Az integrált áramkörök technológiájának gyakorlati oktatása a BME Elektronikus Eszközök Tanszékén T Í M Á R N É HARSÁNYI
H O R V Á T H
V E R O N I K A
J Ó Z S E F - D R .
MIZSEI
JÁNOS
B M E Elektronikus Eszközök Tanszéke
ÖSSZEFOGLALÁS Cikkünkben egy 25 órás félvezető technológiai laboratóriumi gya korlatot, és a laboratóriumban folyú ún. „önálló laboratóriumi fel adatokat" ismertetjük. Tapasztalataink alapján elemezzük a labo ratóriumi oktatás szükségességét és a benne rejlő pedagógiai lehető ségeket. ( A )
Bevezetés Az elmúlt 12 évben t a n s z é k ü n k ö n l é t r e h o z t u n k az ipar h a t h a t ó s t á m o g a t á s á v a l ( E I V R T , H I K I ) egy félvezető technológiai l a b o r a t ó r i u m o t , amely rendel kezik a h a g y o m á n y o s p l a n á r technológia a l a p v e t ő berendezéseivel. Gyakorlati foglalkozásaink során lehetőséget adunk hallgatóinknak az elméletben oktatott tananyag gya korlatban való elmélyítésére. L a b o r a t ó r i u m u n k b a n nem b e m u t a t ó jelleggel oktatunk, hanem teljes tech nológiai kísérletsorozatok elvégzésével, vagy tech nológiai, illetve eszközfejlesztési feladatokkal bízzuk meg hallgatóinkat. Természetesen ezáltal még nem tesszük feleslegessé a korszerűbb üzemi technológiák megismerését. E h hez t o v á b b r a is igénybe vesszük az üzemlátogatások lehetőségét, amelyek során félvezető technika ágazatos hallgatóink betekintést nyernek a magyar m i k roelektronikai ipar tevékenységébe. L a b o r a t ó r i u m u n k b a n évente mintegy 20—25 fő kétféle oktatási f o r m á b a n vesz r é s z t : negyedéves korukban egy alapfokú gyakorlat sorozaton az IC gyártástechnológia alapjaival ismerkednek meg, és bizonyos laborjártasságot szereznek (pl. berendezések kezelése, maszkillesztési technika elsajátítása, tech nológiaközi minősítő mérések megismerése stb.).
TÍMÁRNÉ HORVÁTH VERONIKA 1971-ben végzett a BME Villamosmérnöki Kará nak Híradás- és Műszer ipari Technológia Sza kán. Kutatási területe:
az integrált áramköri technológia egyes rész területei, mint pl. a RF katódporlasztás, CVD leválasztás, diffúziós technológia stb., valamint eszközfejlesztések, mint pl. az ionérzékeny félve zetők.
1. Az integrált á r a m k ö r ö k gyártástechnológiájának alapjai gyakorlatsorozat — kisbonyolultságú MOS-IC készítése A gyakorlatra a 8. szemeszterben kerül sor, és a Hír adástechnika Szak Félvezető Technika Ágazat, va lamint az Elektronikai Technológia Szak egyes hall gatói a résztvevők. A gyakorlat célkitűzése: a hallgatók készítsenek saját kezűleg a rendelkezésükre b o c s á t o t t szilícium szeleteken a technológiai leírás alapján, adott maszk sorozat felhasználásával SSI szintű p-csatornás MOS integrált á r a m k ö r ö k e t , melyeket tokozás u t á n m i n ő sítenek. A maszkokat szintén hallgatók t e r v e z t é k egy k o r á b b i T u d o m á n y o s D i á k k ö r i munka k a p c s á n . 1.1. Az áramkörök
ismertetése
Valamennyi chip tartalmaz 2 db. 4 b e m e n e t ű N O R kaput különböző geometriájú a k t í v terheléssel és
A félvezető technológia u t á n t o v á b b r a is érdeklődők ötödévben ú n . „önálló laboratóriumi feladat" kere t é b e n heti 8 — 10 ó r á b a n k o n k r é t kutatási-fejlesztési feladatot kapnak. A legeredményesebb hallgatók (évente 8—10 fő) megkezdett t é m á j u k a t diploma t e r v v é fejleszthetik t o v á b b , sőt született n é h á n y egyetemi doktori értekezés is e többéves folyamat ere dményeképpen. A laboratóriumi m u n k á k csak kiscsoportos, vagy egyéni foglalkozás k e r e t é b e n képzelhetők el, ezért a hallgatókkal foglalkozó 4—5 o k t a t ó és 4 fő techni k a i m u n k a t á r s a szokványos óraterhelést lényegesen meghaladó m é r t é k b e n végzi m u n k á j á t . A t o v á b b i a k b a n v á z l a t o s a n ismertetjük az eddig bevezetett o k t a t á s i f o r m á k a t :
1. ábra. Laboratóriumunk egyik diffúziós kályhája
Beérkezett: 1983. V I . 6. Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 11. szám
499
Hailcptol HC&lc kapcsolási 6
rajza ^v dd
SVout
0
4
HARSÁNYI
JÓZSEF
1976-ban szerzett villa mosmérnöki oklevelet a Budapesti Műszaki Egyetem Villamosmér nöki Karának Híradás technika Szakán. Azóta a BME Elektronikus Eszközök Tanszékén dol gozik, mint tanszéki mér nök. Tématerülete: polikristályos szilícium dif fúziós tulajdonságainak vizsgálata, kémiai érzé kelők -félvezetőtechnikai megvalósítása, és a félve zetők technológiájának gyakorlati oktatása.
