SEMICONDUCTOR DEVICE FABRICATION AN OVERVIEW Presented to EE

SEMICONDUCTOR DEVICE FABRICATION AN OVERVIEW Presented to EE 1001 29 September 2015 by Stan Burns sburns@d. umn. edu MWAH 153

OUTLINE è What is a Monolithic (“Single Stone”) Integrated Circuit (IC)? è Fabrication and Integrated Circuit Overview è Dimensions and Units è Historical Perspectives è State-of-the-Art in Size and Density-Moore’s “Law” è Materials è Photolithography è Basic process sequence è Typical Device Cross-Sections è Other Devices and Technologies è Basic Processing Steps Summary è Packaging è Challenges and Opportunities in the Semiconductor Industry For EE Graduates

IC Fabrication Overview Procedure of Silicon Wafer Production Raw material ― Polysilicon nuggets purified from sand Si crystal ingot Crystal pulling A silicon wafer fabricated with microelectronic circuits Final wafer product after polishing, cleaning and inspection Slicing into Si wafers using a diamond saw 3

DIMENSIONS AND UNITS è 1 micrometer (1 mm) = 10 -6 m = 10 -4 cm è 1 Å = 10 -10 m = 10 -8 cm (Å =Angstrom) è 10, 000 Å = 1 mm = 1000 nm è 1 nanometer (1 nm) = 10 -9 m = 10 Å è Wavelength of visible light 0. 4 mm(violet) to 0. 7 mm(red) {400 nm to 700 nm, 4, 000 Å to 7, 000 Å } è 1 mil = 0. 001 inch = 25. 4 mm è Sheet of notebook paper about 4 mils è 1 human hair = 75 mm to 100 mm = 75, 000 -100, 000 nm è Atomic spacing in a crystal ~ 3 to 5 Å è Fingernail growth rate about 1 -3 mm/hour (Not personally verified) è Aggressive production minimum feature sizes, tens of nm, 14 -16 nm used in the i. Phone 6 S A 9 microprocessor.

Stanley G. Burns UMD-ECE

<128 GByte $35, @ Best Buy 27 Sept. 2015) 16 nm

BASIC PROCESSING STEPS Design Then Repeated Application Of: Oxidation Nitridation Photolithography Wet Etching (Chemical) Dry Etching (Plasma) Diffusion Evaporation Sputtering Plasma Assisted Deposition Implantation Epitaxy Many Processing Steps are at temperatures to 1200°C

OTHER DEVICES AND TECHNOLOGIES è Thin-Film Transistors (TFT) è Displays-Liquid Crystal Displays (LCD), Plasma, LED Backlit, etc. è Photonic-Light Emitting Diodes (LED), Organic Light Emitting Diodes (OLED), LASERS, Optical Chips, etc. ) è Photovoltaics-Conventional Crystalline and Flexible Thin. Film è Devices and Systems on Flexible Substrates è Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS) integration of mechanical elements, sensors, actuators, and electronics on a common silicon substrate through microfabrication technology. Electronics are fabricated using integrated circuit (IC) process sequences (e. g. , CMOS, Bipolar, or BICMOS processes) è Micromechanical components are fabricated using compatible "micromachining" processes that selectively etch away parts of the silicon wafer or add new structural layers to form the mechanical and electromechanical devices.

Challenges in the Semiconductor Industry For EE Graduates è Design devices è Biological integration è Design circuits and systems è Optoelectronic integration è Device modeling è System design and fabricationè Displays è Circuit/system simulations è Sensors including “Wearables) è Testability è MEMs (Design/Application) è Materials (Si, III-V, Graphene è Non-traditional substrates è How small? Nanomaterials? è Packaging è How large? Wafer Scale? è Process development è Speed and performance, for analog, digital and mixedè Process Control mode applications è “Tool” and plant design è Cradle to grave materials è Increased functionality handling