TÜMLEŞİK DEVRE YAPIM YÖNTEMLERİ

UDK: 621.382

SÜLEYMAN PENBECI

ÖZET

Bu bildiride maske yapımından paketlemeye kadar bütün tümleşik devre yapım yöntemleri üzerinde özet bilgi verilmektedir.

SUMMARY in this paper, a summary of fabrication tedınigues of integrated circuits from art work to packaging is given.

1. GÎRÎŞ

Tümleşik devrelerin elektronik endüstrisindeki payı gün geçtikçe artmaktadır. Uzun süre yalnız ca doğrusal olmayan devreler için kullanılan bu öğeler yavaş yavaş doğrusal devreler için de uy gulama alanı bulmaktadır.

1950 1960 döneminde nasıl tranzistor elektronik lambaların yerini aldıysa bugün de tümleşik dev reler tranzistorun yerini almaktadır. Yalnız bu rada bir farklılık vardır. Birinci durumda etken bir devre öğesi olan tranzistor yine etken bir devre öğesi olan lambanın yerini alıyordu. Oysa ki şimdi tümleşik devre yalnızca tranzistorun de ğil onunla beraber diğer edilgen öğelerle birlik te devrenin tümünün ya da büyük bir kısmının ye rini almaktadır.

Bu durumda yakın bir gelecekte elektronik mühendi sinin işi yalnızca tasarladığı devrenin şemasını yapmakla bitmeyecek,kendisinden tümleşik devre ya pımcısının kullanacağı maske şemaları ve yapım yön temlerine ait belirtimler de istenecektir. Bu ge reksinmeyi duyan birçok üniversitede bugün bir tüm leşik devre laboratuvarı bulunmakta ve öğrencilere bu alanda ayrıntılı bilgi ve beceri verilmektedir.

Süleyman Penbeci, Y.Prof.Dr., ODTÜ

i, âmiik kmm

Tümleşik devre yapımında kullanılan temel madde yarı iletkenlik özelliği gösteren silisyumdur. Aynı özelliği gösteren öteki maddelere (örneğin germanyum'a) göre silisyumun üstünlüğü, oksiti nin, yayılma (difüsyon) işlemi sırasında, ikin cil maddelerin yayılmasına karşı bir engelleyi ci ödevini görmesidir.

Yapımında ilk evre uygun büyüklükte silisyum bil lurunun elde edildiği billur büyütme evresidir. Bu evre sonunda genellikle 2,5 5 cm çapında 40 50 cm boyunda bir silindir çubuk biçiminde elde edi len silisyum billuru 0,25 mm kalınlıkta dilimle nir ve bu dilimlerin yüzleri zımparalanır ve par latılır. Ayrıca oksitleme, yayılma gibi işlemler den önce kimyasal yolla temizlenir. Büyütme işle mi sırasında p türü (bor, galyum vb.) ya da n tü rü (fosfor, arsenik vb.) ikincil maddeler de ek lenerek sırasıyla p türü ya da n türü billur el de edilebilir.

Yapımında ikinci işlem yayılmadır. Burada bir p n (n p) eklemi oluşturmak için p türü (n türü) temel madde billuru içinde belli bir derinliğe kadar n türü (p türü) ikincil maddenin yayılma sı sağlanır.

sio 2 n TÜRÛ SİLİSY UM

IŞIK DİRENCİ KATMANI Sİ 02 Sİ

IŞIK DİRENCİ IŞIĞA TUTULUP BANY O EDİ LDİ KTEN SONRA

J22Z2Z

S İ 0 2 HF ERİĞİ İ LE GİDERİLDİKTEN SONRA

IŞI&A TUTULMUŞ IŞIK DİRENCİ GİDERİLDİKTEN SONRA p TÜ RÜ Y AY ILMIŞ BÖLGE n TÜRÜ SİLİSY UM

Şekil 1. Işık basım 174

Yalnız p n ekleminin billur dilimi yüzünde ancak be lirli alanlarda gerçekleştirilmesi gerektiğinden, diğer alanlarda ikincil maddelerin yayılmasına en gel olunmalıdır. Bu nedenle billur dilimin yüzü be lirli kalınlıkta oksitle (SiO ) kaplanır. Buna ok sitleme evresi diyeceğiz. Daha sonra Şekil l'de gösterilen ışık basım (fotolitografi) yöntemi ile p n ekleniminin yapılmasının istenmediği alanlar asit geçirmeyen bir madde ile kaplanır ve dilim su landırılmış hidrofluorik asite batırılarak p n ek leminin yapılacağı alanlarda oksit katmanı gideri lir. Yayılma evresinde ikincil madde oksit katmanın da açılan bu deliklerden billurun içine yayılır, p n eklemi elde etmenin ikinci bir yolu da Bölüm 2' de açıklanan epitaksiyel büyüme yöntemidir.

