チップレイアウトパターン ( 全体例 ) 集積デバイス工学 () LSI の製造プロセス VLSI センター藤野毅 MOS トランジスタの基本構造 MOS トランジスタの基本構造 絶縁膜 絶縁膜 p 型シリコン 断面図 n 型シリコン p 型シリコン 断面図 n 型シリコン 破断面 破断面 トランジスタゲート幅 W 平面図 4 トランジスタゲート長 L 平面図 MOS トランジスタ (Tr) の構造 NMOS トランジスタ : 電流を輸送するキャリアが [ ] PMOS トランジスタ : 電流を輸送するキャリアが [ ] N +,P + とは高濃度に不純物が導入された N,P 型半導体 Hi() のとき ON するスイッチ : [ ] Lo() のとき ON するスイッチ : [ ] MOS トランジスタ (Tr) の構造 NMOS トランジスタ : 電流を輸送するキャリアが電子 PMOS トランジスタ : 電流を輸送するキャリアが正孔 ( ホール ) N +,P + とは高濃度に不純物が導入された N,P 型半導体 Hi() のとき ON するスイッチ :NMOS Lo() のとき ON するスイッチ :PMOS N + N + P + P + P N NMOS トランジスタ PMOS トランジスタ 6 NMOS トランジスタ PMOS トランジスタ
P 型,N 型トランジスタのデジタル的理解 反対の動作をするスイッチと考えることができる P 型,N 型トランジスタのデジタル的理解 反対の動作をするスイッチと考えることができる トランジスタ ゲート = トランジスタ ゲート = N 型トランジスタ ゲート = P 型トランジスタ ゲート = 7 8 NMOS および PMOS トランジスタ記号 通常のデジタル論理では 端子モデルを使うことが多いが, アナログ回路では基板端子を含む 4 端子モデルを使うことが多い 端子モデル 4 端子モデル CMOS インバータのデジタル理解 電圧により,NMOS,PMOS トランジスタのいずれかが相補的 (Complimentary) に ON している CMOS 回路 A F=A 0 0 NMOS PMOS PMOS () () 9 矢印は P から N, すなわち順方向電流をあらわしていると覚える! 0 回路 NMOS () デジタル的理解 () インバータのレイアウトパターンと工程 ( 概念図 ) トランジスタや配線の配置図 : レイアウト レイアウトは製造工程別に分離されが製造される の構造 工程ごとに分離したパターンを使って 下記のような構造のを形成する クロム薄膜 ( 紫外線を遮蔽 ) 6 インチ ( 約 cm) ~0.μm In Gnd Out 工程ごとにパターンを分離 () 素子分離形成 () ゲート形成 石英ガラス基板 ( 紫外線を透過 ) ~0.μm 断面構造 外観 () コンタクト形成 (4) 配線形成
マスク製作工程 () LSI の製造工程 パターンを形成するためには右のような電子ビーム描画装置を使用する 設計工程 CAD データ ( レイアウトデータ ) ウェハ製造工程 ウェハ マスク製作工程 (0 枚程度 ) イオン注入 多数のトランジスタを作製して 相互に配線する 実装 ( アセンブリ ) 工程 前工程 ( ウェハプロセス ) テスト工程 後工程 電子ビーム描画装置内部構造 4 LSI の製造工程 設計工程 マスク製作工程 CAD データ ( レイアウトデータ ) (0 枚程度 ) 多数のトランジスタを作製して 相互に配線する ウェハ製造工程 成膜工程 転写工程 エッチング工程 実装 ( アセンブリ ) 工程 テスト工程 イオン注入 前工程 ( ウェハプロセス ) 後工程 ウェハ 6 微細化の進展 微細加工寸法 :6nm トランジスタ数 : 数億個 ( マイクロプロセッサ ) 数十億個 ( メモリ ) チップあたりのトランジスタ素子数 [ 個 / チップ ] フラッシュ 0 0 DRAM メモリ 0 9.6/ 年 6M G G 64M 0 8 CoreDuo 0 7 M 4M6M Pentium Ⅳ Pentium Ⅲ Pentium Ⅱ 0 6 6K Pentium Pro 8086 Pentium 64k 0 80486 マイクロプロセッサ 0 4 K 4k6k 8086 6800 6800 68000.4/ 年 8086 808 0 0 4004 8080 バイポーラ 0 4 0 ロジック [nm] 8 0 90 0 6 4. 0 0.7/ 年 [μm] 0.8 0 0. 0. 0. 