Hur gjorde man förr? Vakuumröret/elektronröret uppfanns av Lee de Forest 1906 Började användas i telefonsystem 1915 Omkring 1935 hade livslängden ökat.

En presentation över ämnet: "Hur gjorde man förr? Vakuumröret/elektronröret uppfanns av Lee de Forest 1906 Började användas i telefonsystem 1915 Omkring 1935 hade livslängden ökat."— Presentationens avskrift:

1 Hur gjorde man förr? Vakuumröret/elektronröret uppfanns av Lee de Forest 1906 Började användas i telefonsystem 1915 Omkring 1935 hade livslängden ökat till 10 år, och effektförbrukning minskat med en faktor 10. 1931 fanns det sändarrör för 500kW effekt. Ett av de första vakuumrören som uppfanns av Harold D. Arnold. Bild: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn. Amir Baranzahi VT 2004

2 Hur gjorde man förr? http://www.samlaren.org/radioror/
Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn. Amir Baranzahi VT 2004

3 Hur gjorde man förr? ENIAC datorn från mitten av 40 talet.
17468 elektronrör, c:a 160 m2 yta, 174 kW, felfri operation cirka 5,6 timme i snitt Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

4 Halvledarhistoria 1600: William Gilbert använder uttrycket Elektricitet 1824: J. Jacob Berzelius, Upptäcker och extraherar kisel 1833: Michael Faraday upptäcker att resistiviteten i silversulfid minskar med ökad temperatur. Detta är den första undersökning i halvledare. 1873:William Smith upptäcker fotokonduktiviteten i Selen, Se. En modern kopierings maskin utnyttjar denna egenskap. 1897: J.J. Thomson upptäcker elektronen. 1906: L. De Forest uppfinner vakuumrör trioden. 1920’s: kvantmekanik, Schrödinger, Heisenberg, Sommerfeld ,Bloch med flera. Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

5 Halvledarhistoria forts.
1926: Lilienfeld, FET koncept. 1930’s: Sommerfeld och Bloch, kvantmekanik av fasta material. 1940: Ohl identifierar n- och p-kisel, visar EMF i p-n övergången. 1940’s: Intresse för HF detektorer i radar sammanhang. 1943: Karl Lark-Horovitz Ge-diod detektorer, användes av de allierades bombplan över Tyskland. 1945: Bell lab. återupptar forskningen inom fasta tillståndets fysik som var nedlagt under kriget. 1947: Bardeen ”FET fungerar inte p.g.a. yttillstånd”. 1947: 16 Dec.: Transistoreffekten upptäcks av Bardeen och Brattain. Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

6 Halvledarhistoria forts.
1947: 24 dec: Transistorn visas för högsta ledning i Bell labs. 1948: 30 Juni: Bell offentliggör transistorns uppfinning. Halvledarindustrins födelse. 1956: Schockley, Brattain och Bardeen (Bell Labs) belönas med Nobels Fysik Pris. 1959: Atalla och Kahang (Bell Labs) tillverkar första MOS transistorn. 1959: Robert Noyce, Grundare av Intel utvecklar en planar process, Monolithic IC Technology. 1962: W.P. Dumke visar att det går att göra laserar av halvledare som GaAs. Optoelektronikens födelse. Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

7 Halvledarhistoria forts.
1970: CCD’s, Charged Coupled Devices är tillverkad, otroligt ökning av minnes kapacitet på kisel. 1980’s: Revolutionerande användning av datorn. 1993: GaN, blåa lysdioder. Den Integrerade kretsen, IC 1957: Noyce, Moore et al. Från Fairchild Semiconductors 1958: Kilby (TI) utvecklar första IC, mesa och diskret trådbondning. 1959: Hoerni (Fairchild) utvecklar Planar process transistorn. 1959: Noyce (Fairchild) deponerad metall-bondning. Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

8 Första transistorn 1947 (Bell Labs)
basmetall plastkil John Bardeen, William Shockley och Walter Brattain (Nobelpris i fysik 1956) n-dopad Ge Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