Devre öğelerinin türlerine göre p n eklemi yapım işlemi bir kaç kez yinelenir. Örneğin içinde p n p ve n p n türü tranzistor bulunan bir tümleşik dev re için üç kez bu işlemin yapılması gereklidir. Şekil 2'de n p n iki kutuplu eklem tranzistoru ve p türü metal oksit silisyum tranzistoru için bu işlemler sırasıyla gösterilmiştir. Bunlardan son ra maden kaplama evresinde, değme noktalarının bu lunduğu alanlardan oksit katmanı ışık basım yönte mi ile yukarda anlatıldığı gibi kaldırılır ve si lisyum diliminin tüm yüzü madenle (genellikle alü minyum) kaplanır. Bağlantı örüntüsü içinde kalan alanlar yine ışık basım yöntemi asit geçirmeyen bir madde ile kaplanır. Diğer yerlerden metal a sitle eritilerek bağlantı örüntüsü elde edilir. Daha sonra paketleme evresinde silisyum dilimi elmas uçlu çizicilerle kesilerek her biri bir tümleşik devreyi veren parçalara bölünür ve her bir parça bir tümleşik devre kapçığına yerleşti rilir. Bağlama örüntü uçları kapçık uçlarına in ce altın tellerle bağlanır ve kapçık kapağı yapış tırılır. Aşağıdaki bölümlerde bütün bu yapım ev releri sırasıyla ve ayrıntılı olarak verilecektir.

2. BİLLUR BÜYÜTME

Temel madde billurunu elde etmek için çoğunlukla kullanılan iki yöntem Czochralski ve bölgesel b i l lurlaştırma yöntemleridir. Bundan başka epitaksi yel büyütme olarak adlandırdığımız ve bir b i l l u r dilimi üzerinde billur büyütme işlemi de vardır. Yalnız bu son yöntemde erek temel madde yapımı de ğil, p türü (n türü) bir billur dilimi üzerinde çok ince n türü (p türü) bir katman oluşturarak keskin kesimli bir p n (n p) eklemi elde etmektir.

2.1.Czochralski Yöntemi

Bu yöntem için kullanılan düzen Şekil 3'de gös terilmiştir. Burada etkin bir gaz olmıyan argon ortamı içinde yüksek frekans endüksiyon ısıtması yöntemi ile yalnız grafit kap içindeki silisyum ısıtılarak eriyik durumunda tutulmaktadır. İşle min başında ekseni etrafında çok yavaş dönen dü şey bir çubuğun ucunda tutturulmuş çekirdek si lisyum billurunun ucu eriyiğe sokulur. Sonra ya vaş yavaş yukarıya doğru çekilir. Donan eriyik çekirdek billurunu devam ettirir. Çekirdeğin dön

n p n İKİ KUTUPLU EKLEM TRANZİSTORU

TÜMLEŞİK DEVRE p TÜRÜ METAL OKSİT SİLİSY UM TRANZİSTORU

TEMEL

MADDE

EPİTAKSİ

N (DEĞİŞİKLİK Y OK)

V////////////////—/SSIZO72 /.

H.K OKSİTLEME

VX 1///////////A Z7?.

'////. N

VA

JR

Y ALITIM Y AY ILMASI

V///A T771

N (DEĞİŞİKLİK TOK]

TABAN Y ADA KAY NAK, AKAÇ

Y AY ILMASI

r////>rrrT/7?

V1

A/ u r~CB

\/N

P

Y AY ICI VAY LMASI

Y ADA OEÇIT OKSİTLENMESİ

TEMEL MAOOEC B E

»\\ 1/

"

OEÖME

J\/"

NOKTALARI

ACIMI VE

METAL KAPLAMA p

) DÖNDÜRME BİLLUR

SOÖUK KUWXRS TÜP

Y ÜKSEK FREKANS ENDÜKSİY ON SARGISI

ERGİTİLMİŞ StLtSY UH

ORAFİT KAP

Şekil 3. Czochralski billur büyütme aygıtı me ve yukarıya doğru çekilme hızına, eriyiğin sı caklığına bağlı olarak belirli çapta bir silin dir biçiminde billur çubuk elde edilir.

