Công nghệ linh kiện bán dẫn và vi điện tử

Công nghệ linh kiện bán dẫn và vi điện tử đại học bách khoa hà nội

1/7/2006 1/7/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i 1 1 CÔNG NGH CÔNG NGH   LINH KI LINH KI   N B N B Á Á N D N D   N N v v à à VI I VI I   N T N T   Lê Tu Lê Tu   n n 2 2 1/7/2006 1/7/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i M M   đ đ   u u Công nghi Công nghi   p b p b á á n d n d   n v n v   i c i c á á c c   ng d ng d   ng m ng m   i nh i nh   t t ̈ Computers, palm pilots, laptops, Silicon (Si) MOSFETs, ICs, CMOS và m i th “thông minh” ̈ Cell phones, pagers Si ICs, GaAs FETs, BJTs ̈ CD players AlGaAs và InGaP laser diodes, Si photodiodes ̈ iu khin t xa TV, terminal lu đng Light emitting diodes (LED) ̈ Thit b thu truyn hình v tinh InGaAs MMICs ̈ Mng cáp quang InGaAsP laser diodes, pin photodiodes ̈ èn hiu giao thông, đèn báo r và đèn kích thc ô tô GaN LEDs (green, blue), InGaAsP LEDs (red, amber) ̈ Túi không khí bo v trong ô tô Si MEMs, Si Ics • • Hi Hi   n nay, c n nay, c á á c LED v c LED v à à laser b laser b á á n d n d   n m n m   i trên i trên c s c s   v v   t li t li   u Nitride u Nitride đang đ đang đ   c đ c đ   y m y m   nh nh nghiên c nghiên c   u ho u ho à à n thi n thi   n. n. • • C C á á c VLSI, ULSI IC c VLSI, ULSI IC m m   i trên c s i trên c s   c c á á c linh c linh ki ki   n v n v   i c i c á á c nguyên t c nguyên t   c c ho ho   t đ t đ   ng m ng m   i (v i (v í í d d   , , HMT) s HMT) s   đ đ   c đa v c đa v à à o o   ng d ng d   ng trong tng lai ng trong tng lai r r   t g t g   n. n. 3 3 1/7/2006 1/7/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Ngu Ngu   n g n g   c l c l   ch s ch s   c c   a công nghi a công nghi   p đi p đi   n t n t     è è n chân không ba c n chân không ba c   c (Triode) d c (Triode) d ù ù ng khu ng khu   ch đ ch đ   i t i t í í n hi n hi   u u đi đi   n đ n đ   c Lee De Forest ph c Lee De Forest ph á á t minh nm t minh nm 1906. Chân không 1906. Chân không c c   n thi n thi   t đ t đ   gi gi   cho c cho c á á c th c th à à nh ph nh ph   n c n c   a đ a đ è è n không b n không b   ch ch á á y y (ô xy h (ô xy h ó ó a) v a) v à à đ đ   c c á á c đi c đi   n t n t   d d   d d à à ng di chuy ng di chuy   n hn gi n hn gi   a c a c á á c c đi đi   n c n c   c. c. 4 4 1/7/2006 1/7/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Ngu Ngu   n g n g   c l c l   ch s ch s   c c   a công nghi a công nghi   p đi p đi   n t n t   (ti (ti   p) p)   è è n chân không đ n chân không đ   c d c d ù ù ng đ ng đ   ch ch   t t   o chi o chi   c m c m á á y t y t í í nh đi nh đi   n t n t   đ đ   u tiên c u tiên c ó ó tên ENIAC tên ENIAC (Electronic Numeric Integrator and Calculator) t (Electronic Numeric Integrator and Calculator) t   i University of Pennsylvania trong i University of Pennsylvania trong th th   i k i k   Th Th   chi chi   n n   . . ( (   è è n chân không c n chân không c ó ó k k í í ch th ch th   c l c l   n, n, đ đ   tin c tin c   y th y th   p, tiêu th p, tiêu th   nhi nhi   u đi u đi   n nng n nng . Ngo . Ngo à à i ra, tu i ra, tu   i th i th   c c   a đ a đ è è n chân n chân không không cao, do c không không cao, do c ó ó c c á á c th c th à à nh ph nh ph   n s n s   b b   đ đ   t d t d   n cho t n cho t   i h i h   t t - - l l   p v p v   cathode cho h cathode cho h   s s   ph ph á á t x t x   đi đi   n t n t   t t   t. t. Hi Hi   n nhiên, n nhiên, đ đ è è n chân không còn r n chân không còn r   t xa m t xa m   c tiêu t c tiêu t ì ì m ki m ki   m công ngh m công ngh   t t   i u nh i u nh   m ch m ch   t t   o c o c á á c thi c thi   t