A mikro- és nanoelektronikai K+F stratégiai jelentısége Nádudvari György Semilab Félvezetı Fizikai Laboratórium Zrt.
Semiconductor Physics Laboratory Co. Ltd.
1
A félvezetıipar 2009-ben Cég
Bevétel
Piaci rész
Nemzetiség
1.
Intel
32 MRD $
14.2 %
USA
2.
Samsung
17 MRD $
7.6 %
Dél-Korea
3.
Toshiba
10.6 MRD $
4.7 %
Japán
4.
Texas Instruments
9.6 MRD $
4.2 %
USA
5.
STMicroelectronics
8.4 MRD $
3.7 %
Francia-olasz
Régió
Bevétel
Piaci rész
1.
Amerika
123 MRD $
48.3 %
2.
Japán
62 MRD $
22.4 %
3.
Dél-Kelet Ázsia
43 MRD $
19.1 %
4.
EMEA
23 MRD $
10.2 %
A mikroelektronikai eszközök teljes piaca: körülbelül 250 MRD USD. Semiconductor Physics Laboratory Co. Ltd.
2
Európai lehetıségek a félvezetıiparban • Mikroelektronikai berendezés-gyártás: világszinten 25-30 MRD USD • Mérı- és gyártásellenırzı mőszerek gyártása: 3-4 MRD USD • Európai cégeknek lehetıség a piacra lépésre: – Kis tıkeberuházási igény (összevetve egy mikroelektronikai gyárral) – Lehetıség nagy hozzáadott érték megtermelésére – KKV-k is talpon tudnak maradni hosszú távon (a nagy szereplık számára gazdaságosan ki nem használható piaci rések betöltése révén)
Semiconductor Physics Laboratory Co. Ltd.
3
Európai lehetıségek a napelemiparban • Világpiaci szinten is jelentıs szereplı – Napelemipari termelésben – Napelem-felhasználásban (9 GWp beépített kapacitásból 4.5 GWp az EU-ban van)
• Európában jelenleg kb. 65 ezer munkahely, ez akár 200 ezerre növekedhet 2020-ra, világszinten 2 millió • Hazai hozzájárulás: – Méréstechnika – Gyártástechnika (vékonyréteg- és vákuumtechnológia) Semiconductor Physics Laboratory Co. Ltd.
4
Teendık • Piac-orientált, integrált K+F stratégia kidolgozása és megvalósítása európai szinten • Nemzeti stratégiák összehangolása az európai tervekkel • A sikerhez szükséges „kritikus méret” csak összeurópai léptékben érhetı el • Csatlakozás az európai platformokhoz, klaszterekhez, részvétel európai K+F projektekben (FP7 ICT, ENIAC, CATRENE) • Korszerő ismeretek bevezetése az oktatásba a megfelelı szakemberképzésért • „Agyvisszaszívás”, a korszerő ismeretekkel rendelkezı kutatók visszaszerzése, a munkájukhoz szükséges feltételek biztosítása
Semiconductor Physics Laboratory Co. Ltd.
