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El proceso TecnológicoEl proceso Tecnológico

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El proceso tecnológicoEl proceso tecnológico

Consiste en una serie de pasos ordenados rigurosamente para la transferencia del diseño gráfico de un chip a una oblea de silicio monolítico

La transferencia se basa en una copia de cada rasgo del diseño a reproducir:Por fotolitografíaPor barrido con haz de iones

La copia de cada rasgo se lleva a cabo en una serie de operaciones de proceso

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Producción de Silicio monocristalinoProducción de Silicio monocristalino

SiCl4 H2 ClH

Bobina de RF

Ventana Acceso

Se depositan vapores de silicio (policristalino) sobre silicio ya cristalizado, bien en bruto, bien en obleas en proceso

El silicio a purificar se funde posteriormente en uncrisol de cuarzo, de donde se extrae por el método de Czochralski

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Método de Czochralski para producción de monocristales

Método de Czochralski para producción de monocristales

Si (fundido)

Arrastre de unos cm/hSi (semilla)

Si (sólido)

Depuración del lingote de Silicio

Bobinas de RF

de caldeamiento

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Proceso de CzochralskiProceso de Czochralski

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CzochralskiCzochralski

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Lingotes y obleasLingotes y obleas

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Lingotes y obleasLingotes y obleas

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Preparación de obleasPreparación de obleasO2

Lavado Pulido

Implante de fallos (Ar)

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Preparación obleasPreparación obleas

Pulido:•Produce obleas lo más planas posibles

Lavado:•Elimina restos de diferente índoleS04H2 + NO3H : aceites, grasa, ceraFH : óxido de SilicioNH4OH + H2O2 : restos orgánicos, FHClH + H2O2 : metales ligeros y pesados

Implante de iones de Argon:•Produce fallas que atraen a otras fallas

Oxidación a 4000:•Protege superficies inactivas y atrae fallas

Tamaño, espesor y aplanamiento de la oblea:•Mal alineamiento, tensión mecánica, diámetro/espesor

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FotolitografíaFotolitografía

Depósito de fotorresina y centrifugado

Radiación UV 200 nm

Alineación e insolación

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FotolitografíaFotolitografía

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FotolitografíaFotolitografía

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Proceso fotolitográficoProceso fotolitográficoAplicación adhesivo en oblea por aspersiónCocido a 180º para eliminar humedadAplicación resina filtrada sobre oblea en giroPrecocido a 90º (30´)Exposición de prueba y errorRevelado por aspersión y giroPostcocido a 120º (30´)Eliminación de resina por ataque con SO4H2+NO3Ho disolventes orgánicos

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FotorresinasFotorresinas

Fotonegativas: resina+fotosensibilizador polimeriza con el UV y protege la zona expuestaFotopositivas: resina+fotoactivante degrada la resina a un ácido orgánico que se lava con KOHLas fotorresinas negativas:

Polimerizan en largas cadenas, que limitan la miniaturizaciónNo presentan IntxTex=cte con lo que se gradúan malSon sensibles a la baja intensidad de iluminación

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FotorresinasFotorresinas

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Producción de máscarasProducción de máscarasBarrido por haz electrónico

Base de Cuarzo

Aspectos críticos de las máscaras:Ancho mínimo de línea alcanzableAlineamiento entre máscarasRelación ataque lateral/profund.

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Producción de máscarasProducción de máscaras

Mínima vibración durante la reducciónBase de vidrio poco sensible a la dilataciónBaja absorción de UVAlto grado de aplanamientoImprimación con alta absorción: Cromo (duro, lavable) aunque es muy reflectanteLimpieza periódica: cepillado, soplado, uso de disolventes suaves como metanol o acetona

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Errores de EnmascaramientoErrores de Enmascaramiento

Error de Ampliación

Error de Deslizamiento

Error de Periodicidad

Errores de operador:Alineamiento

Errores de herramienta:TemperaturaAmpliaciónDistorsión

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Tipos de AlineamientoTipos de AlineamientoPor contacto o superposición:La máscara se deterioraPor proximidad:Se produce difracción (50-160 K$)Por proyección:Sistema más caro (200-500 K$)Por exposición repetitiva:Los fallos se reproducen

Máscara Oblea

Espejo

Espejo

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Errores de AlineamientoErrores de Alineamiento

Se acumulan. Distancia media de desviación después de n pasos:

r=n1/2σσ: desviación típica de un paso

Factores de interés:Resolución ancho líneaLongitud onda exposiciónPrecisión instrumentaciónUniformidad iluminaciónTiempo e intensidad exposición