b t b   đi đi   n t n t   nh nh   g g   n v n v à à c c ó ó đ đ   tin c tin c   y cao.) y cao.) Transistor ch Transistor ch   t r t r   n đ n đ   c William Shockley, John Bardeen, v c William Shockley, John Bardeen, v à à Walter Brattain ph Walter Brattain ph á á t t minh t minh t   i Bell Telephone Laboratories ng i Bell Telephone Laboratories ng à à y 16/12/1947. Sau n y 16/12/1947. Sau n à à y, y, nm nm 1956, ba nh 1956, ba nh à à khoa h khoa h   c trên đ c trên đ   c nh c nh   n gi n gi   i Nobel v i Nobel v   V V   t lý nh t lý nh   ph ph á á t minh trên. t minh trên. Transistor planar Transistor planar thng m thng m   i đ i đ   u tiên đ u tiên đ   c ch c ch   t t   o b o b   i hãng Fairchild Semiconductor t i hãng Fairchild Semiconductor t   i Palo Alto, i Palo Alto, California, v California, v à à o nm o nm 1957. 1957. 5 5 1/7/2006 1/7/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i T T   h h   p th p th à à nh m nh m   ch đi ch đi   n t n t   M M   ch t ch t   h h   p (Integrated Circuit p (Integrated Circuit - - IC) l IC) l à à s s   t t   h h   p c p c   a nhi a nhi   u th u th à à nh nh ph ph   n đi n đi   n trên c n trên c ù ù ng m ng m   t phi t phi   n đ n đ   Silic. IC c Silic. IC c ù ù ng đ ng đ   c ph c ph á á t minh m t minh m   t t c c á á ch đ ch đ   c l c l   p b p b   i c i c   Robert Noyce v Robert Noyce v à à Jack Kilby v Jack Kilby v à à o nm o nm 1959. 1959. C C ó ó nhi nhi   u lo u lo   i linh ki i linh ki   n b n b á á n d n d   n n – – đ đ   u tiên l u tiên l à à transistor transistor , d , d iode, iode, đi đi   n n tr tr   v v à à t t   đi đi   n,, n,, sau đ sau đ ó ó còn c còn c ó ó cu cu   n c n c   m, c m, c á á c linh ki c linh ki   n quang đi n quang đi   n t n t   v v à à vi c vi c (MEMS) trên b (MEMS) trên b   m m   t Silic c t Silic c   a c a c ù ù ng m ng m   t IC. C t IC. C á á c linh ki c linh ki   n đ n đ ó ó đ đ   c n c n   i v i v   i nhau theo c i nhau theo c á á c s đ c s đ   nguyên lý nh nguyên lý nh   t đ t đ   nh v nh v à à x x á á c đ c đ   nh nh c c á á c ch c ch   c nng c nng , c , c   ng nh phng c ng nh phng c á á ch ho ch ho   t đ t đ   ng c ng c   a t a t   ng chip. Mch t hp (IC) đc sn xut nm 1960 (hình trái) và đu nhng nm 1990 (hình bên phi) ng chip. 6 6 1/7/2006 1/7/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i T T   h h   p th p th à à nh m nh m   ch đi ch đi   n t n t   (ti (ti   p) p) M M   c đ c đ   t t   h h   p p Th Th   i k i k   ph ph á á t tri t tri   n c n c   a a công nghi công nghi   p b p b á á n d n d   n n S S   linh ki linh ki   n trên n trên m m   t Chip t Chip Linh ki Linh ki   n r n r   i r i r   c c Tr Tr   c 1960 c 1960 1 1 Small scale integration (SSI) Small scale integration (SSI)     u nh u nh   ng nm ng nm 1960 1960 2 t 2 t   i 50 i 50 Medium scale integration (MSI) Medium scale integration (MSI) 1960s t 1960s t   i đ i đ   u 1970s u 1970s 50 t 50 t   i 5000 i 5000 Large scale integration (LSI) Large scale integration (LSI)     u 1970s t u 1970s t   i cu i cu   i 1970s i 1970s 5000 t 5000 t   i 10000 i 10000 Very large scale integration (VLSI) Very large scale integration (VLSI) Cu Cu   i 1970s t i 1970s t   i cu i cu   i 1980s i 1980s 10 10 5 5 t t   i 10 i 10 6 6 Ultra large scale integration (ULSI) Ultra large scale integration (ULSI) Nh Nh   ng nm ng nm 1990 t 1990 t   i hi i hi   n nay n nay >10 >10 6 6 7 7 1/7/2006 1/7/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i Phân lo Phân lo   i c i c á á c m c m   ch vi đi ch vi đi   n t n t   s s   8 8 1/7/2006 1/7/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i C C á á c