5
A platform és a K+F stratégia szerepe Semiconductor Equipment Assessment for NanoElectronic Technologies (SEA-NET) Sub-Project: MetalMap and Lead-It for in-line & off-line Metrology MetalMap Ultimate Metal Contamination Mapper
Lead-It Low Energy and Dose Implant Test
• 100 - 300 mm and pieces of wafers • Various surface treatment chambers • SPV, µ-PCD & corona charge for fast, non-contact mapping of contamination • Partners: Fraunofer IISB, MEMC Italy
• JPV for fast, non-contact mapping of sheet resistance and implant dose • Monitoring of energy and dose variations • Ease of use and fully factory automation compliant • Partners: Fraunhofer IISB, ST Microelectronics
1
=
meas
τ
diff
=
τ
surf
=
τ
1
+
bulk
τ
d2
π 2 ⋅ D n, p d 2 ⋅S
diff
1 +
τ
Silicon wafer
surf
Current spreading
SPV Plot
D: dif fusion constant of minority carriers d: wafer thickness S: Surface recombination velocity
Φ( 2 ) ( 2) VSPV
V SPV
L [µm]
• VSPV~∆n, ∆n number of excess charge carriers • Measurements with different lasers → different penetration depths & intensities • Determination of Diffusion Length:
Fe-B dissociation with flash or laser light
Other contaminants
Diffusion length measurement: Laf ter
1 1 NFe = C ⋅ 2 − 2 L after Lbefore
0 0
500
Surface vs. volumetric concentration
R ∂ 2U ∂U +r − r 2 s + iωRsC d U + JΘ( r0 − r ) = 0 ∂r 2 ∂r Rd
• • • • • • •
No oxide layer
2500
3000
Correlation with 4PP
Sheet resistance versus implant energy on As implanted wafers with a dose of 3E13
1400
Oxide layer
9 00
80000
60000
40000
20000
Rs (whole wafer)
1200 1000 800 600 400 200 0
0 0E+00
2E+12
4E+12
6E+12
8E+12
40
1E+ 13
400
Dose [1/cm2]
4000
Implant energy (keV)
µPCD Lifetime average (µs) SP V Diffusio n le ngth average (µm)
8 00
o
JPV linescans 112 relative to the notch 750
7 00
As measured Edge corrected
730 5 00 4 00 3 00
1.00 E+10
2 00 1 00
1.00 E+09
Influence of different contaminants on lifetime and diffusion length: Fe has a large effect on both, Cu and Ni affect the lifetime only
Fe control
Ni 1E+12
Ni 1E+12
Fe 1E+12
Fe 1E+12
Ni 5E+10
Ni 5E+10
Fe 5E+10
Fe 5E+10
Ni co ntrol
Cr 1E+12
Cr 1E+12
Cr 5E+10
Cr 5E+10
Cr co ntr ol
Cu 1E+12
Cu 1E+12
Cu 5E+10
Cu 5E+10
1.00E+1 2
C u con tr ol
0
1.0 0E+11
I nitial surface concentration (1/cm 2)
Measurements on samples with intentional iron contamination on the surface and contaminator drive-in step
JPV resistance [Ω/sq.]
6 00
1.00 E+11
µ-PCD after surface treatments
1500 2000 4pp [Ω/sq.]
LED pulses generate excess carrier pairs → change in junction voltage Lateral attenuation depends on sheet resistance Change is picked up by capacitive sensors Signal depends on LED pulse frequency (f) Rs, Cd and Jleak are calculated by fitting the theoretical JPV signal High repeatability – typically 1σ<0.1-0.2 % Measurement time < 0.05 - 0.1 s / point during mapping 70 keV Boron implants with an d withou t oxide layer
R² = 0.99 77 SP V-Fe conc. (1 /cm3) 1.00 E+12
1.00 E+ 10
100 0
Same wafer. Top half: 4PP map (625 points). Bottom half: JPV map (17,000 points). Both maps take the same time to make.
Correlation of measured Rs with dose and implant energy
1.00 E+13
1.0 0E+09
500
position on wafer relative to excitation LED (r)
100000
SPV • Φ: photon flux density • L: diffusion length • 1/α: penetration depth • L can be calculated from the plot of Φ/VSPV against 1/α by linear fitting.
1500
Basic principle of JPV:
Φ 1 =C⋅L+ V α
After illumination
Diffusion length measurement: Lbef ore
Calculation:
r2
2000
1000
Equation to solve to obtain sheet resistance
1/α [µm]
• Laser pulse generates excess charge carrier pairs → surface photo-voltage VSPV appears
• Time constant – Lifetime – is determined from conductivity transient • Continuous (in situ) corona charge for proper surface passivation
Fe concentration
1/α (2)
Basic principle - SPV:
• Laser pulse generates excess charge carrier pairs → change in conductivity and microwave reflectivity • After pulse the conductivity decays by carrier recombination → change of microwave signal
Before illumination
1/α(1)
2 concentric capacitive electrodes
1 ∂I = 2rπ JΘ( r0 − r ) − + iωCd U ∂r Rd
Φ (1) (1) VSPV
Basic principle - µ-PCD:
4pp-JPV correlation on samples with different implant conditions and sheet resistance
3000 2500
∂U R = − IdRs = − I s ∂r 2πr
Capacitive sensor
τmeas: measured lifetime τsurface: surface recombination lifetime τdiff : characteristic time for diffusion to the surface from the bulk τbulk : bulk recombination lifetime
Iron detection by SPV measurement
pulse d LED
Potential spreading
Lock-in detection Periodic excitation
JPV
SPV Computer
Sheet resistance (Ohm/sq)
τbulk
SPV electronics
Lasers
bulk r eco mbination
τ
WT-2500
Integrated SPV Measuring Unit
T hermal eq uilibrium
JPV [Ω/sq.]
