tehnologije mikrosistema -...

TEHNOLOGIJE

MIKROSISTEMA

računske i laboratorijske vežbe

2017/18.

Miloš Marjanović

ELEKTRONSKI FAKULTET NIŠ

Katedra za mikroelektroniku

I.

DOBIJANJE POLUPROVODNIČKIH

SUPSTRATA

Miloš Marjanović



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 EGS (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.


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.


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.

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).

ZADATAK 2.

Skicirati raspodelu koncentracije arsena na

rastojanjima 10, 20, 30, 40, 45 cm od klice u

silicijumskom ingotu duţine 50 cm koji se izvlači iz

rastopa inicijalne koncentracije 1017cm-3.

Sagregacioni koeficijent As u Si je 0.3.

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 y loc=0.0 spacing=0.02


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

IDENTIFIKACIJA WAFERA

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.

TEHNIKE EPITAKSIJALNOG

RASTA



Miloš Marjanović

DEPOZICIJA TANKIH FILMOVA - PODELA

Spin-on

PVD (Physical Vapor Deposition):

Termičko naparavanje

Spaterovanje

CVD (Chemical Vapor Deposition):

APCVD (pod atmosferskim pritiskom)

LPCVD (pod niskim pritiskom)

PECVD (pobudna reakcija plazmom)

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)

MOLECULAR BEAM EPITAXY (MBE)

Niskotemperaturno naparavanje u vakuumu

Koeficijent naparavanja: koliko molekula “padne” po

jedinici površine supstrata u jedinici vremena:

P- pritisak, m – masa molekula, k- Bolcmanova

konstanta, T – temperatura, M- molarna masa

𝜑 = 𝑃 2𝜋𝑚𝑘𝑇 −1/2 = 2.64 ∙ 1020 𝑃

𝑀𝑇 molekula/𝑐𝑚2𝑠

ZADATAK 1.

Na 300K, prečnik molekula kiseonika je 3.64Å, a broj

molekula po jedinici površine je 7.54·1014cm-2.

Odrediti vreme potrebno za formiranje jednog sloja

oksida na pritiscima 1, 10-4, 10-8 Pa. Molarna masa

kiseonika je 32.

ZADATAK 2.

Srednji slobodni put molekula je:

𝜆 =

0.66

𝑃(𝑃𝑎) 𝑐𝑚

Rastojanje izmeĎu izvora i wafera u komori za

depoziciju je 15cm. Odrediti pritisak u komori pri

kome je ovo rastojanje 10% srednjeg slobodnog puta

molekula sa izvora.

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





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



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 wet 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.aspx

http://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





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

init silicon orient=100 c.phos=3e15 two.d

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.

CVD PROCES KOD DIELEKTRIKA - ZADACI

Odrediti RC konstantu kašnjenja dve paralelne aluminijumske linije poprečnog preseka 0.5µmx0.5µm i duţine 1mm razdvojene dielektričnim slojem debljine 0.5µm. Specifična električna otpornost aluminijuma je 2.7µΩcm. Poznato je εr=2.7. Rastojanje izmeĎu linija je 0.5µm.

DRAM kondenzator ima sledeće parametre: kapacitivnost 40fF, površina ćelije 1.28µm2, dielektričnu konstantu 3.9 za SiO2. Ako se zameni SiO2 drugim dielektrikom Ta2O5 čija je dielektrična konstanta 25, odrediti površinu ćelije kondenzatora tako da debljina dielektrika ostane nepromenjena.

CVD PROCES KOD DIELEKTRIKA - ZADACI

Dielektrične konstante SiO2, Si3N4 i Ta2O5 su 3.9,

7.6 i 25, respektivno. Odrediti odnos kapacitivnosti

kondenzatora sa Ta2O5 i oksid/nitrid/oksid

dielektricima ako su debljine oba kondenzatora

iste. Odnos debljina dielektričnih slojeva u

oksid/nitrid/oksid kondenzatoru je 1:1:1. Površine

oba kondenzatora su jednake.