xu h c xu h   ng công ngh ng công ngh   b b á á n d n d   n n Tng c Tng c   ng hi ng hi   u nng trong ph u nng trong ph   m vi chip m vi chip Thông s Thông s   chung đ chung đ á á nh gi nh gi á á hi hi   u nng c u nng c   a chip (t a chip (t   c IC) l c IC) l à à t t   c đ c đ   x x   lý. lý. T T   c đ c đ   c c   a ch a ch í í p s p s   đ đ   c c c c   i thi i thi   n n n n   u c u c á á c linh ki c linh ki   n đ n đ   c ch c ch   t t   o o v v   i k i k í í ch th ch th   c nh c nh   hn v hn v à à đ đ   c s c s   p x p x   p g p g   n nhau hn trên chip v n nhau hn trên chip v ì ì t t í í n hi n hi   u đi u đi   n s n s   lan truy lan truy   n trên c n trên c á á c quãng đ c quãng đ   ng ng ng ng   n hn n hn . M . M   t s t s   bi bi   n ph n ph á á p tng t p tng t   c đ c đ   c c   a chip kh a chip kh á á c l c l à à s s   d d   ng c ng c á á c v c v   t li t li   u c u c ó ó kh kh   nng c nng c   i thi i thi   n vi n vi   c truy c truy   n t n t í í n hi n hi   u đi u đi   n qua linh ki n qua linh ki   n v n v à à c c á á c t c t   ch ch   c c m m   ch đi ch đi   n trên b n trên b   m m   t chip. t chip. 9 9 1/7/2006 1/7/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i C C á á c xu h c xu h   ng công ngh ng công ngh   b b á á n d n d   n n (ti (ti   p) p) Ü Ü K K í í ch th ch th   c t c t   i h i h   n (Critical dimension n (Critical dimension - - CD) CD) K K í í ch th ch th   c v c v   t lý c t lý c   a m a m   t ph t ph   n t n t   trên chip đ trên chip đ   c g c g   i l i l à à k k í í ch th ch th   c đ c đ   c trng c trng (feature size). K (feature size). K í í ch th ch th   c đ c đ   c trng nh c trng nh   nh nh   t trên phi t trên phi   n đ n đ   c g c g   i l i l à à k k í í ch th ch th   c t c t   i i h h   n (CD). n (CD). 10 10 1/7/2006 1/7/2006     i h i h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i C C á á c xu h c xu h   ng công ngh ng công ngh   b b á á n d n d   n n (ti (ti   p) p) Ü Ü S S   linh ki linh ki   n trên chip n trên chip     nh lu nh lu   t t Moore Moore : S : S   transistor trên m transistor trên m   t ch t ch í í p s p s   tng g tng g   p đôi c p đôi c   sau kho sau kho   ng 1, ng 1, 5 5 - - 2 2 nm nm , k , k í í ch th ch th   c chip m c chip m   i nm tng lên i nm tng lên 16 %. 16 %. [...]... p kh i các tác ng v t lý và p thay i d n i n c a m t i n môi là m t i dung quan tr ng b c nh t c a công ngh bán d n n môi k c xác nh b ng công th c: C=kA/s v i C : i n dung (Farad), A : di n tích l p (cm2), s : kho ng cách gi a các l p (cm) Các lo i i n môi th ng c s d ng là SiO2, Si3N4, v.v… 1/7/2006 i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà 25 Các công o n công ngh chính ánh bóng c h c và hóa h c (Chemical Mechanical... MGS nh ph n ng hóa h c và t o ra Trichlorosilane(SiHCl3) 3 2SiHCl3(g)+2H2(g) 2Si(s)+6HCl(g) poly-Si S d ng công ngh Siemens, SiHCl3 và H2 tham gia ph n ng t o Si s ch bán d n (semiconductor-grade silicon - SGS) 1/7/2006 i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà 15 S n xu t tinh th và phi n Si (ti Nuôi n tinh th Si Sau khi có Si a tinh th tinh th (ingot) t Si pha nh t t o Si n tinh th p) t công ngh Siemens, Si c...Các xu h ng công ngh bán d n (ti p) T ng tin c y c a chip Gi m giá thành chip 1/7/2006 i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà 11 Các xu h ng công ngh bán d n (ti p) 1/7/2006 i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà 12 Quy trình chung ch t o IC Chu n b phi n bán d n Nuôi tinh th T o th i S a u C t b ng C t g t các góc c nh phi n n tinh th ng kính u th i C t th i thành các phi n 1/7/2006 Tách và mài phi n T m th