µ-PCD
sur face r eco mbination
surface potential
τsurface
Red istribution of carr iers
R s [Ω/sq]
τdiff d iffusion o f car riers to the surface Excitation (gen er ation o f excess charge car riers)
Concentr ation (1 /cm 3)
• Ernyıszervezet: segítség a nemzeti és európai projektek elıkészítésében és lebonyolításában • Ipari szereplık bevonása: esély a piacképes ötletek kiválasztására, inkubálására • Információ a döntéshozóknak a piaci folyamatokról, a piacon mőködıképes cégekrıl, az életképes, támogatandó fejlesztésekrıl
710 690 670 650 630 610 590 570 550 -150
-100
-50
0
50
100
150
Distance [mm]
High resolution map before and after edge effect correction
C-PCD after surface treatments
In-situ corona charge surface passivation (Charge-PCD) for higher lifetimes and good reproducibility (right) even after different initial surface treatments (left).
High resolution leakage current mapping capability
For more information please visit Semilab’s booth (# 1400)! funded by the European Commission and coordinated by Fraunhofer IISB
Semiconductor Physics Laboratory Co. Ltd.
6
K+F példa: IMEC • • •
• • • • • •
25 éves kutatóintézet Belgiumban, Leuvenben Ma már a bevétel döntı része ipari partnerektıl származik „Core partners”: vezetı mikroelektronikai gyártók egy csoportja, akik a jelenlegi utáni 2-3. generációs technológiákat megalapozó alap- és alkalmazott kutatásokat végeztetnek Infrastruktúra: meglévı 200 mm-es és 300 mm-es cleanroom, 300 mm + 450 mm-es cleanroom nyitása idén Berendezések a világ vezetı gyártóitól (akár kísérleti stádiumban is) A mikroelektronikai gyártás területei szerinti tematikus programokba szervezett K+F munka A partnerek folyamatosan felügyelik a programokat (rezidensek, rendszeres technikai értékelések) Együttmőködés a Leuveni Egyetemmel: diplomázók, doktoranduszok bevonása a munkába A CMOS mellett CMORE és fotovoltaikus ipari programok beindítása Semiconductor Physics Laboratory Co. Ltd.
Copyright IMEC
7
KKV példa: Semilab • • • • • • • • • •
Tevékenység: mérı és folyamatellenırzı berendezések gyártása a félvezetı- és napelemiparnak Bevétel: több, mint 55 millió USD (2008) Világszerte 259 alkalmazott, Magyarországon 164 75 fizikus (44 Magyarországon), ebbıl 23 Ph. D. A 14. az 50 leggyorsabban növekvı közép-európai technológiai cég között (Deloitte) 2009-ben, 4. a Big Five (25 millió EUR feletti árbevételő) kategóriában Bevétel szerint a 4. legnagyobb elektronikai cég Magyarországon Napi szintő együttmőködés az ipari partnerekkel, vásárlókkal Szoros nemzetközi együttmőködés az európai K+F szféra jelentıs szereplıivel (IMEC, FhG IISB) Szoros partneri kapcsolat a hazai K+F intézményekkel, egyetemekkel (MFA, BME, SZTE) Gyakorlati és diplomaírási lehetıségek, ösztöndíjlehetıségek diákoknak
Semiconductor Physics Laboratory Co. Ltd.
8
KKV példa: Semilab 60
0 2000
2001
2002
2003
2004
2005
2006
2007
2008
Total revenue since 2000 (million USD)
Semiconductor Physics Laboratory Co. Ltd.
9
A Semilab tevékenysége világszerte USA, Pittsburgh
France, Paris Korea, Seoul
China, Shanghai USA, San Jose
Japan, Tokyo
USA, Boston USA, Tampa
Budapest (HQ) Singapore
Semiconductor Physics Laboratory Co. Ltd.
10
