem, kao i rezist po maski 1 (slika). Rezist se moţe otkloniti i hemijski, ali se tada oštećuju drugi slojevi.
-
TEORIJSKI PREGLED
Sledi čišćenje, pločice se stavljaju u oksidacione komore,
pa narasta debeo lokalni sloj oksida (na 1000°C za 90min
u atmosferi bogatoj vodenom parom naraste 500nm
oksida). Sloj Si3N4 onemogućava vodenoj pari i kiseoniku
da difunduju do Si površine i time sprečava oksidaciju.
Nakon LOCOS-a, sledi skidanje Si3N4 sloja pomoću vruće
fosforne kiseline, koja je visoko selektivna izmeĎu Si3N4 i
SiO2, tako da se ne nagriza mnogo LOCOS oksida.
-
TEORIJSKI PREGLED
PLITKA TRENCH IZOLACIJA. STI – Shallow Trench Isolation je alternativni izolacioni metod kojim se prave udubljenja u Si supstratu izmeĎu aktivnih oblasti, koja se kasnije ispune oksidom. Ovim metodom se eliminiše problem „ptičjeg kljuna“, što omogućava fizički manje izolacione oblasti.
Proces počinje kao kod LOCOS-a, formira se SiO2 (10-20nm) i Si3N4 (50-100nm) sloj iste debljine, nanese se i razvije fotorezist. Nitridni i oksidni sloj se ecuju plazmom korišćenjem fotorezista kao maske, a nakon toga se formiraju kanali u Si susptratu dubine 0.5-0.8μm (koristi se fotorezist ili nitrid kao maska). Potrebno je da zidovi udubljenja budu vertikalni što je kritičan korak, a s druge strane ivice treba da budu zaobljene da bi se izbegli problemi oštih ivica.
-
TEORIJSKI PREGLED
Sledeći korak je termički rast tankog sloja oksida (10-20nm) na zidovima udubljenja, kao i na dnu. Iako će ova udubljenja biti ispunjena oksidom, potreban je ovaj korak kako bi se formirao bolji Si/SiO2 spoj, a ako se proces izovdi na visokim temperaturama (na pr. 1100°C), doćiće i do zaobljenja ivica udubljenja zbog viskoelastičnih svojstava SiO2 na visokim temperaturama. CVD (Chemical Vapour Deposition) proces se koristi da se udubljenja ispune oksidom.
Na kraju se vrši hemijsko-mehaničko poliranje (CMP) površine pločice- otklanja se višak oksida sa površine, pri čemu sloj nitrida sluţi kao granica poliranja. Tokom procesa, pločica je okrenuta na dole. Poliranje se vrši pomoću Si – suspenzije visoke pH vrednosti. Nakon poliranja otklanja se sloj nitrida.
-
TEORIJSKI PREGLED
Sledi formiranje aktivnih N i P oblasti. Nanese se fotorezist na pločicu i koristi se maska 2 preko koje se osvetljava rezist kako bi se definisao region gde će biti formirana P oblast.
P oblast (P well) se formira procesom jonske implantacije. Energija implantacije treba da bude dovoljna da se omogući prodiranje jona B u Si, kroz SiO2 slojeve, ali ne i kroz fotorezist. (100-200keV) Debljina field oksida je oko 0.5μm, dok je rezist bar dva puta deblji, pa nije kritičan proces. Uloga field oksida je da obezbedi lateralnu izolaciju izmeĎu susednih MOS tranzistora. Dopiranje neposredno ispod field oksida treba da bude veće, kako bi se sprečila površinska inverzija, a time i električno povezivanje susednih komponenti preko parazitne MOS strukture.
-
TEORIJSKI PREGLED
Doza B koja se implantira zavisi od ţeljenih karakteristika tranzistora. Tipične doze su 1013cm-2. Implantiranje jona u susptrat izaziva oštećenja kristalne rešetke, koja se eliminišu odţarivanjem. Pločice se nakon jonske implantacije stavljaju u komore sa povišenom temperaturom (kraće vremena na većoj temperaturi, ili duţe vremena na niţoj temperaturi). Ecuje se sloj fotorezista- hemijski ili plazma nagrizanjem.
Postupak formiranja N oblasti (N well) je identičan, samo što se koristi fosfor. P (M=31) je teţi od B (M=11), pa je potrebna veća energija da prodre na istu dubinu kao B (300-400keV).
Nakon implantiranja P, fotorezist se otklanja i čiste se pločice, stavljaju se u komore gde se vrši difuzija implantiranih primesa do odreĎene dubine (na pr. 1-3μm).