2.2.Bölgesel Billurlaştırma

Bu yöntemde Şekil 4'de gösterildiği üzere silin dir biçimindeki çok billurlu silisyum bir çubuk her iki ucundan tutturulur. Bir yüksek frekans ısıtıcısı çubuğun bir ucunda dar bir bölgeyi ısı tarak ergitir. Daha sonra ısıtma kaynağı öbür uca doğru yavaş yavaş kaydırılarak ergimiş bölgenin de hareketi sağlanır. Geride kalan silisyum bir billurlu olarak donar. Isı kaynağı çubuğun diğer ucuna vardığında tüm çubuk bir billurlu duruma gelir.

KUW RS TOP /

OİOİS

YÖNÜ

/ S**8

AKOON

[^ERSSİ

—y i

COKBİUURLU Sİ

•IRBUURCUP —I S I T »

Sİ

ARGON

Şekil 2. Tümleşik devre yapım sırası Elektrik Mühendisliği 220

Şekil 4. Bölgesel billurlaştırma 175

mam

«•••.»•

»ı— —J

• •UMAR

'«

«IMM I * /

0 000 0

\

o \p lo/ 0

i k i n t M OİÜMLf

Şekil 6. Oksitleme

Şekil 5. Epitaksiyel reaktör

2.3. Epitaksiyel Büyütme

Bu yöntemde bir billurlu silisyum dilimi Şekil 5'de gösterilen epitaksiyel reaktörün içinde gra fit bir taşıyıcının üzerine konur. Yüksek frekans ısıtıcısı ile genellikle 1200 1300 °C'a kadar ı sıtılır. Bu sırada üzerinden hidrojenle birlikte silisyum tetraklörür buharları geçirilir. Bu bu harlar silisyum dilimleri üzerinden geçerken yük sek sıcaklıkta birbirleriyle aşağıdaki kimyasal olaya girerler.

SiCİ,, + 2H «• Si(katı) + 4HC1 2

(D

Kimyasal olayda açığa çıkan silisyum dilimlerin üzerinde yoğunlaşır ve bir billur biçimde büyüme yi sağlar. Reaktörün diğer yerleri soğuk olduğu için buralarda silisyum yoğunlaşması görülmez. Bu arada reaktöre giren gazlara B2H6 ya da PH3 gibi ikincil maddeleri içeren gazlar da ilave e dilerek yeni oluşan katmanın istenen türde olma sı sağlanır. Yalnız burada dikkat edilecek bir nokta vardır. Yukardaki kimyasal olay iki yönlü dür. Hidroklorik asit bu sıcaklıkta silisyuma te s i r ederek onu SiCU'e dönüştürebilir. Ayrıca

Si + SiClı, s» 2SİCİ2

(2)

leme dediğimiz

Si + 0 •*

(3)

kimyasal olayıdır. Bu yolla örneğin 1200 C sıcak 'lıkta 1 saatlik bir süre sonunda 0,2 pm kalınlı ğında bir oksit katmanı oluşur. İkinci yöntem nem li oksitleme dediğimiz

Si + 2H 0 + SiO + 2H

(4)

olayıdır. Bu yolla yukardaki koşullarda (1200 C sıcaklıkta 1 saat süre) 0,8 ym, kuru oksitlemenin dört katı bir kalınlıkta bir oksit tabakası elde edilir. Yalnız nemli oksitleme sırasında burada ayrıntılarına girmiyeceğimiz silisyum hidroksit grupları da oluşur ve oksit katmanının yoğunluğu nu azaltır. Bu nedenle oksit yapımında kısa bir süre kuru oksitleme, sonra nemli oksitleme ve da ha sonra yine bir kuru oksitleme programı uygula nır.

4. MASKE YAPIMI

Tümleşik devre öğelerinin elektriksel özellikle ri bu öğelerin boyutlarıyla yakından ilgilidir. Örneğin çıkış katında kullanılacak bir güç tran zistorunun boyutlarına göre yüksek frekansta ça lışacak hızlı bir tranzistorun boyutları çok kü çük olacaktır. Bu boyutların en alt kısıtını mas ke yapımındaki inilebilecek en küçük toleranslar

olayı da olabilir. Bu nedenle uygun koşullar sağ lanmadığında bir büyüme yerine bir azalma görüle bilir. Ayrıca bir billur şeklinin devamı da or tamdaki SİC1 yoğunluğu ve sıcaklık gibi koşulla

H ra bağlıdır. Gerçekte büyüme ve azalma aynı anda devam eder ve uygun koşullarda saniyede bir mik ronluk bir büyüme sağlanabilir. S i C U yerine SiH., ün kullanılmasıyla daha hızlı bir büyüme sağlana bilir.

