Технологічні процеси мікро- та наноелектроніки

1. 105-ПФіНМ Технологічні процеси мікро- та наноелектроніки Лекції професор Ігор Вірт 2018

2. ПЛАН ЛЕКЦІЙ • Фізико-хімічні процеси кристалізації і ріст кристалів. • Кристалізація. • Механізми росту. • Промислова технологія кристалів. • Технологія тонких плівок. • Виробництво електронних приладів та мікросхем. • Технологія пластин. Кремній. • Технологія функціональних структур.

3. Лекція 1 Фізико-хімічні процеси кристалізації і ріст кристалів Nucleation and Growth of Crystals

4. Фізико-хімічні процеси кристалізації. Нуклеація. Nucleation Rate – Thermodynamic barrier W* W* WS = 4r2,  is the surface energy + • At r*, (W(r)/ r)r=r* = 0 • r* = -2/ Gcryst(T) • W(r*)  W* = 16 3/3(Gcryst(T))2 Wtot 0 r* WB = 4/3r3Gcrsyt(T), the Gibb’s Free-Energy of Crystallization r - Wtot = WS + WB

5. Фізико-хімічні процеси кристалізації. Нуклеація. Growth Rates -  • Crystal Growth requires diffusion to the nuclei surface • Crystallization onto the exposed crystal lattice • lc = exp(-ED/RT) • cl = exp(-(ED- Gcryst) /RT) • net = lc - cl = • exp(-ED/RT) - • exp(-(ED- Gcryst) /RT) • = a net = a  exp(-ED/RT) x (1 – exp(Gcryst) /RT) ED Gcryst

6. Фізико-хімічні процеси кристалізації. Нуклеація. Growth Rates -  • Diffusion coefficient, D D = a2 exp(-ED/RT) = fRT/3Na(T) • Hence:  = fRT/3Na2(T)(1 – exp(Hm/RT(T/Tm) • where (T) = 0exp(ED/RT)

7. Кристалізація. Механізми росту. Growth modes IslandLayer + Island Layer Volmer-Weber Stranski-Krastanov Frank-VdM

8. Фізико-хімічні процеси кристалізації. Нуклеація. Atomic-level processes Variables:R (or F), T, time sequences (t) Parameters: Ea, Ed, Eb, mobility, defects…

9. Кристалізація. Механізми росту. Competitive capture dn1/dt = R – n1/t; t-1 = ta-1 + tn-1 + tc-1… Venables (1987) Phys. Rev. B

10. Кристалізація. Механізми росту. Nucleation on point and line defects (a) Point defects (vacancies) (b) Line defects (steps)

11. Island Dynamics Model for Epitaxial Growth Кристалізація. Механізми росту. F v D • Compare with • Continuum Models (deterministic, lacks atomic detail) • Atomistic KMC (stochastic, expensive) • Islands as continuum in the plane, but individual atomic layers • Evolve island boundaries with the level set method • Treat atoms as a mean field quantity, at least initially

12. Кристалізація. Моделювання. Alternative approaches to modeling Rate and diffusion equations Kinetic Monte Carlo simulations Level-set and related methods plus 4) Correlation with ab-initio calculations Issues: Length and time scales, multi-scale; Parameter sets, lumped parameters;

13. The Level Set Method: Schematic Кристалізація. Механізми росту. Level Set Function j Surface Morphology j=0 j=0 t j=0 j=1 j=0 • Continuous level set function is resolved on a discrete numerical grid • Method is continuous in plane, but has discrete height resolution

14. The Level Set Method: Formalism Кристалізація. Моделювання. • Governing Equation: • Obtain velocity of island boundaries by solving diffusion equation: • Boundary condition j=0 • Velocity: • Nucleation Rate: • Seeding position chosen stochastically (weighted with local value of r2)

15. Лекція 2 Промислова технологія кристалів Crystal growing

16. Промислова технологія кристалів 19.12.2019 16

17. Технологія кристалів. Метод Чохральського. -From the high purity poly-Si, single crystal silicon is required, -The Cz process is the most common for large wafer diameter production. - Pull rate, melt temperature and rotation rate are all important control parameters. Wafer growth – Czochralski Method (Cz)

18. CZ Crystal Puller Crystal puller and rotation mechanism Crystal seed Molten polysilicon Single crystal silicon Quartz crucible Heat shield Carbon heating element Water jacket Quartz crucible: Chemically unreactive High melting point Thermally stable Hard reusable 18

19. Float-Zone Technique: Basics Технологія кристалів. Метод зонної плавки. 19.12.2019 19

20. • In the float zone process, dopants and other impurities are rejected by the regrowing silicon crystal. Impurities tend to stay in the liquid and refining can be accomplished, especially with multiple passes.(See the Plummer for models of this process) Технологія кристалів. Метод зонної плавки.