-
TEORIJSKI PREGLED
FORMIRANJE GEJTA. Napon praga tranzistora definisan je relacijom:
gde je NA koncentracija akceptorskih primesa, VFB je napon na gejtu potreban da kompenzuje razliku funkcije izlaznih radova izmeĎu gejta i supstrata, ϕf je pozicija Fermijevog nivoa u balku, εs je dielektrična konstanta Si.
Od interesa je pored NA i Cox – kapacitivnost oksida gejta koja je obrnuto srazmerna debljini oksida, tako da ovu veličinu treba podesiti, da bi se kontrolisao napon praga.
Efekti jonske implantacije na napon praga su uvedeni kroz relaciju:
gde je Q1 implantirana doza, pri čemu se smatra da je implantirana doza locirana blizu površine oblasti, unutar kanala tranzistora.
-
TEORIJSKI PREGLED
Napon praga savremenih MOS tranzistora je od 0.1 do 0.8V, s tim što se NMOS uključuju pozitivnim, a PMOS negativnim naponima.
Na pločicu se nanosi fotorezist i koristi se maska 4 da se otvori površina gde je lociran NMOS. Posle razvijanja, bor se implantira da bi se podesio napon praga (doza: 1-5x1012cm-2 sa energijom 10-75keV). Energija implantacije je izabrana da bude dovoljna da primese proĎu kroz tanki oksid, ali mala da se B zadrţi ispod površine Si.
Ista procedura je i za podešavanje napona praga PMOS-a, pri čemu se koristi arsen iste doze, ali veće energije jer je masa As veća od mase B.
-
TEORIJSKI PREGLED
Pločica se zatim potapa u razblaţeni HF rastvor, koji
malo nagriza oksid (svega 10 ili 20 nm). Nakon toga
se vrši ponovno kontrolisano narastanje oksida gejta,
kontrolom vremena i temperature oksidacije.
Ovako dobijeni oksid je kvalitetniji, s obzirom da je
prethnodni sloj bio više puta izlagan implantiranju,
što je dovelo do stvaranja defekata u oksidu.
Tipični oksid gejta je tanji od 10nm, do 1.2nm.
-
TEORIJSKI PREGLED
Sledeći korak je depozicija polySi elektrode gejta, debljine 0.3-0.5μm. Koristi se LPCVD proces na 600°C.
Nakon toga se ova oblast dopira primesama N-tipa procesom jonske implantacije bez maske. Mogu se koristiti i P i As jer su dobro rastvorljivi u Si (i polySi), što dovodi do niske slojne otpornosti poly sloja. Tipične doze su oko 5·1015cm-2.
Neki sistemi imaju mogućnost dopiranja u toku depozicije – „in situ“.
Finalni korak u formiranju gejta je nanošenje, očvršćavanje, izlaganje i razvijanje fotorezista pri čemu se koristi maska 6 da bi se ecovao polySi tamo gde nije potreban. Najčešće se koristi plazma nagrizanje.
Ovaj sloj se moţe koristiti i za interkonekciju aktivnih delova komponente. Slojna otpornost je velika u odnosu na metalne slojeve, tako da se ovaj sloj koristi samo za kratke veze.
-
TEORIJSKI PREGLED
Na pločicu se nanosi fotorezist i postavlja maska 7,
koja štiti sve delove osim NMOS tranzistora. Fosfor
se implantira da bi se formirala N- oblast (LDD –
Lightly Doped Drain). Doza (5·1013-5·1014cm-2) i
energija se paţljivo kontrolišu da bi se dobila
komponenta ţeljenih karakteristika. Isti postupak
ponavlja se sa B za dobijanje LDD oblasti u PMOS
strukturi.
-
TEORIJSKI PREGLED
LPCVD procesom se na površinu pločice nanosi sloj
izolatora (SiO2 ili Si3N4). Podešavanjem debljine
ovog sloja (sidewall spacer region) vrši se
optimizacija karakteristika komponente, tipično
nekoliko stotina nm.
Sledi anizotropno plazma nagrizanje ovog sloja, sem
oksidnog sloja na ivicama polySi – ovo je samo-
podesivi proces u CMOS tehnologiji.
-
TEORIJSKI PREGLED
FORMIRANJE SORSA/DREJNA. Fotorezist i maska 9 se koriste da se definišu oblasti sorsa/drejna NMOS tranzistora. Tipično, As doze 2-5·1015cm-2 i energije 50-100keV se implantira. Ove energije su dovoljne da As prodre kroz screen oksid (oko 10nm).
