Tecnologie fondamentali dei circuiti integrati:panoramica

Transcript

1 Tecnologie fondamentali dei circuiti integrati:panoramica Riferimenti Bibliografici: Paolo Spirito Elettronica digitale, Mc Graw Hill Capitolo 2 Zs. M. Kovàcs Vajna Tecnologia planare del silicio I sistemi di misura e di controllo pagina 1

2 La microelettronica L integrazione (introdotta nel 1962) permette di realizzare in una singola tessera elementare di silicio (chip) di pochi millimetri di lato dispositivi attivi, resistori, condensatori, diodi e interconnessioni. La riduzione delle dimensioni comporta: una più elevata velocità di operazioni (ridotte dimensioni e quindi ridotte capacità parassite) un ridotto consumo di potenza ( poiché i dispositivi di ridotte dimensioni assorbono minor corrente a parità di alimentazione) I sistemi di misura e di controllo pagina 2

3 Il chip I sistemi di misura e di controllo pagina 3

4 Un chip dall alto ST10f163 microcontrollore tecnologia 0.5µm 5V 128kbyte memoria FLASH (on board) 1998 I sistemi di misura e di controllo pagina 4

5 Sezione verticale di un chip I sistemi di misura e di controllo pagina 5

6 Processi tecnologici fondamentali per realizzare i circuiti integrati Creazione del substrato Deposito Fotolitografia Ossidazione Rimozione/taglio di materiale (etching) Impianto e diffusione di drogante I sistemi di misura e di controllo pagina 6

7 Silicio Cristallino Silicio monocristallino Silicio Fuso silicio monocristallino I sistemi di misura e di controllo pagina 7

8 Dal silicio monocristallino al chip Taglio in fette 1 wafer 2 Processo planare 1) Fotolitografia 2)Deposito 3)Ossidazione 4) etching 5) Impianto e/o diffusione di drogante silicio monocristallino Taglio 3 chips o dice I sistemi di misura e di controllo pagina 8

9 Processi tecnologici fondamentali per realizzare i circuiti integrati I sistemi di misura e di controllo pagina 9

10 Deposito di materiale (1/2) Il polisilicio, le metallizazioni (Al, Cu) e dielettrici (SiO 2, Si 3 N 4, ossido di passivazione - glass) vengono depositati su una struttura. NON vi è consumo del substrato. Deposito del materiale per evaporazione (sputtering) corrispondente a una crescita epitassiale su tutta la struttura sottostante PVD (Physical Vapor Deposition): bassa pressione, senza reazione chimica. (per depositare l alluminio) CVD (Chemical Vapor Deposition): reazione chimica in fase vapore. (per depositare il Polisilicio, SiO 2, Si 3 N 4 ). I sistemi di misura e di controllo pagina 10

11 Deposito di materiale (2/2) Un caso particolare di CVD è la crescita epitassiale di una struttura monocristallina. Crescita epitassiale. La struttura finale è monocristallina I sistemi di misura e di controllo pagina 11

12 Chemical vapor deposition Molecole gassose vengono trasformate in un materiale solido sotto forma di film sottile su un substrato I sistemi di misura e di controllo pagina 12

13 Physical Vapor deposition (PVD) I sistemi di misura e di controllo pagina 13

14 Physical Vapor Deposition (PVD) Physical Vapor Deposition (PVD) consiste nel vaporizzare un materiale solido dentro una camera a vuoto. La temperatura del materiale vaporizzato è più alta di quella dentro la camera, così che il materiale vaporizzato condensa sul substrato formando uno strato. I sistemi di misura e di controllo pagina 14

15 Il processo fotolitografico La geometria del wafer ha risoluzione maggiore della maschera. I sistemi di misura e di controllo pagina 15

16 Deposizione del fotoresist I sistemi di misura e di controllo pagina 16

17 maschera Fotolitografia (1/3) Operazione selettiva su una superficie secondo una maschera opportuna (es. rimuovere una parte, aggiungere un materiale solo in alcune aree, ecc.) 1) Deposito (o crescita) del materiale mascherante su tutta la superficie 2) Deposito di fotoresist (polimero fotosensibile) in forma liquida su tutta la superficie che viene fatta solidificare termicamente I sistemi di misura e di controllo pagina 17

18 Fotolitografia (2/3) Maschera: lastra di vetro con deposito di cromo sagomato fotograficamente. 3) Si irradia la struttura con raggi UV (la maschera non fa passare i raggi nella parte scura) La risoluzione del trasferimento del pattern è limitata dalla diffrazione e dal fotoresist. I raggi UV cambiano le proprietà chimiche (solubilità in un opportuno solvente) del fotoresist nelle zone irradiate. L uso di fotoresist positivo e/o negativo nello stesso processo permette di ridurre il numero di maschere (50k$-500k$/set). I sistemi di misura e di controllo pagina 18