0 90 960 970 980 990 000 00 西暦年 IC LSI VLSI / ULSI 最小加工寸法 [nm] 欠陥起因の歩留まり 微細化 : 高性能化, 低消費電力化 + 歩留まり向上 Y = exp( DA) D: 欠陥密度 [ 個 /cm ], A: チップ面積 [cm ] チップを 倍製造するためにウエハを 倍にしたときと, チップを/にしたとき Y = exp( ) = 0.67 欠陥起因の歩留まり 微細化 : 高性能化, 低消費電力化 + 歩留まり向上 Y = exp( DA) D: 欠陥密度 [ 個 /cm ], A: チップ面積 [cm ] チップを 倍製造するためにウエハを 倍にしたときと, チップを/にしたとき Y = exp( ) = 0.67 基準 D A DA チッフ / ウエハ 歩留り 良品数 基準 D A DA チッフ / ウエハ 歩留り 良品数 個.4 倍 ウエハを 倍 ウエハを 倍 76 個 7 チッフ を / Y = exp( 0.) = 0.8 8 チッフ を / 0. 0. 76 8% Y = exp( 0.) = 0.8 6 個.9 倍
歩留まり計算 パターンの成膜 転写 エッチング 微細化は, チッフ 数, 歩留まりが両方改善する チッフ 価格を下げることができる シリコンウェハ 成膜工程 9 良品個数 =6 Y=/ =66% 寸法 0.7 倍 ( 面積 /) Y=6/76 =86% 良品個数 = 欠陥 ( おもに塵埃による ) ウェーハ口径.4 倍 ( 面積 倍 ) 歩留まりY Y=exp(-DA) D: 欠陥密度 A: チップ面積 Y=/76 = 良品個数 = 0 被加工膜 フォトレジスト膜 転写工程 光照射 光照射後に現像液に浸すと光照射部が溶解する ( ポジ型レジストの場合 ) レジスト膜塗布 光露光 エッチング工程 プラズマ照射 レジスト現像 反応性イオンエッチング レジスト膜除去 成膜工程 ( 酸化 ) 成膜工程 (CVD 法 ) ドライ酸化 : 酸化種が O ウエット酸化 : 酸化種が H O 酸化種 (O または H O) が表面に吸着し SiO 中を拡散 Si と SiO の界面で Si と酸化種の反応が進行し SiO を形成 % 4% O または H O 二酸化シリコン膜 CVD(Chemical Vapor Deposition) 法とは熱エネルギー等で, ウェハ上で化学反応を発生し薄膜を形成する方法 反応ガスを, ヒーターにより加熱されたウェーハ上に導入 下記は,Si ウェハ上に形成したシリコン酸化膜上にポリシリコン膜を形成する場合の例 SiH 4 はシランと呼ばれる, 非常に活性な気体であり, シリコン酸化膜上で H を脱離して, ポリシリコン膜が堆積される ポリシリコン以外にも, 使用するガス種を変更することにより,SiO, SiN, TiN,W など様々な薄膜の形成が可能 SiH 4 H SiH 4 Si + H SiH Si 4 Si 膜 H Si + O SiO Si + H O SiO + H Si ウェハ SiO 膜 ヒーター 成膜工程 ( スパッタリング法 ) ウエハをはさんだ 枚の電極間に Ar ガスを導入し, 高周波電力でプラズマを発生する プラズマ中の Ar イオンが形成したい成膜材料 ( ターゲット ) を取り付けた電極にエネルギーを持ってぶつかり, ターゲット中の成膜材料をたたき出す.( スパッタリング ) たたき出された成膜材料は 上に堆積される 主として,Al 配線膜などの形成に用いられる 高周波電力 転写工程 ( レジスト塗布 ) Si ウェハを回転可能な治具に真空チャックする. レジスト溶液を滴下する. 高速回転 (000~000 回転 / 分 ) し均一な膜を得る. 基板温度を上げたプレート ( ホットプレート ) 上で 80 ~0 に加熱しレジスト溶媒を蒸発させ乾燥させる. Ar ガス Ar イオン 電極 Arイオン Al 膜 電極 Al ターゲット SiO 膜 真空チャンバ 4 高速回転 (a) 回転塗布 レジスト材料 ( 液体 ) (b) 乾燥 レジスト膜 ヒーター 4
転写工程 ( 光露光 ) 転写工程 ( レジストの化学反応と現像 ) ( レチクル ) 上のパターンは/4~/に縮小されてSiウェハ上に転写される. 光で転写できる解像度は次式のように示される. 解像度 λ/n.a. (λは光源の波長,n.a. は投影レンズの開口数 ) 光源 ( 波長 λ) ポジ型レジスト : 光を照射した部分が現像液に可溶化 ネガ型レジスト : 光を照射した部分が現像液に不溶化 (b) の光反応は,g 線 (46nm) または i 線 (6nm) でよく使われている, ポジ型のレジストの例 最近使用されている KrF(48nm)/ArF(9nm) エキシマレーザでは違う反応が使用されている. 光照射部のみ化学反応が生じる コンデンサレンズ レチクル 投影レンズ ( 開口数 N.A.) ステージを少しずつ動かして つのウエハで数十回露光ステージ /4~/ 6 低速回転 (a) 現像 アルカリ現像液 O N 光照射 SO OR SO OR ナフトキノンジアジド系化合物 ( アルカリ不溶性 ) 可溶性 ) (b) レジスト化学反応 インデンカルボン酸化合物 ( アルカリ COOH