Εισαγωγή Σε Ολοκληρωμένα Κυκλώματα (Microchips) Δρ. Ιούλιος Γεωργίου Further Reading Texts: “Design of Analog CMOS Integrated Circuits” Behzad Razavi “ Microelectronic Circuits”, Sedra & Smith

Αναλογικά ή Ψηφιακά Κυκλώματα; Αρνητικές Προβλέψεις ~ 1980 Ψηφιακά κυκλώματα διαδίδονται ραγδαία Όμως .... Cover from Razavi 1 Στη φύση όλα τα σήματα είναι αναλογικά... Π.χ. Ο ήχος, ο σεισμογράφος, τα ραδιοκύματα, η θερμοκρασία.. κ.α. Copyrighted  Images reproduced with kind permission of The McGraw-Hill Companies, Inc.

Καθημερινά Παραδείγματα Στα όρια, τα ψηφιακά σήματα αρχίζουν να μοιάζουν με αναλογικά Cover from Razavi 1 Copyrighted  Images reproduced with kind permission of The McGraw-Hill Companies, Inc.

Γιατί Ολοκληρωμένα Κυκλώματα; Εξοικονόμηση χώρου 10,000,000 στοιχεία σε ένα τσιπ Εξοικονόμηση ισχύος Φορητές συσκευές π.χ. Τηλέφωνα Χαμηλότερο κόστος παραγωγής Πιο ταχύ στοιχεία & συστήματα! Αξιοπιστία!

Τι στοιχεία βρίσκονται σε Ολοκληρωμένα Κυκλώματα; Αντιστάσεις Τρανζίστορ Σύρματα Δίοδοι Πυκνωτές Copyrighted  Images reproduced with kind permission of The McGraw-Hill Companies, Inc.

Επίπεδα Απεικόνισης Ηλεκτρονικών Copyrighted  Images reproduced with kind permission of The McGraw-Hill Companies, Inc.

Τεχνολογία Κατασκευής Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων SiO2 Si Why do we want to look at this: -Understanding will aid memory of models -Will provide a context for learning how to design

Προετοιμασία του Δίσκου (Wafer) Κόκκος καθαρού κρυστάλλου Si αναρτάται σε δοχείο με λιωμένο Si Τραβιέται σιγά σιγά ενώ περιστρέφεται Λειαινάρεται στη σωστή διάμετρο Τεμαχίζεται κύλινδρος Si (ενός κρυστάλλου) 10-30cm διάμετρο Wafer ~200-600μm πάχους Νόθευση (doping) Substrate Doping can be done at the ingot stage or at wafer level ! INGOT MANUFACTURE Almost all crystal growth is done by the Czochralski (Cz) method. This method begins by heating electronic-grade polycrystalline silicon in a quartz crucible to 1200ºC in an argon atmosphere. Either radiofrequency (RF) or resistance heating is used. A starter or "seed" crystal of silicon is placed onto the end of a rod and dipped into the melt to form the crystal. The seed and crucible are rotated in opposite directions while the seed is withdrawn. Silicon atoms attach to the rod and the crystal grows in size. Careful control of temperature, rotation speed, and vertical withdrawal determines the size of the ingot. Different atmospheres (inert, oxidizing, reducing) and pressures (vacuum, high pressure) also are maintained in the growth chamber depending on the type of crystal desired. Controlled amounts of impurities are added during crystal growth to establish the desired electrical properties for the silicon. The melt is usually "doped" with elements like boron, phosphorous, arsenic, or antimony.

Οξείδωση Χημική διαδικασία: Si + O2 SiO2 1000~1200°C (ξηρό Ο2 η υδρατμός Η2Ο) SiO2 είναι μονωτικό (107 V/cm) Προστατεύει από ακαθαρσίες Προστατεύει υπόστρωμα από νοθεύσεις Κατασκευή πυκνωτών

Διάχυση Διάχυση είναι η διαδικασία με την οποία τα άτομα κινούνται μέσα στο κρυσταλλικό πλέγμα Σχετίζεται με ελεγχόμενες νοθεύσεις Βόριο (Β) – 3η Ομάδα  τύπου-p νόθευση Φωσφόρος (P) – 5η Ομάδα  τύπου-n νόθευση Αρσενικό (As) – 5η Ομάδα  τύπου-n νόθευση Ρυθμός διάχυσης σχετίζεται με θερμοκρασία (1000-1200°C) Πυκνότητα της νόθευσης

Εμφύτευση Ιόντων Παραγωγή Ιόντων Επιτάχυνση με πεδίο Σε θερμοκρασίες δωματίου Βάθος => ενέργεια δέσμης Πλήθος => ρεύμα δέσμης Ακριβέστερη μέθοδος από διάχυση

Χημική Εναπόθεση Αναθυμιάσεων (Chemical Vapor Deposition) CVD είναι η διαδικασία με την οποία αέρια η αναθυμιάσεις αντιδρούν χημικά, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός στερεού στρώματος πάνω σε υπόστρωμα Π.χ. SiO2 Si3N4 Πολυκρυσταλλικό Πυρίτιο

Φωτολιθογραφία μάσκα από γυαλί και χρώμιο Σμίκρυνση σχεδίου Φωτοευαίσθητο στρώμα σε όλη τη επιφάνεια Εκτίθεται σε χημικά που χαράσσουν ευαίσθητες περιοχές

Επιμετάλλωση Επιτρέπει την διασύνδεση των στοιχείων Αλουμίνιο (Al) ή πιο πρόσφατα Χαλκός (Cu), Βολφράμιο (W) Τοποθετείται σε όλη την επιφάνεια με εξάτμιση και εναπόθεση Αφαιρείται επιλεκτικά από εκεί που δεν χρειάζεται με φωτολιθογραφία Tunsten can be put by Chemical Vapour Deposition A semiconductor device is provided with a tantalum layer to line the channels and vias of a semiconductor, a tungsten nitride layer at a low temperature on the tantalum layer, and a copper conductor layer on the tungsten nitride layer. The tungsten nitride acts as a highly efficient copper barrier material with high resistivity while the tantalum layer acts as a conductive barrier material to reduce the overall resistance of the barrier layer.