MIZSEI JÁNOS 1 1976- ban szerzett villa mosmérnöki oklevelet a Budapesti Műszaki Egyetem Villamosmér nöki Karának Elektroni kai Technológia Szakán. Tanulmányait nappali tagozatos szakmérnök hallgatóként folytatta, 1977- ben kutató-fejlesztő szakmérnöki diplomát, 1979-ben egyetemi dok tori fokozatot szerzett. 1977 óta a BME Elektro nikus Eszközök Tanszé kén dolgozik, jelenleg mint adjunktus. Téma területe : félvezetők tech nológiája, fémoxid-félve zető alapú gáz szenzorok fejlesztése, félvezető vé konyrétegek vizsgálata.
6
&
ó
3 5 7
1H880-3]
DR.
3. ábra. A 2. ábrán l á t h a t ó IC elektromos kapcsolási rajza
n Sí
A szelei oxidáció után
A blak aSiQi -ben a diffúzió
Diffúzió egy tranzisztorcsoportot, melyek elektromos bekö tése v á l t o z t a t h a t ó , így az elektromos karakterisz t i k á k és a geometria k ö z ö t t i összefüggések vizsgál h a t ó k (2. és 3. á b r á k ) .
számára
p iipusú ieráLet
után
A blak a gate oxidáció
Gate oxidáció
szamara
után
3—tsxw
A gite oxidban ablaka Source éa Drain kontaktusok számára L \ \ S S, S>
AfémezHt
eszköz IH880-4J
4. ábra. A MOS IC készítésének vázlatos menete
1.2. A technológiai lépések
2. ábra. Egy elkészült IC fényképe
500
ismertetése
A p-csatornás MOS IC készítésének menete a 4. á b r á n l á t h a t ó . A teljes ciklus mintegy 25 órát vesz igénybe, amit 5 gyakorlatra bontottunk. Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 11. szám
5. ábra. Maszksorozat 5a ábra. Diffúziós ablak
5c ábra. Kontaktus ablak
5d ábra. Fémező ábra 1 5b ábra. Gate-oxid ablak 1.2.1. Első gyakorlat
1.2.3. Harmadik
Célja: Ismerkedés az alapanyaggal (típus és fajlagos ellenállás mérése), valamint az első kémiai tisztítás u t á n 500 nm mező-oxid növesztése. (Oxidvastagság mérése.)
Célja: MOS-oxid létrehozása (90 nm). Ú j a b b fotolitográfiai lépéssel a b l a k n y i t á s MOS-oxid számára (5b á b r a ) . Felülettisztítás u t á n MOS-oxid növesztés HCl-val t i s z t í t o t t kvarccsőben. 1100 °C h ő mérsékletű, hőkezelés. Kísérő szeleten készített MOS kapacitás C-V görbéinek felvétele. A görbék kiérté kelése U , U j C , C , d , N , és a szilícium adalékkoncentrációjának m e g h a t á r o z á s a .
1.2.2. Második
gyakorlat
Célja: Source és drain kialakítása b ó r diffúzióval. A hallgatók fotolitográfiai eljárással ablakot nyitnak a mező-oxidban a S-D helyi diffúzió számára (5a ábra). B ó r kétlépéses diffúziója ( B N forrásból). A b ó r diffúzió minősítése (rétegellenállás, behatolási mélység mérése). Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 11. szám
F B
T
gyakorlat
o x
inv
ox
s s
1.2.4. Negyedik gyakorlat Célja: fémezés kialakítása. Fotolitográfia ú t j á n kontaktus ablakok n y i t á s a (5c ábra).