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Fotolitografía: TransferenciaFotolitografía: Transferencia

Definición de Metal

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Errores de FotolitografíaErrores de FotolitografíaLa fotolitografía requiere limpieza en producción y uso de las máscaras (muerte por contaminación)

Defectos más comunes:Agujeros en pistasMala delineaciónManchasPuentes entre pistasPistas abiertas

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Errores en metalesErrores en metales

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Producción de MáscarasProducción de Máscaras

Patrón original generado por computador:

Plotter Reducción 1:20 Reducción 1:10 Máscara

Generador Optico Reducción 1:10 Máscara o proyección

Generador haz electrónico Reducción 1:5 Máscara

Generador haz electrónico MáscaraHaz electrónico sobre oblea

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Operaciones del procesoOperaciones del proceso

Oxidación húmedaOxidación seca

DifusiónImplante iónico

DeposiciónAtaque a materiales silíceos (Si, SiO2)

Ataque a materiales metálicos (Cu, Al, Ni)

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Oxidación húmedaOxidación húmedaFactores de interés:

Velocidad y temperatura (µm/h)

Material resultante muy poroso (H2)

Malas cualidades como aislante

Si + 2 H2O SiO2 + 2 H2

H2

O2

N2

H2O

N2

H2ON2

H2O

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Oxidación secaOxidación secaFactores de interés:

Velocidad y temperatura (nm/h)

Material resultante muy compacto

Buenas cualidades como aislante

Si + O2 SiO2

Otros factores a considerar:

Relación Si/Si02: aprox. 0,45

Optimetría on-line de espesor

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DifusiónDifusión

Profundidad de difusión:•Afecta a tamaños y reglas

Concentración superficial:•Afecta a contactos óhmicos

Integral del perfil de impurificación:•Afecta a la resistividad superficial

Perfil en la unión:•Afecta a la capacidad de la unión Ley de Fick:

J=-D∇nJ: flujo de partículas/cm2

D: constante de difusiónn: concentración local de impurezas

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Metodología de la DifusiónMetodología de la DifusiónFuentes sólidas

•Hidruro de Fósforo: PH3•Anhidrido Fosfórico: P2O5•Oxido Bórico: B2O3

Fuentes líquidas•Oxicloruro de Fósforo: POCl3•Tribromuro de Boro: BBr3

Procesos en la superficie activaP2O5 + Si P + SiO2B2O3 + Si B + SiO2

Bobina de RF

B2O3

N2

N2

Ventana Acceso

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Factores secundarios de la difusiónFactores secundarios de la difusión

Implante y drive-in deIones de Boro

Redistribución por ionizaciónLos iones donadores se repelen entre sí y fomentan la redistribución espontánea

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Perfil de una uniónPerfil de una unión

yPerfil de unión

Redistribución térmica

y

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Implante iónicoImplante iónico

+ -Acelerador

ObturadorLente Oblea

Deflectores

Filtro magnético

Fuente iones

Pantalla de protección: Fotorresist o SiO2

Utilidad en: Ajuste fino tensión umbral y control de resistividad en Si-Poli

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Ataque a material silíceoAtaque a material silíceoFH

Ataque químico seco:No contamina con Na ni metalesPermite seguimiento “on-line”Buen control velocidad procesoBuen control ataque lateralBuena adherenciaComplejo y costoso

El sobreataque asegura perforación de aislantes, elimina puentes no deseados y residuos

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Ataque a material metálicoAtaque a material metálicoPO4H3 + NO3H + CH3COOH + H2O

Alta corrosión lateralDepende de temperatura y concentraciónTipos de atacantes:

Si Poli: NO3H + FHSi Cris: N2H4 + H2OPulido: FH + NO3H + CH3COOHSiO2: H2O + FH + FNH4N4Si3: PO4H3Al: PO4H3 + NO3H + CH3COOH

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Ataque químicoAtaque químico

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Deposición metálicaDeposición metálica

Evaporación por filamento incandescenteEl calentamiento expulsa átomos del filamento en forma de vapor

Se usa corriente contínuaEs un método baratoEl metal se contamina fácilmenteNo funciona con aleaciones

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Deposición metálica (II)Deposición metálica (II)

Bombardeo por haz electrónicoEl calentamiento expulsa átomos del filamento en forma de vapor

Alta tasa de depósitoBaja contaminaciónFunciona continuadamentePuede evaporar aleaciones (Al/Cu)Se producen rayos x