3. OKSİTLEME Silisyum dioksitin bor ve fosforun yayılmasına karşı engellemesi silisyuma göre 10" aşamasında daha fazladır. Bu yüzden iyi bir engelleyici ola rak tümleşik devre yapımında kullanılmaktadır.^ Şekil 6'da bir oksitleme fırını gösterilmektedir. SiO iki yolla elde edilir. Birincisi kuru oksit

bl İKİNCİ KÜCÛ.tMf

Şekil 7. Maske yapımı Elektrik Mühendisliği 220

saptar. Genellikle maske çizimleri maskenin 400 katı büyüklükte yapılır. Bu durumda çizim ek ay gıtlar kullanılmadan elle yapılabilir. Çizim i çin biri kırmızı turuncu renkli diğeri saydam ol mak üzere iki katmanlı genellikle 50 cmx50 cm bo yutunda plastik yaprak kullanılır. Yayılmanın ya pılacağı alanlar dışında renkli yumuşak katman kesilerek çıkarılır. Elde edilen çizim Şekil 7'de görüldüğü üzere 20 kat küçültülerek 10 cmxl5 cm boyutundaki fotoğraf camı üzerine çekilir. Yal nız resim çekme işlemi 12 defa tekrarlanarak her sırada 4 resimden oluşan 3 sıra resim elde edi lir. "Adım Yineleme" yöntemi diyeceğimiz bu yön temde resimlerin yerlerinin ve konumlarının bü yük bir duyarlılıkla saptanması gerekir. Daha sonra ikinci bir 20 kat küçültme ile 5 cmx5 cm lik son maske elde edilir.

5. IŞIKBASIM

Oksitlemeden sonra silisyum diliminin yüzü, ışı ğa karşı gelince polimerize olup asit geçirmiyen sağlam bir doku oluşturan ışık direnci (fotore sist) maddesi kullanılır. Koyu bir sıvı olan bu madde bir eğirmen (spinner) üzerine konulmuş ve bir hava emici ile yerinde tutulan silisyum dili mi üzerine damlatılır ve eğirmen 5000 d/d hızla döndürülür. Böylece gayet ince düzgün bir ışık direnci katmanı dilimin üzerine yayılır. Bu kat manın kalınlığı eğirmenin hızına bağlıdır. Silis yum dilimi sonradan 35 75 C'lik bir fırına kona rak 10 15 dakika kurutulur. Önceden hazırlanmış ilgili maske kuru ışık direnci katmanının üzerine konur ve civa buharlı lamba ışığına on saniye tu tulur. Banyo eriyiğinde banyo edilir. 35 75 C'da 15 20 dakika kurutulur. Mikroskopla görüntü ince lenir ve 5/1 oranında damıtılmış su/hidrofluorik asit eriyiğine batırılır. 15 20 saniye bekletile rek oksit tabakası, ışık direnci maddesi olmıyan yerlerde giderilir. Daha sonra ışık direnci sül fürik asit içinde kaynatılarak giderilir.

6. YAYILMA

Yayılma işlemi Şekil 8'de gösterilen kuvars tüp fırında yapılır. Bu amaçla silisyum dilimler ya şekilde görüldüğü gibi yatay olarak, ya da taşı

yıcı üzerindeki girintilere sokularak düşey bir

durumda fırına sokulur. Azot gazı ile birlikte

yayılmanın türüne göre PH , B H ya da başka i

kincil madde gazları (ya da buharları) yüksek sı

caklıkta dilimlerin üzerinden geçirilir. Silisyum

yüzeyinden içeri girebilen ikincil madde yoğunlu

ğu, ikincil maddenin silisyum içindeki katı eri

yebilirlilik katsayısına ve sıcaklığa bağlıdır.

Bu nedenle genellikle dilimlerin üzerinden geçen

gazda bu katı eriyebilirlilik katsayısının gerek

tirdiği yoğunluğun üstünde bir yoğunlukta ikin

cil madde bulundurulur. Bu durumda silisyum için

deki yayılma, değişmez kaynaklı yayılma koşulla

rını sağlamış olur ve bir boyutlu yayılma denklemi

N(x,t) = N erfc(x/2»/Dt) o

(5)

dır. Burada N yüzeydeki ikincil madde yoğunluğu, o

D sıcaklığa bağlı yayılma katsayısı, x yüzeyden başlayarak derinlik ve erfc tümler yanılgı işle vidir. Şekil 9.a'da değişmez bir D için değişik zamanlarda derinliğe göre ikincil madde yoğunlu ğu eğrisi verilmiştir. Bu eğride yoğunluğun de rinliğe göre değişimi çoktur. Bunu düzeltmek i çin, fırına giren ikincil madde kesilir ve si

t,<tj<t, alKÖİSMEZ KAYNAKLI YAYILMA (6n yayıtmal

Şekil 8. Yayılma fırını Elektrik Mühendisliği 220

b) DEĞİŞMEZ MADOE MİKTARLI YAYILMA liçint funn.)