21. Float Zone Crystal Growth Gas inlet (inert) Chuck Polycrystalline rod (silicon) Molten zone Traveling RF coil RF Seed crystal Chuck Inert gas out Технологія кристалів. Метод зонної плавки The Float Zone (FZ) growth method is far less common, and is reserved for situations where oxygen and carbon impurities cannot be tolerated, The entire poly-Si rod is extracted from the EGS process as a whole.

22. Fabrication and Thin Film Deposition Processes Лекція 3 Технологія тонких плівок.

23. most clean and precise deposition techniques Технологія плівок. Thin Film Deposition Processes

24. Технологія плівок. Main Growth Parameters Deposition Desorption Arrival rates Fn Energies En Growth Diffusion Nucleation Temperature T Mixing Growth processes

25. Deposition: PVD, CVD, PLD, MOCVD. Технологія плівок.

26. Deposition: Технологія плівок.Складні системи.

27. Thin Film Deposition – CVD and PVD Variety of Chemical Vapor Depositions are used to layer on subsequent Structural and Sacrificial Layers Metals are deposited using PVD (Physical Vapor Deposition – evaporation is an example) Технологія плівок.

28. Essential Lithography Steps Coat wafer with photo resist Expose resist to a pattern Develop resist Bake resist to withstand subsequent etch process. Технологія плівок. MATEC

29. Технологія плівок. Film growth/deposition

30. Лекція 4 Виробництво електронних приладів та мікросхем ManufacturingProcess

31. Виробництво електронних приладів та мікросхем

32. Виробництво електронних приладів та мікросхем Hierarchy of technology CAD tools building from the process level to circuits. Left side icons show typical manufacturing issues; right side icons reflect MOS scaling results based on TCAD

33. Виробництво електронних приладів та мікросхем Crystal growth and wafer preparation Processes involved in Semiconductor device and IC manufacture Epitaxy Diffusion Ion implantation Oxidation Lithography Diffusion Etching Deposition Connection Testing Packaging

34. Fabrication Виробництво електронних приладів та мікросхем Masks Chips ProcessedWafer Processing Wafers

35. Технологія структур. Мікросхеми. Photo-Lithographic Process optical mask oxidation photoresist photoresist coating removal (ashing) stepper exposure Typical operations in a single photoresist photolithographic cycle (from [Fullman]). development acid etch process spin, rinse, dry step

36. VLSI Fabrication: The Cycle Технологія структур. Мікросхеми.

37. Технологія мікросхем. Кремній. 19.12.2019 37

38. Технологія приладів. Кремній. 19.12.2019 38

39. Ingot Diameter Grind Технологія різки пластин. Preparing crystal ingot for grinding Diameter grind Flat grind Figure 4.20

40. Технологія різки пластин. 19.12.2019 40

41. 19.12.2019 41

42. Технологія пластин. 19.12.2019 42

43. Epitaxial Wafers Технологія різки пластин. 19.12.2019 43

44. Junction Isolated Wafers (JIW) Технологія пластин. 19.12.2019 44

45. Silicon-On-Insulator Wafers Технологія пластин. 19.12.2019 45

46. Технологія пластин. Кремній. Specifications of Silicon Wafers 19.12.2019 46

47. Basic Process Steps for Wafer Preparation Технологія пластин. Кремній. Wafer Lapping and Edge Grind Crystal Growth Cleaning Shaping Etching Inspection Wafer Slicing Polishing Packaging Figure 4.19

48. Measurement of Wafer CharacteristicsDarkfield and Brightfield Detection Технологія пластин. Кремній. Brightfield imaging Darkfield imaging Viewing optics Viewing optics Two-way mirror Light source Light reflected by surface irregularities Lens Lens Light source Figure 7.15

49. Schematic of Optical System Технологія пластин. Діагностика. Phase and intensity detection Photo detector array Data generation, processing, display are networked with factory management software Split mirror Video camera Lens CRT Light source Viewing optics Objective lens assembly Three-axis piezo substage Wafer positioning stage Vibration isolation pad

50. Four Point Probe Технологія пластин. Діагностика. Constant current source R V I rs = x2ps (ohms-cm) Voltmeter I V Wafer