Maska 10 se koristi za definisanje ovih oblasti PMOS tranzistora. Doza je 1-3·1015cm-2, ali niţe energije (5-20keV) jer je B mnogo lakši, pa mu treba manje energije da dostigne istu dubinu kao As. Visoke doze implantiranja utiču na smanjenje parazitnih otpornosti oblasti sorsa i drejna.
Na kraju se vrši odţarivanje, tipično na 900°C u trajanju od 30-40min, ili brzo termičko odţarivanje 1-5min na 1000-1500°C da bi se aktivirale implantirane primese i dospele na konačne dubine.
-
TEORIJSKI PREGLED
FORMIRANJE KONTAKATA. Prvo se ecuje površinski sloj oksida (oko 10nm), pa se deponuje tanki sloj Ti (50-100nm) tehnikom spaterovanja. Pločica se zatim zagreva na 600-700°C kratkotrajno 1min u ambijentu N2. Na ovoj temperaturi, Ti reaguje sa Si, formira se TiSi2 i troši se deo Si. TiSi2 je odličan provodnik, tako da se formiraju kontakti niske otpornosti sa N+, P+ Si i polySi.
U reakciji Ti i N2 formira se drugi sloj TiN, koji je lošiji provodnik pa se koristi za lokalne veze.
Fotorezist i maska 11 štiti TiN tamo gde treba da ostane, a ostatak se ecuje. Konačno se pločica zagreva na 800°C u trajanju od 1-2min u atmosferi Ar da bi se smanjila otpornost na oko 10Ω/□ za TiN i oko 1Ω/□ za TiSi2.
-
TEORIJSKI PREGLED
FORMIRANJE METALA U VIŠIM SLOJEVIMA. Prvo se nanosi debeo sloj oksida na čitavu površinu pločice (0.5-1μm). Ovaj sloj se dopira P ili P i B, tako da se dobija PSG (fosfosilikatno staklo) ili BPSG (borfosfosilikatno staklo). Preko dolazi i dodatni sloj nedopiranog SiO2. Pločica se potom polira CMP procesom korišćenjem Si-suspenzije visoke pH vrednosti.
Korišćenjem maske 12 fotolitografskim postupkom i ecovanjem otvaraju se rupe za kontakte. Sledi depozicija tankog sloja TiN i nakon toga W, pa poliranje pločice.
Proces ecovanja, popunjavanja i planarizacije rupa za kontakte naziva se damascene proces.
-
TEORIJSKI PREGLED
Metal 1 se deponuje metodom spaterovanja i definiše se korišćenjem rezista i maske 13. Metal je najčešće Al sa malim procentom Si (1-1.5%) i Cu. Si se koristi jer je rastvorljiv u Al i ako Si nije već prisutan u Al, moţe ga apsorbovati iz nekog od donjih slojeva, što treba sprečiti.
U naprednoj CMOS tehnologiji, Al se menja Cu zbog bolje električne provodnosti. Cu se nanosi metodom electroplating, i teţi je za ecovanje. Zbog sloţenosti savremenih kola koristi se i 8-9 slojeva za povezivanje komponenti unutar čipa, pri čemu je proces dobijanja identičan opisanom.
Na kraju se nanosi izolacioni sloj (CVD oksid) koji sluţi da zaštiti čip od mehaničkih oštećenja tokom montaţe i pakovanja i sluţi kako finalni pasivizacioni sloj da zaštiti čip od vlage i drugih spoljašnjih uticaja (Na+ ili K+ jona).
Finalni korak je odţarivanje na niskim temperaturama (400-450°C) u trajanju od 30 min u atmosferi (10% H2 u N2) da se legiraju kontakti i smanje naelektrisanja na Si/SiO2 meĎupovršini.
Pored maski za definisanje via izmeĎu metala 2 i metala 1, kao i maske za formiranje metala 2, finalna maska se koristi za otvore na onim mestima gde elektrode komponente treba da budu povezane sa izvodima na kućištu (bonding pads).
-
TEORIJSKI PREGLED
PLOČICA NAKON PROCESIRANJA. Na svakoj se, u zavisnosti od primenjene tehnologije i prečnika, nalazi veći broj identičnih struktura – čipova.
Svaki čip prolazi grupu električnih testova. Odnos broja fnkcionalnih čipova u odnosu na ukupan broj na pločici predstavlja prinos (yield). Pločica se zatim seče dijamantskim noţem i neispravni čipovi se odbacuju. Ova operacija se naziva probiranje (screening). Za sve proizvodne procese karakteristično je da nisu uniformni, pa se čipovi sa najboljim karakteristikama nalaze na sredini pločice.