19 Fotolitografia (3a/3) con fotoresistiv positivo 4p) Se il fotoresist è positivo, viene rimossa chimicamente la parte esposta ai raggi UV Il fotoresist positivo in genere richiede tempi di esposizione più lunghi (è meno sensibile), ma ha risoluzione maggiore. 5p) Viene rimosso il materiale sottostante secondo la sagoma del fotoresist 6p) Viene rimosso il fotoresist, lasciando lo strato mascherante con la sagoma della parte nera della maschera richiesta I sistemi di misura e di controllo pagina 19

20 Fotolitografia (3b/3) con fotoresistiv negativo 4n) Se il fotoresist è negativo, viene rimossa chimicamente la parte non esposta ai raggi UV Il fotoresist negativo in genere richiede tempi di esposizione più corti, ma ha risoluzione minore. 5n) Viene rimosso il materiale sottostante secondo la sagoma del fotoresist 6n) Viene rimosso il fotoresist, lasciando lo strato mascherante con la sagoma della parte trasparente della maschera richiesta I sistemi di misura e di controllo pagina 20

21 Ossidazione (1/2) Il processo di ossidazione viene usato per creare: isolamento fra elementi conduttivi (gate, trench), riempitivo per planarizzazione. Serve anche in alcuni passi intermedi di processo per le sue proprietà chimico-meccaniche. Avviene per crescita o deposito. Esistono diverse reazioni chimiche che portano alla ossidazione e metodologie catalizzanti. dry: Si+O 2 >SiO 2 ; wet: Si+2H 2 O->SiO 2 +4H 2 La crescita dell ossido consuma il substrato: l ossido penetra per il 45% nel substrato e sporge per il 55% circa. I sistemi di misura e di controllo pagina 21

22 Ossidazione (2/2) Il substrato viene ossidato in alcuni passi tecnologici solo in regioni limitate (oppure si ossida una regione dove è già stato cresciuto dell ossido precedentemente). L ossido penetra per il 45% nel substrato e sporge per il 55% circa. (Dove l ossido è più spesso la crescita è più lenta.) Quando viene rimosso l ossido, la superficie non è più piana! I sistemi di misura e di controllo pagina 22

23 Rimozione/ taglio di materiale (etching) Etching chimico (selettivo) e/o fisico (anisotropo) Il materiale mascherante è stato selettivamente rimosso Dry-etching anisotropo e selettivo Wet-etching isotropo (porta al caratteristico undercut) e selettivo I sistemi di misura e di controllo pagina 23

24 Processi tecnologici fondamentali per realizzare i circuiti integrati I sistemi di misura e di controllo pagina 24

25 Diffusione e Impianto (1/2) p : boro (B) n : fosforo (P), arsenico (As), antimonio (Sb) Il profilo di drogaggio dipende dalla tecnica usata: diffusione o impiantazione ionico. Impianto in due passi: 1) Predeposizione del drogante 2) Processo termico drive-in del drogante, che diffonde il drogante nella struttura (con annealing per impianto ionico) I sistemi di misura e di controllo pagina 25

26 Diffusione e Impianto (2/2) Diffusione in fase solida: Movimento di atomi di impurezze dalla superficie del cristallo verso l interno del materiale. Avviene ad alta temperatura e gli atomi di impurezze rimpiazzano gli atomi di silicio nella struttura cristallina. I sistemi di misura e di controllo pagina 26

27 substrato Realizzazione di resistori integrati nel processo CMOS In una tasca di isolamento detta well s impianta una regione di opportuna resistività controllando con il drogaggio la resistività ρ: L tw Poiché il rapporto ρ/t è costante e definito come resistenza di strato R s allora L R = Rs W I sistemi di misura e di controllo pagina 27 R L = ρ = ρ S

28 Materiale Ω/ Alluminio 0,05 Regioni source drain ( CMOS) 25 Regione di Base (BJT) 200 Polisilicio (drogato) 50 Polisilico (non drogato) Valori tipici di resistenza di strato R s Nel processo MOS la resistenza di strato è relativamente bassa e risulta difficile integrare resistenze superiori a 5-10 kω poiché risulterebbero troppe lunghe. Nel processo bipolare si può utilizzare il processo d impiantazione della base( che richiede drogaggi più bassi), per realizzare resistori a più elevato valore. I sistemi di misura e di controllo pagina 28

29 Processo MOS Capacità C MOS = A Processo BJT I sistemi di misura e di controllo pagina 29

30 Sezione verticale di un transistore deposito di metallo MOS crescita di ossido sottile sul substrato crescita di ossido spesso sul substrato substrato taglio nell ossido deposito di polisilicio sull ossido diffusione nel substrato deposito di ossido I sistemi di misura e di controllo pagina 30