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS Με CVP τοποθετείται μονωτικό στρώμα SiO2 (κίτρινο) σε όλο τον δίσκο που είναι ελαφρός θετικού τύπου (p-) Τοποθετείται στρώμα φωτοαντιδραστικό υλικό, ευαίσθητο σε υπεριώδεις ακτίνες http://micro.magnet.fsu.edu/electromag/java/transistor/

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS Η πρώτη μάσκα τοποθετείται από πάνω και εκτίθεται σε υπεριώδεις ακτίνες. Περιοχές που εκτέθηκαν σκληραίνουν ενώ οι άλλες μένουν μαλακές (negative photo resist) Οι μαλακές περιοχές φωτοαντιδραστικού υλικού διαβρώνονται όταν πλένονται με διαλυτή

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS SiΟ2 Το εκτεθειμένο στρώμα SiΟ2 διαβρώνεται με χημικά αέρια, αφήνοντας μόνο ένα λεπτό στρώμα για μόνωση Το σκληρό φωτοαντιδραστικό υλικό αφαιρείται με ειδικό διαλυτή

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS Πολυκρυσταλλικό πυρίτιο Εναποθέτεται στρώμα πολυκρυσταλλικού πυρίτιου σε όλη την επιφάνεια (Αυτό είναι το υλικό της πύλης) Τοποθετείται το δεύτερο στρώμα φωτοαντιδραστικού υλικού.

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS Η δεύτερη μάσκα τοποθετείται από πάνω και εκτίθεται σε υπεριώδεις ακτίνες. Περιοχές που δεν εκτέθηκαν μένουν μαλακές ενώ οι άλλες σκληραίνουν Οι μαλακές περιοχές φωτοαντιδραστικού υλικού αφαιρούνται όταν πλένονται με διαλυτή

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS Αφαιρείται με «φρέζα ιόντος» (ion mill) το εκτεθειμένο πολυκρυσταλλικό πυρίτιο και ένα λεπτό στρώμα SiΟ2 . Το σκληρό φωτοαντιδραστικό υλικό αφαιρείται με ειδικό διαλυτή

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS Τοποθετείται δεύτερο μονωτικό στρώμα SiO2 (κίτρινο) σε όλο τον δίσκο Διάχυση Φωσφόρου δημιουργεί πηγάδι (πράσινο) αρνητικού τύπου (n+)

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS Τοποθετείται το τριτο στρώμα φωτοαντιδραστικού υλικού, για να διευκρινιστεί που θα μπουν οι οπές διασύνδεσης (vias) για πρόσβαση στη πύλη και στα πηγάδια Η τρίτη μάσκα τοποθετείται από πάνω και εκτίθεται σε υπεριώδεις ακτίνες. Περιοχές που δεν εκτέθηκαν μένουν μαλακές ενώ οι άλλες σκληραίνουν

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS Αφαιρείται με «φρέζα ιόντος» (ion mill) το εκτεθειμενο SiΟ2 και λεπτό στρώμα και δημιουργεί πρόσβαση στη πύλη και στα πηγάδια Οι μαλακές περιοχές φωτοαντιδραστικού υλικού αφαιρούνται όταν πλένονται με διαλυτή

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS Το σκληρό φωτοαντιδραστικό υλικό αφαιρείται με ειδικό διαλυτή Γίνεται επιμετάλλωση του δίσκου που γεμίζει τις οπές και καλύπτει όλη την επιφάνεια.

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS Τοποθετείται το τέταρτο στρώμα φωτοαντιδραστικού υλικού, για να αφαιρεθεί επιλεκτικά από περιοχές το μέταλλο Η τέταρτη μάσκα τοποθετείται από πάνω και εκτίθεται σε υπεριώδεις ακτίνες. Περιοχές που δεν εκτέθηκαν μένουν μαλακές ενώ οι άλλες σκληραίνουν

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS Οι μαλακές περιοχές φωτοαντιδραστικού υλικού αφαιρούνται όταν πλένονται με διαλυτή Διαβρώνεται το εκτεθειμένο μέταλλο με εδικό διαλυτή (pH 1) που δεν επηρεάζει τα υπόλοιπα υλικά

Κατασκευή MOSFET τύπου NMOS

Τεμαχισμός δίσκου Wafer Dicing

Συσκευασία Tων Tεμαχίων Chip packaging

Συσκευασία Tων Tεμαχίων Chip packaging

Ποία είναι η Διαδικασία Σχεδιασμού Ολοκληρωμένων Κυκλωμάτων; Φυσικό Σχέδιο LVS/DRC Εξαγωγή Σχεδιασμός εξειδικευμένης πλακέτας έλεγχου Δοκιμή και Μετρήσεις Μαζική κατασκευή Επιτυχής Αναθεώρηση Σχεδίου; Ορισμός Προδιαγραφών Σχηματική αναπαράσταση Προσομοίωση Παραγωγή Μασκών (MPW) Κατασκευή Χυτήριο Ημιαγωγών Τεμαχισμός Δίσκου Ναι Όχι Europractice Αξιολόγηση Λειτουργική Παραμετρικά Όρια