Ako se na jednom čipu nalazi samo jedna komponenta radi se o diskretnoj komponenti. Ako se na jednom čipu nalazi više komponenata povezanih u električno i logički funkcionalnu celinu radi se o integrisanom kolu.
Kontakti na čipovima se povezuju metalnim ţicama (bonds) pomoću ultrazvučnog procesa koji se naziva bondiranje. Nakon toga vrši se enkapsulacija, odnosno zatvaranje čipa u kućište.
U svim kućištima čip je hermetički zatvoren i do njega se ne moţe dopreti bez primene destruktivnih metoda.
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
Broj čvorova u mreţi ima direktni uticaj na tačnost i
vreme simulacije. Mreža treba da bude gušća na
mestima gde će se dešavati jonska implantacija,
formirati pn spojevi, ... Početna pločica je čist, ne
jako dopiran Si:
go athena
line x loc=0.0 spacing=0.1
line x loc=0.5 spacing=0.006
line x loc=1.2 spacing=0.006
line y loc=0.0 spacing=0.002
line y loc=0.2 spacing=0.005
line y loc=0.5 spacing=0.05
line y loc=0.8 spacing=0.15
init silicon orient=100 c.phos=1e14 space.mul=2
mogući prekid metalne linije *
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
Sledi narastanje screening oksidnog sloja (15-
25nm) kojim se smanjuje efekat kanalovanja (joni
prodiru dublje u supstrat nego što treba) i štiti od
kontaminacije supstrata. diffus time=30 temp=1000 dryo2 press=1.00 hcl=3
etch oxide thick=0.02
mogući prekid metalne linije
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
P-well se formira procesom jonske implantacije bora,
pri čemu se koristi Dual Pearson model:
implant boron dose=8e12 energy=100 pears
mogući prekid metalne linije
Bor se nije ravnomerno implantirao
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
Supstrat se izlaţe visokoj temperaturi, da bi borovi atomi imali dovoljno energije da se pomere i ravnomerno rasporede u supstratu, pri tom narasta sloj oksida. Drive-in proces odvija se u više koraka, na različitim temperaturama i ambijentima. Na primer, nitrogen zaustavlja oksidaciju. Na kraju se celokupni oksid ecuje.
diffus temp=950 time=100 weto2 hcl=3
diffus time=50 temp=1000 t.rate=4.000 dryo2 press=0.10 hcl=3
diffus time=220 temp=1200 nitro press=1
diffus time=90 temp=1200 t.rate=-4.444 nitro press=1
etch oxide all
mogući prekid metalne linije
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
Da bi pločica bila spremna za dalje procesiranje, radi
se još jedna oksidacija, pa se i taj oksid otkloni.
Naime, pri reakciji kiseonika i silicijuma stvara se
oksid, ali se i troši deo Si supstrata. Na ovaj način
površinski sloj pločice koji je oštećen prethodnim
procesima se eliminiše.
Sledi deponovanje oksida gejta, narasta oksid
debljine 10-12nm:
diffus time=20 temp=1000 dryo2 press=1 hcl=3
etch oxide all
mogući prekid metalne linije
diffus time=15 temp=925 dryo2 press=1.00 hcl=3
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA Sledi implantacija bora, kojom se sa prethodnom
implantacijom P-well-a i kapacitivnošću oksida gejta definiše napon praga tranzistora:
Zatim se deponuje polySi sloj debljine 0.3μm bez dopanata, a onda se nanosi fotorezist koji se izlaţe svetlosti kroz masku širine 0.5μm, što odgovara duţini gejta. Razvijanjem ovog rezista (ecovanjem) dobija se elektroda gejta:
MOS struktura je simetrična- oblast od centra gejta do sorsa na levoj strani je identična sa oblasti od centra gejta do drejna na desnoj strani, tako da se simulira samo jedna polovina komponente.