31 Transistore NMOS (1/6) Realizzazione di un transistore nmos a partire da un substrato p -. inizio isolamento del transistore 1) Deposito di uno strato di nitruro di silicio Si 3 N 4 2) Il nitruro viene sagomato secondo la maschera dell area attiva I sistemi di misura e di controllo pagina 31

32 TRANSISTORE nmos(2/6) 3) Impianto di channel-stop (boro in questo caso) 4) Viene cresciuto dell ossido di campo intorno al transistore 5) Viene rimosso il nitruro di silicio fine isolamento del transistore Segue impianto per il controllo della soglia del transistore I sistemi di misura e di controllo pagina 32

33 TRANSISTORE nmos(3/6) 6) Viene cresciuto l ossido sottile di gate 7) Deposito di polisilicio drogato n + 8) Polisilicio sagomato secondo la relativa maschera I sistemi di misura e di controllo pagina 33

34 TRANSISTORE nmos(4/6) 9) Viene rimosso l ossido sottile secondo la maschera n-select (o il complemento della p-select) 10) Impianto di fosforo per formare le diffusioni di drain e source (il fotoresist maschera le altre aree attive) gate autoallineato 11) Deposito CVD di ossido di silicio I sistemi di misura e di controllo pagina 34

35 TRANSISTORE nmos(5/6) 12) Rimozione di ossido per i contatti: Metal1-Active e Polisilicio-Metal1 Seguono impianti e depositi per la tecnologia del contatto 13) Deposito di alluminio I sistemi di misura e di controllo pagina 35

36 TRANSISTORE nmos(6/6) 14) Lo strato di alluminio viene sagomato secondo la maschera Metal1 Segue un deposito di ossido, passi successivi di via e metallizazioni. Alla fine, passivazione (glass) con apertura per pad tramite maschera Overglass. I sistemi di misura e di controllo pagina 36

37 Allocazione dei dispositivi e interconnessioni Con l aumentare della densità d integrazione (10 8 componenti per chip), l allocazione dei dispositivi e la loro interconnessione (placement and routing) è diventato uno degli aspetti cruciali del progetto del chip Le interconnessioni nei chip a larga scala di integrazione (LSI e VLSI) vengono realizzate su più livelli ognuno dei quali separati da uno strato di ossido. I collegamenti in verticale tra un piano e l altro sono realizzati con opportuni fori aperti nell ossido chiamati vias I sistemi di misura e di controllo pagina 37

38 Metallizzazioni e interconnessioni a ossido più livelli Capacità parassite tra i diversi livelli delle interconnessioni vias C L = ε t ox ox LW e ox e t ox sono la costante dielettrica dell ossido e lo spessore tra due strati di metallizzazione, mentre Le W sono la lunghezza e la superficie delle linee ( per L frazioni di mm CL equivalente alla capacità d ingresso del MOS) I sistemi di misura e di controllo pagina 38

39 Maschere ed allineamento La fabbricazione dei differenti circuiti integrati è quindi realizzata disegnando il set di maschere opportune per i diversi circuiti e definendo la sequenza dei passi tecnologici che vanno applicati alle fette con quel set di maschere. Le diverse maschere hanno una definizione fotografica e devono essere allineate per la compatibilità delle operazioni successive con quelle precedenti. Regole di progetto: minime dimensioni accettabili per le aperture e le spaziature tra le diverse parti, che garantiscano un risultato corretto. I sistemi di misura e di controllo pagina 39

40 Procedura di allineamento I sistemi di misura e di controllo pagina 40

41 Tracciati e regole di progetto Per ogni sistema fotolitografico, causa principalmente le tolleranze del sistema di allineamento, viene definita una dimensione minima (feature size) λ che si è andata riducendo da parecchi µm a meno di 0.1 µm. Oltre all accuratezza dell allineamento altri processi tecnologici (attacco laterale degli acidi, diffusione laterale del drogante) definiscono minime dimensioni delle regioni Regione Minima dimensione Minima distanza Polisilicio 2 λ 3 λ Regioni P o N 3 λ 3 λ Tasche di isolamento 13 λ 18 λ Metallo 3 λ 3 λ Apertura contatti (vias) 2 λ 3 λ I sistemi di misura e di controllo pagina 41

42 Evoluzione del numero dei dispositivi integrabili in un chip I sistemi di misura e di controllo pagina 42

43 I sistemi di misura e di controllo pagina 43

44 Membrane e cantilever in micromachining I sistemi di misura e di controllo pagina 44

45 Fabbricazione di un sensore di pressione Sensore di pressione microlavorato, con tecnologia bulk micromachining) Sulla membrana sono depositati piezoresistori I sistemi di misura e di controllo pagina 45