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Deposición metálica (III)Deposición metálica (III)

Calentamiento por RFSe calienta el metal utilizando una bobina de radio frecuencia

No produce ionizaciónCalienta el metal, no el recipienteNo produce contaminación

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Deposición metálica (IV)Deposición metálica (IV)

SputteringConsiste en el bombardeo con iones Argon a 500-1000 eV sobre metal en una cámara de vacío

- + Ar

Metal (cátodo)

Oblea (ánodo)

Vacío

ElectronesIones ArgónMetal

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Deposición químicaDeposición química

Se utiliza para formar capas de diferentes materiales sobre las obleas

Se produce por interacción de las capas de gas adheridas a la superficie

Las paredes del horno se refrigeran para evitar depósitos indeseados

Bobina de RF

Ejemplo de deposición de SiO2

Ventana Acceso

SiH4 O2 H2

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Deposición químicaDeposición químicaSilicio policristalino:

SiH4 (g) + Q Si + 2H2 (g) 600º-700º

Dióxido de Silicio:

SiH4 (g) + 2O2 (g) SiO2 + 2H2O (v)

400º-500º

Se usa si no es posible oxidar directamente. Puede requerir recocido

Nitruro de Silicio:

3SiH4 (g) + 4NH3 (g) Si3N4 + 12H2 (g)

800º-900º

Se usa como dieléctrico de alta ε, y para evitar difusión de impurezas

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DepósitosDepósitos

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Estructura básica CMOS proceso pozo nEstructura básica CMOS proceso pozo n

Vs

Ve Ve

VSS VDD

n+p+ p+ p+n+ n+n

p

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Ventajas e inconvenientes de la tecnología CMOS

Ventajas e inconvenientes de la tecnología CMOS

La tecnología CMOS era conocida desde principios de los años 70.Presentaba un consumo de energía muy bajo frente a nMOS.La tecnología nMOS era más rápida, y permitía mayores densidades de integración.El principal freno a su implantación fuera de relojes y calculadoras (por el bajo consumo) lo constituyó el Efecto de latch-up.Esta limitación se supera hacia mediados de los 80.

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Consumo de nMOS frente a CMOSConsumo de nMOS frente a CMOS

V5,4RR9

R9)05(

RRR)VV(V

tt

t

tu

uSSDDu

=+

−=

=+

−=

+

Ru I

0

5Rt

-+ 5

0,5t

V5,0RR9

R)05(

RRR)VV(V

tt

t

tu

tSSDDt

=+

−=

=+

−=

-

tuSSDD

t RRVVI

+−

=

P = 1/2(VDD-VSS) It

0

5

5

0

P = Pi f

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Funcionamiento del Transistor BipolarFuncionamiento del Transistor Bipolar

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Efecto de latch-upEfecto de latch-up

VsVe VeVSS VDD

n+p+ p+ p+n+ n+n

pRs Rw

pFnWpSnF

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Efecto de Latch-UpEfecto de Latch-UpVSS VSS+VRS VDDVDD-VRW

VDD

VDD-VRW

VSS

VSS+VRS

RW

RS

¡Fussfrissshh...!

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Soluciones al efecto de latch-upSoluciones al efecto de latch-up

Estas son algunas de las medidas que pueden reducir el efecto:

•Aumentar dimensiones (contradict.)•Disminuir Rw y Rs (mejores contac.)•Colocación de anillos de guarda•Utilización de soportes aislantes

n+p+ p+n+

np

n+ p+ p+n+

Vs VDD

Ve Ve

VSS

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La tecnología SOSLa tecnología SOS•Consiste en hacer crecer monocristales de silicio sobre una base de zafiro (Silicon on Saphire).•Es un caso particular de la tecnología SOI (Silicon on Insulator), consistente en crecer los sustratos sobre una base aislante.•Aisla los sustratos.•Es más resistente a la radiación.•Es muy cara.•Menor densidad de integración.

n+p+ p+ p+n+ n+np

Base de Zafiro (Al2O5)

Ve Ve

VsVSS VDD

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Sitios de interésSitios de interés

Parte del material utilizado en el presente tema procede de las siguientes fuentes:

http://www.physics.udel.edu/wwwusers/watson/scen103/litho/

http://www.engr.sjsu.edu/WofMatE/Semiconductors.htm

http://www.cs.colorado.edu/~lindsay/talk/

http://www.intel.com/education/makingchips/index.htm