9 Tidiga kapslade transistorer
Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

10 Första masstillverkade produkten
Transistorradion ”Regency TR1” från Texas Instrument, 1954 Mått: 5 x 3 x 1 1/4 inches Antal Transistorer: 4 Pris:$49.95 Källa: TI (Texas Instruments) Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

11 Användning av Transistorn
”The only regret I have about the transistor is its use in Rock and Roll” (W. Brattain) Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

12 Integrerade kretsen, ”Kilby(Texas) vs. Noyce (Fairchild)”
Fairchild IC, 1961, Killbys trådbondat IC, 1958 Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

13 Integrerade kretsen, ”Kilby(Texas) vs. Noyce (Fairchild)”
K. wirebonding, mesa isolation (1959) F. vann patentstrid, men F. och T. hade redan kommit överens om kors-licensering. Noyce en av tre grundare av Intel. Källa: US patent Office Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

14 Kunde man göra IC som fungerade?
Y=yield= andelen fungerande enheter (IC) Sannolikheten att en enhet fungerar felfritt, p beror på antalet transistorer och chansen att var och av dessa fungerar,Y p(Y, antal transistorer)=Yantal transistorer P(50%, 1)=50% P(50%, 2)=25% P(50%, 4)=6,25% P(50%, 8)=0,4% P(50%, 16)=0,001% P(95%, 1)=95% P(95%, 2)=90% P(95%, 4)=81,5% P(95%, 8)=66% P(95%, 16)=44% P(95%, 32)=19,4% P(99,99%, 1)=99,99% P(99,99%, 100)=99% P(99,99%, 1000)=90,4% P(99,99%, 10000)=36,8% P(99,99%, )=0,004% Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

15 Kunde man göra IC som fungerade?
Men defekta transistorer gjorda på samma skiva är inte slumpmässig utan beror på Dn= tätheten av antalet kritiska defekter per cm2 A= chip-yta p=Y(Dn, A) oberoende av antal transistor/chip Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

16 Moores lag Antalet funktioner per chip dubbleras under 1,5-2 år(även MPU prestanda dubbleras under 1,5-2 år) Källa: Gordon Moore, En av grundarna av INTEL Källa:Intel Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

17 Lite Fakta (1998) 200 quadrillion transistorer i olika produkter i hela världen (1998) 300,000,000 transistorer/chip (0,0011öre st, cirka 1000 st/krona) Varje sekund tillverkas 3,000,000,000 transistorer eller 40,000/perosn per dag i hela världen Hur mycket är en kvadrillion? 10 15 (US) 10 24 (GB) One Quadrillion Pennies eller mera exakt 1,000,067,088,384,000 Källa2-: Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

18 IC-Utvecklingen: Pris, Prestanda
Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

19 Kan den exponentiella utvecklingen fortsätta i all evighet?
Chipkapaciteten ökar 60% år Datakraften ökar med 25% år kostnader /funktion minskar med 30% år Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

20 Förädlingsvärde x 107 Sand=$ 0.03/kg Bare wafer =$ 1200/kg processed wafer =$ 12000/kg Chip=$ 100,000/kg Packged IC =$ 300,000/kg Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

21 MOS Transistorskalningseffekt
Minska transistordimensionen med k Minska spänning med k, öka dopningen med k kretsyta minskar med 1/k2 Hastighet ökar med k strömförbrukning minskar till 1/k effektförbrukning minskar till 1/k2 Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

22 IC-Utvecklingen Källa:http://cm.bell-labs.com/world-of-science
Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

23 Finns det någon gräns för Moore’s lag?
Fysik Fundamentala: utbredningshastigheten, termisk brus, effekt förbrukning Praktiska: av/på förhållandet, tunnling, RC fördröjning, statistik Ekonomi Tillverkningskostnad, tillverkningsprocesser, design resurser Komplexitet: Idag 1 M-gate= tillstånd Tillämning: Vad gör du med dina 40,000 transistorer varje dag Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

