1. تئوری و تکنولوژی ساخت ادوات نیمه هادی
فلزکاری
در تکنولوژی نیمه هادی
تئوری و تکنولوژی ساخت ادوات نیمه هادی
دکتر شهرام محمدنژاد
ارائه دهنده:
حسین علی جعفری
بهار 1393
7:03 AM

2. عناوین اصلی: مقدمه انواع فلزکاری لایه رسانا لایه عایق نوار فلزی نازک
7:03 AM

3. مقدمه دو مرحله اساسی در ساخت تراشه نیمه هادی
ساخت ادوات فعال و غیرفعال روی سطح ویفر
(FEOL front end of line.)
افزودن لایه های مختلف و فلز برای اتصال ادوات
(BEOL back end of line.)
7:03 AM

4. مقدمه
معرفی فلزکاری
فلزکاری بصورت کلی به فرایندی گفته می شود که طی آن ماده ای فلزی روی سطح ماده ای غیر فلزی نشانده می شود.
از آنجاکه مواد غیر فلزی خاصیت رسانایی الکتریکی بسیار کمتری نسبت به فلزات دارند از این روش برای افزایش رسانایی سطح ماده می توان استفاده نمود
نخستین فلزکاری به سال 1835 بر می گردد که سطح شیشه با نقره پوشانده شد تا آیینه درست شود.
7:03 AM

5. مقدمه بیشترین کاربرد نوارهای نازک فلزی در الکترونیک
روشی است برای سیم بندی و اتصال بخش ها و قطعات مدار بک یکدیگر
بیشترین کاربرد نوارهای نازک فلزی در الکترونیک
اتصال ادوات مدار روی سطح نیمه هادی برای تکمیل فرایند ساخت تراشه یکپارچه
ارتباط دهی درون و بیرون یک تراشه به یکدیگر
ساخت فیوز
7:03 AM

6. مقدمه
دو دسته کلی فلزکاری وجود دارد فلزکاری می تواند در یک لایه یا بیشتر انجام گیرد انتخاب تعداد لایه های فلزکاری به کارایی و پیچیدگی مدار بستگی دارد
7:03 AM

7. مراحل فلزکاری یک لایه
ویفر اولیه
7:03 AM

8. مراحل فلزکاری یک لایه
ابتدا پنجره هایی درون لایه عایق باز می شود و سپس فرایند آلایش (doping) صورت می گیرد تا بتوان با لایه زیرین ارتباط اهمی برقرار کرد
7:03 AM

9. مراحل فلزکاری یک لایه
نشاندن یک لایه قطور فلز در تمام سطح ویفر
7:03 AM

10. مراحل فلزکاری یک لایه
برداشتن قسمتهای ناخواسته از فلز با فرایندهای ماسک نوری و زدایش ...
بخش های باقیمانده اصطلاحا:
رسانا/خطوط فلزی/اتصالات
خوانده می شود
7:03 AM

11. مراحل فلزکاری یک لایه
برای اطمینان از ایجاد اتصال خوب بین فلز و سطح ویفر یک مرحله گرمادهی نیز انجام می گیرد
7:03 AM

12. رسانای فلزی چند لایه
افزایش چگالی ساخت باعث شده که بتوان تعداد ادوات بسیار زیادی را روی یک تراشه پیاده سازی نمود
درنتیجه سیم بندی و اتصالات بین ادوات می تواندبسیار پیچیده شود و در یک لایه فلز نمی توان اتصالات را پیاده نمود
راه حل این مشکل فلزکاری چند سطحی است
امروزه فلزکاری چند سطحی عموما در 2 تا 6 لایه صورت می گیرد ولی روند تکنولوژی امکان ایجاد تا 9 لایه را در سال 2012 محقق کرده
7:03 AM

13. Published by W1zzard, on Nov 8th 2006.Manufacturer: NVIDIA
رسانای فلزی چند لایه
Published by W1zzard, on Nov 8th 2006.Manufacturer: NVIDIA
NVIDIA GeForce 8800 GTX
تصاویری از هسته و ویفر پردازنده گرافیکیG80 شرکت NVIDIA با تکنولوژی TSMC
7:03 AM

14. Appeared on: Wednesday, November 17, 2010
رسانای فلزی چند لایه
Appeared on: Wednesday, November 17, 2010
Nvidia's GTX 580 GPU
7:03 AM

15. رسانای فلزی چند لایه STACK
به مجموعه تمام لایه و ادوات در فلزکاری چندسطحی گفته می شودو شامل این موارد می باشد
فلز
عایق
حفره ها
مانع
7:03 AM

16. رسانای فلزی چند لایه فواید لایه مانع
الیاژ سطح سیلیکون با فلز یا اصطلاحا سیلیساید :
Silicide of Ti, W, Ta or Mo
فواید
جلوگیری از ایجاد آلیاژ بین آلومینیوم و سطح سیلیکان (وقتیکه آلومینیوم به عنوان فلز رسانا بکار می رود)
بروز مقاومت اندک بین سطح سیلیکون و لایه بعدی
7:03 AM

17. رسانای فلزی چند لایه لایه عایق بین فلزی حفره اتصال Via لایه فلز
Intermetallic dielecteric layer (IDL )
Intermediate metal dielectric (IMD)
جداسازی الکتریکی لایه های فلز
اکسید / سیلیکون نیترید / پلی ماید
حفره اتصال Via
لایه فلز
7:03 AM