IV.

DIFUZIJA



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 = 2𝐶𝑆

𝐷𝑡

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

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.aspx

http://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






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






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




SIMULACIJA DIFUZIJE


extract name="Povrsinska koncentracija je: "

surf.conc impurity="Net Doping" material="Silicon"

x.val=0

structure outfile=drive_in_60min.str


hcl.pc=3







x.val=0


SIMULACIJA DIFUZIJE



hcl.pc=3







x.val=0


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



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

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.

ZADATAK 3.

Bor se implantira u silicijumski supstrat prečnika

200mm. Doza implantiranih primesa je 5·1014cm-2.

Izračunati neophodnu struju implantacije jona ako

proces traje 1 minut.

SIMULACIJA JONSKE IMPLANTACIJE

Ulazni parametri simulacije: tip supstrata,

koncentracija dopanata, energija, doza i ugao

implantacije

go athena





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


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


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)


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 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


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


pre odžarivanja

posle odžarivanja:

Npeak=9.9e18

Rp=0.32e-6

ΔRp=0.6Npeak=0.252e-6


Simulacija zavisnosti implantacije bora u (100) Si od

ugla implantacije:

go athena line x loc=0.0 spacing=0.2




init silicon orient=100 one.d

structure outfile=inicijalizacija.str


structure outfile=ugao0.str

init infile=inicijalizacija.str













tonyplot -overlay -st ugao0.str ugao2.str ugao5.str

ugao7.str ugao10.str

quit


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


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



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).

TEORIJSKI PREGLED

Izvori svetlosti: KrF laser, ArF excimer laser,

immersion laser system – postiţu se rezolucije od

180nm, 100nm, manje od 70nm, respektivno.

Prinos: odnos ispravnih čipova na waferu i ukupnog

broja čipova:

𝑌 = 𝑒−𝑁𝐷𝐴

D – srednja gustina “fatalnih” defekata po jedinici

površine, A - površina čipa, N – broj maski

Loše izraĎena ili postavljena maska smanjuje prinos.

ZADATAK 1.

Fotolitografski sistem čini ArF excimer laser talasne

duţine 193nm. Numerička apertura fotolitografskog

sistema je 0.65, dok su parametri k1=0.6 i k2=0.5.

Odrediti rezoluciju i dubinu fokusa ovog sistema.

ZADATAK 2.

Odrediti ukupan prinos nakon fotolitografskog

postupka sa 9 nivoa maski u kome je srednja gustina

fatalnih defekata po cm2 0.1 za 4 nivoa, 0.25 za druga

4 nivoa i 1.0 za jedan nivo. Površina čipa je 50mm2.

ZADATAK 3.

Fotolitografski sistem ima snagu ekspozicije

0.3mW/cm2. Neophodna energija ekspozicije za

pozitivni fotorezist je 140mJ/cm2, a za negativni

fotorezist je 9mJ/cm2. Ako se zanemari vreme

potrebno za unošenje i iznošenje wafera u/iz sistema,

odrediti koliko wafera na sat moţe biti obraĎeno.

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




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




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


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


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




initialize silicon orientation=111 two.d

deposit oxide thick=0.1

deposit name.resist=AZ1350J thickness=0.5


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


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


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


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


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.

VII.

ECOVANJE (NAGRIZANJE)



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<Af<1

Postizanje dobre selektivnosti i

direkcionalnosti sa visokom anizotropnošću u

isto vreme je vrlo teško!

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

VLAŢNO HEMIJSKO NAGRIZANJE SILICIJUMA

Profili ecovanja u zavisnosti od kristalografske orijentacije supstrata

𝑊𝑏 = 𝑊0 − 2𝑙

ZADATAK 1.

Silicijumski supstrat kristalografske orijentacije (100)

ecuje se rastvorom KOH kroz otvor dimenzija (1.5µm

x 1.5µm) definisanim u silicijum-dioksidu. Brzina

ecovanja u pravcu (100) je 0.6µm/min. Odnosi brzina

ecovanja su 100:16:1 za (100):(110):(111)-ravni.

