Thread by @jacek_perc

JAK ZROBIC UKLAD SCALONY W 7 DNIEY - PORADNIK DLA OPORNYCH #3
Ostatnio poruszylismy zagadnienie czyszczenia wafli krzemowych.
Watek mial byc poczatkowo o kopaniu dolow, ale rozrosl sie na tyle, ze do samego kopania jeszcze nie dojdziemy, ale bedzie goraco.

O jakich dolach mowimy? Mowimy o tak zwanym procesie STI (ang. Shallow Trench Isolation). Proces ten uzywany jest do odizolowania od siebie poszczegolnych tranzystorow.
Bo zrobienie 1 tranzystora,a zrobienie miliarda tranzystorow na jednym czipie to sa 2 rozne "systemy walutowe".

W czipie izolacja poszczegolnych elementow odgrywa fundamentalna role. Tak naprawde projektujac sobie nasz procesor mamy w glebokim powazaniu rozmiar pojedynczego tranzystora.
Inetersuje nas rozmiar "komorki standardowej", a ona zalezy od czynnikow takich jak m. in. izolacja.

W tym momencie seria moich wpisow nabiera wartosci artystycznej, poniewaz do zilustrowania calego procesu powstawania czipu bede sie poslugiwal namalowanymi przeze mnie rysunkami.
Bede wdzieczny za konstruktywna krytyke mojej sztuki.

Ostatnio skonczylismy na czystej plytce krzemowej. Przypomnijmy sobie - krzem monokrystaliczny o orientacji krystalicznej <100>, lekko domieszkowany Borem, czyli typu p (duzo dziur).
Dzieki czyszczeniu RCA pozbylismy sie z jej powierzchni zanieczyszczen oraz tlenku natywnego.

Co wiec robimy teraz? Staramy sie wytworzyc na powierzchni wafla dwutlenek krzemu (ten sam material, ktorego wczesniej chcielismy sie pozbyc). Czy to dlatego, ze jestesmy idiotami?
Niewykluczone. Ale taki samoistny tlenek natywny jest bardzo slabej jakosci, pelno w nim defektow.

Jak wiec wytworzyc taki tlenek i co wazniejsze po co?
Zacznijmy od pierwszego pytania. Generalnie sa 2 rodzaje sposobow - osadzanie (depozycja) oraz utlenianie.
1) Metoda nalezaca do pierwszej kategorii jest np. LPCVD.
Szczegolowo omowie ja kiedy indziej.

Ale generalnie polega na tym, ze takie czasteczki SiO2 (lub innego materialu) powstaja w komorze reakcyjnej i spadajac na powierzchnie wafla osiadaja na nim.

2) Wkladamy nasza plytke do pieca, wpuszczamy tlen, ktory w wysokiej temperaturze reaguje z krzemem tworzac SiO2. Tak powstala warstwa cechuje sie najlepsza jakoscia (malo defektow, wysokie napiecie przebicia, itp). Duzo lepsza niz taki tlenek z LPCVD.

Mozna tez utleniac krzem w parze wodnej.
Wtedy caly proces trwa krocej, bo tlenek szybciej rosnie, ale jakosc nie jest tak dobra jak na sucho.

No dobra, ale po co on jest? Cytujac klasyka - "ten tlenek jest do niczego". I tak w kolejnych krokach sie go pozbedziemy. Bedzie on sluzyl jako maska do innego procesu.
I to jest czesty proceder w calym procesie produkcji. Wytwarzamy jakas warstwe tylko po to, zeby stanowila ona

oslone/maske dla innej wartwy, na ktorej powierzchni chcemy odwzorowac za pomoca fotolitografii jakis wzor. Dlatego, wzdrygam sie jak czasami slysze o "drukowaniu" procesorow.
W rzeczywistosci wyglada to zupelnie inaczej.

Nasz Pad Oxide, bo taka nazwe nosi nasz tlenek, wytwarzamy metoda suchego utleniania. Jest to jak na mikroelektroniczne standardy bardzo gruba warstwa, bo wynosi okolo 50 nm.
Odbywa sie to w 1000 C i trwa okolo godziny. Warto tez zaznaczyc, ze sam proces nie jest taki latwy.

Jezeli wlozlibysmy naszego wafla w temperaturze pokojowej do 1000 stopni to bedziemy miec mnostwo problemow z roznego rodzaju defektami, ktore powstaja na skutek naprezen temperaturowych.
W najgorszym przypadku taki wafel moze peknac.

Najpierw umieszczamy plytke w piecu, odpompowujemy powietrze, wpuszcamy azot i powoli zwiekszamy temperature do 1000 C. Kiedy temperatura jest ustabilizowana wpuszczamy tlen i zachodzi reakcja.
Kiedy nasz tlenek urosnie, odpompowujemy O2, wpuszamy N2 i powoli ochladzamy komore.

Nasz wafel wyglada teraz tak. Co robimy teraz? Osadzamy azotek krzemu Si3N4 metoda LPCVD. I tutaj pojawia sie bardzo subtelny powod dlaczego uzywamy SiO2, zamiast osadzic sobie Si3N4 bezposrednio na krzemie.
Bo naprawde glowna warstwa ktora chcielismy osadzic jest wlasnie azotek.

Mysle, ze warto go poruszyc, bo pokazuje o jakich pierdolach trzeba myslec opracowujac taka technologie produkcji. Zarowno Si, SiO2, jak i Si3N4 to materialy wystepujace w formie krystalicznej (nie tylko).
Krysztal tworza atomy o bardzo regularnej strukturze (siec krystaliczna).

Taka siec mozna opisac numerkiem (stala sieci), ktory mowi jak daleko od siebie leza poszczegolne atomy sieci. Okazuje sie, ze krzem i azotek krzemu maja bardzo rozne stale.
Azotek bezposrednio na krzemie powodowalby mikronaprezenia i powstawanie defektow.

Dlatego uzywa sie tlenku, ktory jak wspominalem w poprzednim odcinku tworzy doskonaly interfejs.
Tak wyglada reakcja, ktora powoduje powstanie azotku krzemu: 3*SiH2Cl2 + 4*NH3 -> Si3N4 + 6*HCl + 6*H2. Podloze podgrzewane jest do 800 C, trwa 30 min, a nasza warstwa ma 150 nm.

I tak wyglada nasz zamaskowany wafel krzemowy. Teraz chcemy zrobic w naszym krzemie jakis wzorek. Do tego sluzy proces fotolitografii, o ktorym mozecie wiecej poczytac o tu.

https://twitter.com/jacek_perc/status/1639978680570060801

Po nalozeniu na niego fotorezystu, naswietleniu i wywolaniu, plytka wyglada tak (rysunek z oczywistych wzgledow nie w skali). Teraz jestesmy gotowi na kopanie rowow. Do ktorych przejdziemy w nastepnym odcinku, bo ten juz sie troche rozrosl.

Na dzisiaj w #mikroprzewodniki to w zasadzie tyle. Doszlismy do momentu pierwszej fotolitografii. Jeszcze sporo ciezkiej pracy przed nami, a nawet nie zaczelismy robic tranzystorow.
W przyszlym odcinku pojawi sie specjalny gosc. Ciekawi mnie, czy zgadniecie o kogo chodzi.
Czolem.