501
Alumínium vákuumgőzölése. Fémezési á b r a m a r a t á s a (5d ábra). Alacsony hőmérsékletű hőkezelés. 1.2.5. Ötödik gyakorlat
A teljesség igénye nélkül felsorolunk néhány jelen tősebb hallgatói m u n k á t a technológiai fejlesztés te rületéről: szilícium oxidációjának vizsgálata (sósavas és triklóretilénes közegben is), diffúziós források vizsgálata, kémiailag lecsapatott vékonyrétegek elő állítása (CVD S i 0 , S n 0 , A1 0 ), diffúzió polikristályos szilíciumban, vékonyrétegek előállítása k a t ó d porlasztás segítségével (Si0 , A 1 0 , Sn0 , Pt, Pd stb.). A technológiai fejlesztés fogalmát szélesen értel mezzük. Ide sorolhatjuk azokat a modellkísérleteket is, melyek a t a n s z é k e n fejlesztés alatt álló technoló giai eljárások számítógépes szimulációját megvaló sító program ellenőrzését célozták, és azokat a techno lógiákkal kapcsolatos szilárdtestfizikai és kémiai vizs g á l a t o k a t (Si—Si0 határfelületi állapotok, Si alap anyag h i b a s t r u k t ú r á i n a k és egyéb tulajdonságainak k u t a t á s a ) , amelyekkel az adott technológiákhoz (bi poláris, nMOS, CMOS stb.) leginkább illeszkedő a nya gtula jdons á goka t k í v á n j u k felderíteni. 2
Célja: kész eszközök minősítése. Szeleten való tranzisztor mérés és szeletminősítés. Darabolás, tokozás, IC-karakterisztikák mérése (6. ábra).
A hatígatók által készített Inverber kara kteásztikája
2
2
2
3
2
3
2
2
l IX
ÁlV AOV
2.2. Eszközfejlesztési
8V 6V .::
TWII
„ s/in
hor.= ivjcm 6. ábra. Inverter karakterisztikák 2. Önálló laboratóriumi feladatok A m i n t az. előbbiekben m á r utaltunk r á , az órarend be illesztett laborgyakorlatok során kellő j á r t a s s á got szerzett hallgatok a későbbiekben nagyobb ön állóságot igénylő feladatokat kapnak, melyeket az „ ö n á l l ó l a b o r a t ó r i u m " elnevezésű t á r g y keretében, de viszonylag szabad időbeosztással és igen sok önálló m u n k á v a l oldanak meg. Ezek a feladatok kapcsolód nak az Elektronikus Eszközök Tanszék ipari, vagy állami megbízás keretében végzett tevékenységé hez, valamint az ezeken t ú l m e n ő tanszéki k u t a t ó m u n k á k h o z . A feladatok jellegük szerint k é t nagy csoportra o s z t h a t ó k : a technológiai eljárások ós be rendezések fejlesztésére, valamint különleges elekt ronikus eszközök fejlesztésére. Természetesen ez a fel osztás nem jelent elválasztást is egyben, mert a k é t t e r ü l e t kapcsolata igen szoros: a technológiai fejlesz tések rendszerint az eszközfejlesztés céljait szolgál ják: 2.1. Technológiai
eljárások
fejlesztése
Ebben a t é m a k ö r b e n dolgozó hallgatók feladata egy technológiai folyamat valamelyik részének elmélyül tebb megismerése. A megismerésben olyan szintig kell eljutniuk, hogy az egyes technológiai p a r a m é t e r e k v á l t o z t a t á s á n a k h a t á s a i t tisztázhassák, s így a lehe t ő legjobb eljárást megtalálják. Ezzel kapcsolatban gyakorlati ismereteket kell hogy szerezzenek azokról az eljárásokról, melyekkel eldönthetik, hogy az ál taluk kifejlesztett résztechnológiák hogyan minősít h e t ő k és illeszkednek-e az előttük ós u t á n u k k ö v e t kező technológiai lépések közé.