c... V t li u … (ti p) n: n ng electron (cm-3) p : n ng ND: n ng NA: n ng linh l tr ng (cm-3) donor (cm-3) nh lu t tác d ng kh i l N ng ng ND + p = NA + n tr ng thái cân b ng nhi t: np = ni2 h t t i i n ph thu c vào (ND – NA) acceptor (cm-3) ng c a h t t i i n: (V n t c) v = ( linh 1/7/2006 i u ki n trung hòa i n tích: linh ng ph thu c vào (ND + NA) i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà ng) µ x (C ng i n tr ng) E... không d 25 ºC S y khô li tâm i 18 MOhm.cm Lo i b các ion ki m và kim lo i khác b ng t m th c trong dung d ch HCL-n c ô xy già nhi t 80 – 90 ºC, trong th i gian 10 phút R a trong n c kh ion, v i i n tr su t không d i 18 MOhm.cm 25 ºC S y khô li tâm i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà 18 V t li u dùng trong công ngh s n xu t linh ki n và m ch t h p Bán d n (Si) ̈ ̈ ̈ ̈ 1/7/2006 Là nguyên t h t s c ph bi n, có... ng là Czochralski (CZ) và kéo vùng (float-zone) M m Th i Th i a tinh th n tinh th n tinh th Khí tr Tinh th nóng ch y ng th ch anh Bu ng làm l nh b ng n Màn ch n nhi t c Lò nung Carbon Mâm graphit Lò cao t n Tr c Khay quay i n c c lò nung Th i 1/7/2006 n tinh th i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà ng th ch anh 16 S n xu t tinh th và phi n Si (ti Mài và ánh bóng phi n ph ng c n thi t và M c ích: T o lo i b... Ki m tra phi n i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà 13 Quy trình chung ch t o IC (ti p) T o phi n (th c hi n các b c công ngh t o các chip trên phi n) Ki m tra/phân lo i các phi n T p h p và óng gói các chip Ki m tra l n cu i 1/7/2006 i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà 14 S n xu t tinh th và phi n Si Si bán d n – B B c c t o ra Si a tinh th Ph n ng hóa h c Mô t quá trình i u ch Si s ch luy n kim (metallurgical-grade... CVD) và nuôi màng epitaxy (Epitaxial Growth) Quang kh c (Lithography) T m th c hóa h c và b ng plasma (Chemical & Plasma Etching) Ki m tra và th nghi m (Testing & Verification) 1/7/2006 i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà 26 Cám n ã theo dõi !!! M i góp ý, b sung xin g i n: Dr Le Tuan Hanoi University of Technology Institute of Engineering Physics Dept of Electronic Materials 2nd Floor, C9 Building 1 Dai Co Viet... (Al) ho c ng (Cu) c dùng làm các dây d n n i gi a các t o các linh ki n và Volfram (W) th ng c dùng nh v t li u ti p xúc gi a các l p kim lo i Trong th i gian g n ây Cu c ng d n do có tính d n i n dùng thay Al làm v t li u ch y u t o t t h n 1/7/2006 i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà 24 V t li u … (ti Ch t cách i n môi v v các ph n t hóa h c Vi c pha t trong nh ng n Ü H ng s i p) i n ( i n môi) a c dùng... (1412 ºC), thích h p cho ph r ng các hình th c x lý Có kho ng nhi t ho t ng c a linh ki n khá r ng rãi Có l p ô xit Silic t nhiên (SiO2) là lo i v t li u cách i n ch t l ng cao, b o v phi n Silic kh i s nhi m b n t bên ngoài i h c Bách khoa Hà N i Bá Hà 19 V t li u … (ti Si : Chi m 85 % s phi n bán d n Nguyên t Si Các m t và h Tinh th Si 1/7/2006 M ng tinh th Si p) c s n xu t hi n nay n-Si (t p ch t . h   c B c B á á ch khoa H ch khoa H à à N N   i i 1 1 CÔNG NGH CÔNG NGH   LINH KI LINH KI   N B N B Á Á N D N D   N N v v à à VI I VI I   N T N T   Lê Tu Lê Tu   n n 2 2 1/7/2006 1/7/2006     i. tri t tri   n c n c   a a công nghi công nghi   p b p b á á n d n d   n n S S   linh ki linh ki   n trên n trên m m   t Chip t Chip Linh ki Linh ki   n r n r   i r i r   c c Tr Tr   c. đ ó ó còn c còn c ó ó cu cu   n c n c   m, c m, c á á c linh ki c linh ki   n quang đi n quang đi   n t n t   v v à à vi c vi c (MEMS) trên b (MEMS) trên b   m m   t Silic c t