Şekil 9. Yayılmada derinliğe göre yoğunluk eğrileri 177

lisyum dilimleri yüksek sıcaklıkta bir süre daha bırakılır. Bu durumda ikincil madde silisyum i çinde yayılmaya devam eder ve aynı zamanda yüzde ki yoğunluk da Şekil 9.b'de gösterildiği gibi a zalır. Böylece daha bir biçime yakın bir yoğunluk dağılması elde edilir. Yayılma işleminin değişmez kaynaklı ilk evresine "ön yayılma", kaynak olmadan ısıtılarak elde edilen ikinci evreye de "içine sürme" denir. İçine sürme evresinde silisyum i çindeki tüm ikincil maddenin yüzeyde toplandığını kabullenirsek

N(x,t) =

(x/2/DÖ2

(6)

/ÜDt

eşitliğini yazabiliriz. Burada Q önyayılma evre sinde dilime giren ikincil madde miktarıdır ve 5. eşitlikten

i

Q = 2N (D!tı/TT) o

(7)

bulunur. Burada Di ve ti ön yayılma katsayısı ve zamanıdır. En son yüzey direnci, yayılmadan önce ki ikincil madde yoğunluğu ve p n eklem derinliği bilindiğinde 5,6 ve 7. denklemlerden bir yayılma evresi tasarımlanabilir.

3. 6. bölümde anlatılanlar her p n eklemi için yinelenerek gerekli tümleşik devre öğeleri yapı lır. Her yayılma evresindeki içine sürme sıra sında dilim üzerinden oksijen ya da buhar geçi rilerek bir sonraki yayılma için oksit katmanı hazırlanır.

7. BAĞLAMA ÖRÜNTÜSÜ

Yayılmada olduğu gibi tümleşik devreye değme nok taları için bir maske hazırlanarak dilim üzerin de buralardaki oksit giderilir. Şekil 10'da gös

HAVA •OtM.TMA POMPASI

Şekil 10. Metal kaplama

, ELMAS UÇLU çizici

•

DDCK,

^ ^ | TÜMLEŞİK

& ' O SİLİSYUM O o

a ÇİZME

b PARÇALAMA

ALTIN TEL

^UC /

^CAM Y AUTKAN

TÜMLEŞİK DEVREY İ

KEREN SİLİSY UM PARÇASI

.MADEN r İT] " c.

Şekil 11. Kesme ve paketleme terilen metal kaplama aygıtına konur. Tungsten ısıtıcı içine kaplanacak maden (genellikle alü minyum) konur. Cam varı yuvarlak içindeki hava emilerek basınç 1 0 ~ " At aşamasına indirilir. Tungsten ısıtıcıya akım verilerek alüminyumun buharlaştırılarak soğuk silisyumun üzerini son derece düzgün bir şekilde örtmesi sağlanır. Bun dan sonra bağlantı örüntüsü maskesi kullanılarak, bağlantıların bulunduğu yerlerde ışık direnci maddesi ışığa tutulur. Banyodan sonra istenmiyen yerlerdeki metal, silisyum diliminin alüminyum eritici bir asite batırılmasıyla giderilir.

8. KESME ve PAKETLEME

Birden fazla tümleşik devreyi veren silisyum di lim Şekil ll.a'da görüldüğü gibi elmas uçla çi zilir. Şekil lO.b'de görüldüğü üzere parçalanır. Şekil lO.c'de görüldüğü üzere iletken bir yapış tırıcı ile tümleşik devre kapçığının metal dibi ne yapıştırılır. Bağlantı örüntüsünün uçları, kapçık uçlarına ince altın tellerle bağlanır. Kapçığın kapağı yapıştırılarak tümleşik devre dış ortamın etkilerinden korunur.

KAYNAKLAR•

Grove A.S., Physics and Technology of Semicon ductor Devices, John Wiley, 1967

Ghandhi S.K., The Theory and Practice of Microe lectronics, John Vliley, 1968