24 Dataquests rankningslista
Källa:Dataquest Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

25 Introduktion IC tillverkning
Tillverkning av en IC-komponent är en komplex process och innefattar 100 tals process-steg.Processen tar, från några dagar till flera månader att slutföra. Processen är ett precisionsarbete och kräver ständigt övervakning och test och allt detta i mycket ren miljö. Källa: IBM; Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

26 Process-steg De vanligaste process-stegen är att
mönstra och deponera isolatorer (oxider och nitrider), metallskikt, implantering av dopämnen för att konvertera kisel till positiv (p-typ) eller negativ (n-typ) ledare samt värmebehandling för att reparera skador som orsakas av en del av process-stegen. Bild från Bell Lab Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

27 Filmdeponering och mönstring
Bild från Bell-Lab Fotoresist Kiselnitrid SiO2, tunn deponerad Si Mönstret från fotoresisten kan överföras till kislet för olika syfte. Nitrid som inte är skyddad av FR kan etsas bort. Områden som inte är skyddade av Nitrid kan jonimplanteras/oxideras ytterligare. Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

28 Kiseloxidering För att isolera olika delar av en komponent/komponenter oxideras kislet i vattenånga/torr syrgas och högtemperatur ( ºC). I området som är skyddat av nitrid växer ingen oxid. Detta område blir det aktiva området för transistorn. Källa:Bell-Lab (bild till vänster) Källa: IBM; Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

29 Oxidering Källa:Bell-Lab (bild till vänster) Källa: IBM; Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

30 Jonimplantering Det neutrala kislet omvandlas till positiv (p-Typ) eller negativ (n-typ) ledare genom att implantera dopämnen. Dopatomerna joniseras och accelereras i ett elektromagnetiskt fält. När de träffar kiselytan tränger dem in i kislet. Områden som är skyddade (av nitrid) blir inte dopade. De elektriska egenskaperna av kislet bestäms av koncentrationen av dopämnen i varje punkt i kislet. Källa: IBM; Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

31 Jonimplantering Jonimplantering, skiss och maskin, den blåa visar jonernas färdväg Källa: IBM; Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

32 Metallisering När transistorerna är färdig processade
i kislet kontakteras dem med varandra med deponerad metallskikt. Först läggs en isoleringsskikt av kiseldioxid på kislet sedan etsas hål i kiseldioxid (där metallen ska komma i kontakt med kislet) sedan deponeras metallen. Olika metall-deponeringstekniker: Förångning, Sputtring, Plätering. Källa: IBM; Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

33 Som att trycka böcker Att processa kisel är som att trycka böcker (i offset) i miniatyr därav mycket av terminologin har sin ursprung, litografi, fotoresist,etsning etc. Källa: IBM; Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

34 Upprepa Oxidering, Litografi, etsning, och jonimplantering processerna upprepas många gånger tills kislet är färdig processat till färdig komponent. Källa: IBM; Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

35 Som en motorväg i miniatyr
När Kislet är processad och de enskilda transistorer och andra komponenter är klara ska dessa förbindas med varandra. Detta sker med deponering av metall och polykisel ledare. Det är flera Lager av ledare som ska förbinda miljoner transistorer. ( bilden illustrerar en 6 lager ledarskikt på en IBM komponent). När detta är gjord ska chippet skyddas mot fukt och annan miljöpåverkan genom ett skyddslager av polykisel. De olika färgerna i skissen är för olika ledare som används Topplager: Al, Cu; Barriärmetaller: TiN, Silicider: MoSi2, TiSi2, WSi2 . Källa: IBM; Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

36 Flera metallager Cu: lägre resistans, men kräver annan tillverkningsteknik än traditionell teknik med ledare i Al. Bild från IBM Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

37 Testa Efter varje större process ska kiselskivan testas och när skivan är färdig processad ska alla komponenter testas. De som inte klarar testen markeras och resten kapslas. På en skiva som är gjorts till minneskretsar finns det flera minnes element än världens befolkning. Testet måste vara så bra att ingen felaktig komponent slipper igenom. Källa: IBM; Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