502
feladatok
Az eszközök fejlesztési területén dolgozó hallgatók elé valamilyen m ű k ö d ő eszköz előállítását tűzzük k i elérendő célként. A munka során a hallgatók konst rukciós és technológiai ismereteket szereznek, de elő segíti ez a tevékenységük az á l t a l á b a n h a s z n á l t elektronikus eszközök (bipoláris tranzisztorok, dió dák, FET-ek) fizikájának jobb megértését is, hiszen az á l t a l u k előállított speciális eszközök működése va lamilyen f o r m á b a n visszavezethető a k o r á b b a n m á r megismert „közönséges" eszközöknél szereplő alap v e t ő elvekre. Az önálló laboratóriumi m u n k á k kereté ben a következő eszközök fejlesztésében vettek részt h a l l g a t ó i n k : különleges MOS eszközök (Pd vezérlőelektródás MOST gázérzékelő, PH-érzékelő, ISFET, a l a g ú t effektuson alapuló M I SS és MAOS s t r u k t ú r á k ) , S n 0 félvezető vékonyréteg gázdetektorok, Pt v é konyréteg hőmérő, Schottky dióda, nyomásérzékelő tranzisztor. 2
3. Következtetések A m é r n ö k i tevékenység a mikroméretek irányába t ö r t utat. Az á l t a l u n k k é p z e t t mérnökök mikros t r u k t ú r á k a t terveznek, és azok technológiáját dol gozzák k i . Az e m l í t e t t eljárások újszerűek, és egy új t u d o m á n y á g fejlődésének eredményei. Ez azt is jelenti, hogy minőségileg sem hasonlítható a hagyo m á n y o s mérnöki tevékenységhez a mikroelektroni kai mérnök munkája. A gyakorlatainkon elvégzett mérési módszerek és vizsgálati eljárások erre a mikrovilágra irányulnak, és lehetőséget adnak a hallgatók számára, hogy a ma guk részére ezekből a mérési módszerekből egy fegy v e r t á r a t építhessen k i , amely a mikroelektronika komplex világába direkt b e t e k i n t é s t ' adhat. E t t ő l függetlenül ezek a mérési eljárások a „ h a s z n o s " tananyag részét képezik, és a mérnöki munka során alkalmazott ismeretek. Jelentősnek tartjuk a szigorú értelemben vett fél vezető technológiai ismeretek megszerzésén túlme nően a laboratórium működtetésével kapcsolatos isHíradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 11. szám
meretek megszerzését. (A mérnök m u n k á j á n a k ered ményessége nagy részben a t t ó l is függ, hogyan tudja megteremteni a munkavégzés feltételeit. Ez részben műszaki, részben gazdasági, i l l . szervezési kérdés.) Nem elhanyagolhatók ezen oktatási formában rejlő pedagógiai lehetőségek sem: — A hallgatók alaposabb megismerése szorosabb csatolást tesz lehetővé az ismeretátadás és a hallgató ismeretei között. Ez fokozza az okta tás hatékonyságát. — Az állandó o k t a t ó i ellenőrzés és a gyakorlat próbakő jellege a hallgatóban is fejleszti az ön kontrollt. A laboratórium o k t a t ó i ezt a m u n k á t igyekeznek „fájdalommentesen" elvégezni, hogy az önkontroll elől ne meneküljön a hall gató, hanem a mérnöki tudat e nélkülözhetet len komponensét erősítse m a g á b a n . — A kiscsoportos gyakorlatok során számos alka lom nyílik nevelési tevékenységre, amely a hall gatók felelősségérzetének kiterjesztését (diák ból mérnökké válás) és t u d a t o s í t á s t jelent. — A későbbi önálló laboratóriumi gyakorlatok során lehetőséget adtunk a hallgatóknak, hogy bizonyos irányító-szervező jellegű szerepet
Híradástechnika
XXXIV.
évfolyam 1983. 11. szám
j á t s z h a s s a n a k a l a b o r á n s o k k a l e g y ü t t végzett munkában. — Jelentősnek t e k i n t j ü k , hogy tapasztalatot sze rezhetnek a team-munka területéről a közös fel adatok csoporton belüli megosztása során. — A l a b o r a t ó r i u m i gyakorlatok igen alkalmasak a tehetséges hallgatók esetében az a l k o t ó i k é pességek csíráztatására, illetve a kevésbé tehetségesek esetében a kezdeti nehézségeken való átsegítésére. Legkiemelkedőbb pedagógiai lehetőségeink a hall gatók k u t a t ó m u n k á b a t ö r t é n ő b e v o n á s a esetén adód nak. Valódi k u t a t á s i tapasztalatokkal t á v o z n a k az egyetemről azok a hallgatók, a k i k a s s z i s z t á l h a t t a k oktatóik kutatásainál. S z á m u k nem nagy, de tapasztalataink a l a p j á n ál líthatjuk, hogy m é r n ö k i m u n k á j u k a t e r e d m é n n y e l végzik. Végezetül megjegyezzük, hogy a mikroelektroni k a i iparban elhelyezkedő h a l l g a t ó i n k n a k is l a b o r a t ó riumunk az egyetlen lehetőség a teljes technológiai láncolat áttekintésére, mivel a fokozódó munkahelyi szakosodás m i a t t ez az iparban m á r alig lehetséges.
503