18. رساناهی فلزی چند لایه
مقایسه سامانه های چندلایه نیاز به مراقبت و دقت بیشتری در فرایند ساخت دارند تا هموارسازی سطح ویفر و لایه های میانی به خوبی صورت گیرد و در نتیجه عبور جریان الکتریکی به درستی انجام پذیرد
چند لایه
تک لایه
هزینه
بیشتر
کمتر
تولید
7:03 AM

19. فلز رسانا ویژگی های ایده ال برای یک رسانا چگالی جریان چسبندگی نقش گیری
اتصال قوی با سیلیکون
خلوص بالا
استحکام
ساختار یکپارچه ذره ای
7:03 AM

20. فلز رسانا
مقاومت ویژه چند رسانا Ag 15.9 (nΩ-m) Cu 17.2 (nΩ-m) Au (nΩ-m) Al 28.2 (nΩ-m) 4500_10000 (nΩ-m) پلی سیلیکن با آلایش بالا
7:03 AM

21. فلز رسانا طلا + مقاومت اندک - اتصال الکتریکی ضعیف - نفوذ در ویفر
- چسبندگی ضعیف
- استحکام کم
7:03 AM

22. فلز رسانا آلومینیوم مقاومت به قدرکافی اندک : 2.7 چگالی جریان کافی
چسبندگی خوب به سطح سیلیکن
خلوص بالا این فلز با خلوص 5 تا 6 نه موجود است
نقش پذیری با روش های معمول لیتوگرافی بخوبی قابل نقش دهی است
مقاومت اتصال کم با سیلیکن ولی بیشتر از طلا و مس
ایجاد الیاژ با سیلیکن به هنگام گرمادهی
مهاجرت یونی
7:03 AM

23. فلز رسانا برای جلوگیری از ایجاد آلیاژ بین آلومینیوم و سیلیکن Al-Si
آلیاژ الومینیوم با 1 تا 2 درصد سیلیکن باعث می شود که الیاژ بین الومینیوم و سیلیکن بیشتر در ناحیه الیاژ اولیه ایجاد گردد تا سطح سیلیکن
(کاملا موثر نیست) Al-Si alloy(AlSi, ALSi20, ALSi30, ALSi40, ALSi50)
مواد مانع
Titanium-nitride(TiN)
Titanium-tungsten (TiW)
7:03 AM

24. فلز رسانا
7:03 AM

25. فلز رسانا مهاجرت الکترونی
شارش جریان زیاد در طول مسیری بلند سبب ایجاد یک میدان الکتریکی و شیب حرارتی میگردد
در نتیجه
ذرات کوچک آلومینیوم کنده شده و در جهت میدان به حرکت در می آیند
سپس
در برخی نقاط عرض مسیر کم شده و حالت بحرانی پیدا می کند
پیشگیری
الیاژی از الومینیوم با 0.1 تا 0.5 درصد تیتانیوم یا 0.5 تا 4 درصد مس
7:03 AM

26. فلز رسانا
7:03 AM

27. مقاومت اتصال کمتری دارند
فلز رسانا
به غیر از طلا و مس و آلومینیوم فلزات دیگری نیز بکار می روند ازجمله فلزات دیرگداز
Ti, W, Ta, Mo
سیلیساید آنها
WSi2, TaSi2, MoSi2, TiSi2
مقاومت اتصال کمتری دارند
Molybdenum (Mo) nΩ-m
Tungesten (W) nΩ-m
Tantalum (Ta) nΩ-m
Titanium (Ti) nΩ-m
کاربردها
پرکردن via
لایه مانع
رسانا
7:03 AM

28. فلز رسانا
7:03 AM

29. ماده رسانا پلی سیلیکن پس از فلزات
وقتی بقدر کافی با فسفر الاییده شود رسانایی خوبی پیدا می کند و می تواند به عنوان رسانا استفاده شود
اتصال اهمی
توانایی تبدیل شدن به عایق در صورت اکسید شدن (ولی بخوبی SiO2 نیست)
مقاومت اتصال کم با سیلیکن (کمتر از آلومینیوم)
مقاومت اتصال زیاد با فلزها
7:03 AM

30. ماده رسانا
7:03 AM

31. فیوز یکی از کاربردهای لایه نازک نیمه رسانا تولید فیوز است
محدود کردن جریان
برنامه ریزی/ثبت اطلاعات در یک حافظه الکترونیکی
7:03 AM

32. لایه عایق نقش ثابت دی الکتریک
مشکل کندی عبور سیگنال در مدارها ناشی از ثابت زمانی سیستم است
مقاومت فلز و ظرفیت پارامترهای تعیین کننده ثابت زمانی اند
ظرفیت خازن تشکیل شده بین لایه های رسانا توسط عایق
یک مقدار بهینه برای ثابت دی الکتریک لایه عایق 1.5 تا 2 است
7:03 AM

33. لایه عایق لزومات عایقی برای یک سیستم سریع ثابت دی الکتریک کم
Metal
system
Low-k material Al S
HSQ
Mathyl silesequiexane
F-doped oxied
F-doped amorpheous carbon
Parylene-F (AF4)
Xerogel
Gold
Polymide
BCB
لایه عایق
لزومات عایقی برای یک سیستم سریع
ثابت دی الکتریک کم
پایداری حرارتی
انتخاب پذیری خوب در فرایند زدایش
انعطاف پذیری در برای تنش های تراشه
هماهنگی با فرایندهای دیگر
Year
1997
1999
2001
2003
2006
Metal
levels
5-6
6-7 7
7-8
Interconnect
length(m/chip)
820
1480
2160
2840
5140
Dielectric constant(k)
7:03 AM

34. تشکر پایان
7:03 AM