Odrediti profile ecovanja posle 20, 40 i 60 sekundi.

Odrediti profile ecovanja za supstrat kristalografske

orijentacije (1 10).

ZADATAK 2.

Atomi fluora ecuju Si, pri čemu je brzina ecovanja

data izrazom:

𝑏𝑟𝑧𝑖𝑛𝑎 𝑒𝑐𝑜𝑣𝑎𝑛𝑗𝑎𝑛𝑚

𝑚𝑖𝑛= 2.86 ∙ 10−13𝑛𝐹𝑇

1/2𝑒−𝐸𝑎𝑅𝑇

gde je nF koncentracija fluorovih atoma, T –

temperature u K, Ea – aktivaciona energija (2.48

kcal/mol) i R – gasna konstanta. Ako je nF=3·1015 .

Odrediti brzinu nagrizanja na sobnoj temperaturi.

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


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


rate.etch machine=etch oxide a.s rie directional=5.0

rate.etch machine=etch silicon a.s rie directional=50.0



SIMULACIJA ECOVANJA


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



tonyplot -overlay nagrizanje1.str nagrizanje2.str

nagrizanje3.str

quit

SIMULACIJA ECOVANJA

ECOVANJE – OTKLANJANJE POLIGONA

go athena



line x loc=5 spacing=0.5


line y loc=5 spacing=0.5

init silicon <100> c.phosphorus=1e15 two.d

diffuse time=40 temp=1100 weto2

etch oxide start x=2 y=-5

etch continue x=2 y=1

etch continue x=3 y=1

etch done x=3 y=-5

structure outfile=nagrizanje.str

tonyplot nagrizanje.str

quit

ECOVANJE – OTKLANJANJE POLIGONA

deposit aluminum thick=1 div=20

etch aluminum p1.x=1.5 left

etch aluminum p1.x=3.5 right

structure outfile=alum1.str

tonyplot alum1.str

quit

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



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

ZADATAK 1.

Metalna linija duţine 20μm i širine 0.25μm ima slojnu

otpornost 5Ω/. Odrediti otpornost metalne linije.

ZADATAK 2.

Da bi se sprečio problem elektromigracije,

maksimalna dozvoljena gustina struje kroz

aluminijumsku liniju je 5·105 A/cm2. Ako je linija

duţine 2mm, širine 1μm i normalne debljine 1μm, i

ako 20% duţine metalna linije prelazi preko stepenika

gde je debljine samo 0.5μm, naći ukupnu otpornost

linije ako je specifična električna otpornost 3·10-6

Ωcm. Odrediti maksimum napona koji se sme

primeniti na liniju da ne bi došlo do elektromigracije.

ZADATAK 3.

Da bi se bakar koristio za provodne linije u IC potrebno je

prevazići nekoliko ograničenja: difuziju Cu u SiO2 slojeve,

adheziju Cu i SiO2, kao i koroziju Cu. Jedan od načina je

oblaganje Cu linije na primer tantalom Ta ili TiN. Razmatramo

obloţenu Cu liniju poprečnog preseka (0.5μm x 0.5μm) i

poredimo je sa Al linijom istog poprečnog preseka, sa gornjim i

donjim slojem TiN debljina 40nm i 60nm, respektivno. Odrediti

maksimalnu debljinu sloja za oblaganje Cu provodnika tako da

otpornosti obe linije budu jednake. Smatrati da su specifične

električne otpornosti sloja za oblaganje i TiN mnogo veće od

ρAl=2.7·10-8Ωm i ρCu=1.7·10-8Ωm.

DIFUZIJA SILICIJUMA U ALUMINIJUM

𝑏 = 2 𝐷𝑡𝐻𝑍

𝐴𝑆

𝜌𝐴𝑙

𝜌𝑆𝑖

D – koficijent difuzije

t – vreme odţarivanja

A = ZL

S- rastvorljivost Al u Si

ZADATAK 4.