38 Kapsling Källa: Sharp Semiconductor
Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

39 Kapsling Källa: Sharp Semiconductor
Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

40 Renare än ren En enda rökpartikel räcker att förstöra en chip. Partikel täthet, temperatur, luftfuktighet i fabriken ska kontrolleras noggrant. Tillverkningsmiljön är minst 1000 gånger renare än en operationssal på sjukhus. Källa: IBM; Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

41 Renrumskrav (minimiljö: skivorna befinner sig hela tiden i en extra ren miljö skiljd från operatörer.) Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

42 Definition av renrumsklasser
Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

43 partikelkoncentration i renrum
Generellt: Partikelkoncentration S.M. SZE, Semiconductor Devices, Pg. 430) Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

44 Exempel på ytterligare renrumskrav
Renhet: mindre än 1 partikel av>0,12 mm Temperatur: 22 °C±0,5 °C (± 0,1 °C i litografi) Luftfuktighet: 43% ±5% (±2% i litografi) Positivt tryck: > 30 Pa Luftkvalitet (ppb): SO2 < 0,5,.... Vibrationer (8-100 Hz): < 3 mm/s Jordning. Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

45 Kiselsmedjor (foundries)
Många halvledarföretag saknar egen tillverkning Nya fabbar blir allt dyrare De tre största kiselsmedjorna: TSMC och UMC i Taiwan, samt Chartered i Singapore Även en del halvledarföretag säljer tillverkningskapacitet, t ex IBM Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

46 Kiselsmedjor (foundries)
Källa: Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

47 De viktigaste processtegen
Si Termisk oxid 2. Maskning Glasmask med krom mönster Fotokänslig resist 1. Oxidering As- 3. Etsning metall 4. Implantering 5. Indrivning 6. Deponering Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

48 Våtets resp. torrets Lager som skall etsas (t ex SiO2)
mask (Si3N4, resist,…) Isotropisk våtets med HF Anisotropisk torrets med plasma Selektivitet: skillnaden i etshastighet mellan två material Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

49 Från blank skiva till skivmätning
från förråd Front end-processing, tiotal masksteg, dopningar formar transistorer Back end-processing, ledningsmönster, passivering Skivmätning, alla chip mäts, underkända bläckas Provkretsmätning, dåliga skivor kasseras Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

50 Kapsling Obläckade chips plockas för montering Sågning längs ritsgator
Slutmätning, sedan till lager eller kund Färdiga komponenter, ingjutning i plast Limning och bondning av chips Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

51 Vad kan finnas på en provkrets?
Diskreta transistorer och motstånd tröskelspänning, on-resistans, motståndsvärden,... Kelvin-strukturer ytresistiviteter, t ex för deponerat poly-Si Kontakthålskedjor hög kontaktresistans? Långa metallslingor avbrott eller kortslutning i ledningsmönster? SRP-ytor större slip-ytor för mätning av dopprofiler Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

52 Olika livstidsproblem
Metalledare elektromigration aktiveringsenergi: 0.45 eV design: J<106 A/cm2 högre J med lite (<5%) Cu eller Si korrosion aktiveringsenergi: eV Gateoxid hot electron injection ändrar tröskelspänningen ESD (ElectroStatic Discharge) Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

53 Ytterligare källor C. Y. Chang and S. M. Sze, “ULSI Technology”, McGraw-Hill Inc., 1996. S. M. Sze, “VLSI Technology”, 2nd Edt., McGraw-Hill Inc., 1988. E. A. Amerasekera and D. S. Campbell, “Failure mechanisms in semiconductor devices”, J. Wiley & Sons, 1987. T. Johansson, “The transistor, with emphasis on its use for radio frequency telecommunication”, PhD Thesis, Linköping University, 1998. Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.

54 Nya möjligheter Föreställ er en liten maskin som inte är större än en pollen partikel med växlar och kuggjul. Föreställ er robotar som injiceras i tunna blodkärl för att öppnas stängda kärl! Spider mite with legs on a mirror drive assembly Källa: Sandia National Labs Amir Baranzahi VT 2004 Linköpingsuniversitet i samarbete med Linden Gymn.