implant boron dose=9.5e11 energy=10 pearson
mogući prekid metalne linije
depo poly thick=0.3 divi=10
etch poly left p1.x=0.95
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
mogući prekid metalne linije
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
LDD plitka oblast se formira implantacijom sa niskim
energijama, vrlo niske koncentracije dopanata,
prošireno ispod gejta:
LPCVD procesom se nanosi sloj oksida (0.35μm) koji
se anizotropno nagriza tako da oksidni spacer sloj
ostaje samo na ivicama:
implant phosphor dose=3.0e13 energy=20 pearson
mogući prekid metalne linije
rate.depo mach=SiLPCVD cvd oxide step.cov=0.6 dep.rate=0.1 u.m
deposit mach=SiLPCVD time=3.5 minute div=15
rate.etch mach=SiO2 rie oxide dir=0.15 iso=0.00 u.m
etch mach=SiO2 time=140 second dx.mult=0.5
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
mogući prekid metalne linije
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
Jonskom implantacijom sa visokom energijom formira
se jako dopirana oblast storsa/drejna tranzistora,
time se smanjuje vertikalno električno polje i
mogućnost tunelovanja elektrona zbog suzbijanja
efekta vrućih elektrona: implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 pearson
mogući prekid metalne linije
N+ N-
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
Brzo termičko odžarivanje je potrebno da bi se
električno aktivirali implantirani joni i da bi se otklonila
oštećenja kristalne rešetke posle implantacije. Koristi
se RTA – Rapid Thermal Anneal tool:
Sledi proces otvaranja kontakata, prvo se deponuje
oksid, a zatim otkloni iznad oblasti sorsa/drejna:
method fermi compress
diffuse time=1 temp=1000 nitro press=1.0
mogući prekid metalne linije
rate.depo mach=SiLPCVD cvd oxide step.cov=0.6 dep.rate=0.1 u.m
deposit mach=SiLPCVD time=3.5 minute div=15
etch oxide left p1.x=0.5
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
Metalizacija kontakata izvodi se deponovanjem sloja
Al, koji se potom otkloni sa delova gde nije potreban:
mogući prekid metalne linije
rate.depo machine=SputteringAl aluminum n.m sigma.dep=0.80 uni
dep.rate=100 angle1=60
deposit machine=SputteringAl time=3.5 minutes divis=50
etch aluminum right p1.x=0.6
-
SIMULACIJA NMOS TRANZISTORA
Na kraju se struktura miroruje (preslika u ogledalu), i
formiraju elektrode kako bi se analizirale električne
karakteristike dobijenog tranzistora:
mogući prekid metalne linije
structure mirror right
electrode name=gate x=1.2 y=0.1
electrode name=source x=0.1
electrode name=drain x=2.3
electrode name=substrate backside
structure outfile=nmos.str
tonyplot –st nmos.str
-
SIMULACIJA ELEKTRIČNIH KARAKTERISTIKA...
DETALJNIJE U DRUGOM KURSU...
OdreĎivanje napona praga NMOS tranzistora:
1D ekstrakcija napona praga, presek u x=1.2, gde je
napon supstrata podešen na 0V. Rezultat:
Simulacija u ATLAS-u:
mogući prekid metalne linije
extract name=”n1dvt” 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=1.2
n1dvt=0.679486 V X.val=1.2
go atlas
contact name=gate n.poly
interface qf=3e10
models cvt srh print
solve init
Naredbom interface definiše se
gustina naelektrisanja na meĎupovršini
Si/SiO2
Naredbom models uključuju se modeli
(primer: cvt – model pokretljivosti, srh
– model rekombinacije)
Naredba solve se koristi za
izračunavanja pri definisanim
polarizacijama
-
SIMULACIJA ELEKTRIČNIH KARAKTERISTIKA...
DETALJNIJE U DRUGOM KURSU...
Naredbe za dobijanje izlaznih i prenosnih
karakteristika:
mogući prekid metalne linije
solve vgate=1.1 outfile=solve1 _ 1
solve vgate=2.2 outfile=solve2 _ 2
solve vgate=3.3 outfile=solve3 _ 3
load infile=solve1 _ 1
log outfile=NMOSvg1 _ 1.log
solve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3
load infile=solve2 _ 2
log outfile=NMOSvg2 _ 2.log
solve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3
load infile=solve3 _ 3
log outfile=NMOSvg3 _ 3.log
solve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3
Naredba log se koristi da bi se sačuvale izlazne karakteristike za svaki
od napona na gejtu u poseban fajl.
-
SIMULACIJA ELEKTRIČNIH KARAKTERISTIKA...
DETALJNIJE U DRUGOM KURSU...
Naredba za štampanje:
mogući prekid metalne linije
tonyplot –overlay NMOSvg1 _ 1.log NMOSvg2 _ 2.log NMOSvg3 _ 3.log
quit
-
ZADACI
Simulirati PMOS tranzistor korišćenjem podataka iz tabele.
mogući prekid metalne linije
-
ZADACI
Simulirati PMOS tranzistor korišćenjem podataka iz tabele.
mogući prekid metalne linije
-
ZADACI
Simulirati PMOS tranzistor korišćenjem podataka iz tabele.
mogući prekid metalne linije
-
ZADACI Opisati CMOS tehnološki niz.
Prikazati izlaz
top related