Odrediti dubinu prodiranja prodiranja Al u Si supstrat

nastalo usled difuzije na 500°C ako proces traje

30min. Poznato je: ZL=16μm2, Z=5μm i H=1μm.

Difuzioni koeficijent Si u Al na 500°C je 2·10-8cm2/s,

rastvorljivost na ovoj temperaturi 0.8%, a odnos

gustina 2.7/2.33=1.16.

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 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


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.


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


Hemispheric depozicija

metala:

Tip depozicije metala: hemisphe

Definišu se dva ugla: angle1, angle2


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


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...


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



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








init silicon orient=100 c.phos=1e14 space.mul=2

mogući prekid metalne linije *


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



P-well se formira procesom jonske implantacije bora,

pri čemu se koristi Dual Pearson model:

implant boron dose=8e12 energy=100 pears


Bor se nije ravnomerno implantirao


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



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


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


depo poly thick=0.3 divi=10

etch poly left p1.x=0.95


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


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


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


N+ N-


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


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


Metalizacija kontakata izvodi se deponovanjem sloja

Al, koji se potom otkloni sa delova gde nije potreban:


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


Na kraju se struktura miroruje (preslika u ogledalu), i

formiraju elektrode kako bi se analizirale električne

karakteristike dobijenog tranzistora:


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:


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



Naredbe za dobijanje izlaznih i prenosnih

karakteristika:


solve vgate=1.1 outfile=solve1_1



load infile=solve1_1

log outfile=NMOSvg1_1.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.



Naredba za štampanje:


tonyplot –overlay NMOSvg1_1.log NMOSvg2_2.log NMOSvg3_3.log

quit

ZADACI

Simulirati PMOS tranzistor korišćenjem podataka iz tabele.


ZADACI Opisati CMOS tehnološki niz.

Prikazati izlazne karakteristike PMOS tranzistora, VDS se kreće od 0 do 3.3V, sa korakom 100mV, a VGS izmeĎu 0 i 3.3V sa korakom 300mV.

Prikazati prenosne karakteristike PMOS tranzistora, VGS se kreće od 0 do 3.3V sa korakom 100mV, za VDS izmeĎu 0 i 3.3V sa korakom 300mV. Odrediti napon praga.

Istraţiti kako parametri procesa utiču na napon praga i izlazne karakteristike tranzistora: Promeniti vrednost inicijalne koncentracije u supstratu na 1·1015cm-3

Promeniti dozu implantacije za N-well na 1·1014cm-2

Promeniti dozu implantacije za LDD na 2·1015cm-2

Odrediti napon praga ako je doza za podešavanje napona praga 2.4·1012cm-2

Odrediti napon praga ako je debljina oksida gejta 20nm

Prikazati karakteristike za različite duţine gejta (0.25μm, 0.35μm) i odrediti napon praga.


LITERATURA

V. Barzdenas, R. Navickas, Microtechnologies, a laboratory manual, Vilnius Technika, 2012.

S.M.Sze, M.K.Lee, Semiconductor Devices, Physics and Technology, John Wiley & Sons, Inc, 2012.

S.M.Sze, M.K.Lee, Solutions Manual to Accompany Semiconductor Devices, Physics and Technology, John Wiley & Sons, Inc, 2012.

G.S.May, S.M.Sze, Fundamentals of Semiconductor Fabrication, John Wiley & Sons, Inc, 2004.

D. Pantić, Modeliranje i simulacija u mikroelektronici, Elektronski fakultet Niš, 2006.

Z. Prijić, A. Prijić, Uvod u poluprovodničke komponente i njihovu primenu, Elektronski fakultet Niš, 2014.

M.Tadić, Mikroelektronika i nanoelektronika, predavanja, Elektrotehnički fakultet Univerziteta u Beogradu, 2011.

SILVACO International (2010). ATHENA User’s Manual.

tehnologije mikrosistema -...

Documents