🏭 Modül 7 · Üretim ve Ekosistem · Bölüm 7.4 · 9 dk okuma

UNAM 4-Katman BEOL (Y1)

SIDRA'nın kalbi UNAM atölyesi — HfO₂ memristör üretim.

Önkoşul

Bu bölümde öğreneceklerin

  • UNAM atölyesindeki 4-katman BEOL akışını haritala
  • HfO₂ ALD reaktörü ve iş akışını tanı
  • DUV litografi + ICP-RIE etch + CMP + PVD Cu aşamalarını sırala
  • Her aşamanın süre, ekipman, personel ihtiyacını söyle
  • UNAM kapasite büyümesi için gerekli yatırımı belirt

Açılış: UNAM = SIDRA'nın Silikon Laboratuvarı

UNAM (Ulusal Nanoteknoloji Araştırma Merkezi, Bilkent): Türkiye’nin nanoteknoloji ana merkezi. SIDRA atölyesinin fiziksel evi.

Görev: TSMC’den gelen bare-CMOS wafer’lara HfO₂ memristör BEOL ekle.

3 hafta, 4 ana katman (HfO₂ + M3 + M4 + pad). Bu bölüm detayı.

Sezgi: 4 Katman + 3 Hafta 

Hafta 5 (TSMC wafer girişi):
    Day 1: Giriş testi + temizlik.
    Day 2-3: HfO₂ katmanı ALD (aktif memristör).
    
Hafta 6:
    Day 4-5: DUV litografi (memristör pattern).
    Day 6: ICP-RIE etch (istenmeyen HfO₂ kaldır).
    Day 7: CMP planarizasyon.
    
Hafta 7:
    Day 8-9: M3 PVD Cu + litografi + etch.
    Day 10-11: M4 PVD Cu + litografi + etch.
    Day 12: Pad opening + final testing.

3 hafta sonunda tam SIDRA Y1 wafer.

Formalizm: Her Aşama Detayı

L1 · Başlangıç

HfO₂ ALD (Atomic Layer Deposition):

ALD reaktör:

  • Precursor: Tetrakis(dimethylamino)hafnium (TDMAHf) + H₂O.
  • Sıcaklık: 300°C.
  • Cycle: 1 Å/cycle.
  • 5 nm HfO₂ = 50 cycle × 5 sn = 4 dakika aktif + 2 saat setup.

Uniformity: ±%1 wafer boyunca. Kritik (yield için).

Y1 UNAM: 2 ALD reaktör paralel. Günlük 2 wafer.

DUV litografi (193 nm):

Stepper (1 reticule at a time):

  • Resist coat: 100 nm.
  • Expose: 193 nm UV.
  • Develop: NaOH solution.
  • Hard bake.

Süre: 1 saat/wafer (resist + expose + develop).

Stepper Y1: kullanılmış ASML 193 nm ~$5M.

ICP-RIE etch:

Plasma etch HfO₂ için BCl₃ + Ar:

  • Etch rate: 30 nm/dk.
  • Seçicilik (photo-resist üstü): S ~30.
  • 5 nm HfO₂: 10 sn (+ pattern transfer).

Sonuç: patternli HfO₂ katmanı (memristör şekilli).

CMP (Chemical Mechanical Planarization):

Wafer düzleştirme:

  • Slurry: silica + H₂O₂.
  • Pad: polyurethane.
  • Basınç + dönme 2 dk.

Her metal sonrası CMP zorunlu (bir sonraki katmana düz yüzey).

L2 · Tam

M3 PVD Cu + litografi:

M3 bit-line metal katmanı (crossbar’ın sütunu):

  • PVD sputter Cu: 50 nm.
  • TaN bariyer ince katman.
  • Resist + DUV stepper.
  • Etch.
  • CMP.

Her metal katmanı ~1 gün.

M4 PVD Cu:

M4 word-line (satır). Aynı akış M3 ile, dik yönde.

M3 ve M4 arası HfO₂ memristör cell kesişimi = crossbar.

Pad opening:

Son adım: dış dünyaya bağlantı pad’leri açılır.

  • Al pad (bond-wire uyumlu) veya Cu.
  • Pasivasyon (SiN koruma).
  • Pad açılışı.

Wafer çıkış:

Her wafer = 38 die × SIDRA Y1. Aktif memristör katmanı + 3 metal + pad. TSMC substrate + UNAM BEOL tam.

Ekipman maliyeti:

EkipmanY1 UNAMY10 mini-fab
ALD reactor2 × $500K8 × $500K
DUV stepper1 × $5M (kullanılmış)2 × $15M (yeni)
ICP-RIE1 × $300K4 × $500K
CMP1 × $200K4 × $400K
PVD sputter1 × $400K4 × $600K
Test + metroloji1 × $500K2 × $2M
Toplam ekipman~$7M~$50M
L3 · Derin

Personel:

RolY1 UNAMY10 mini-fab
Proses mühendisi520
Ekipman mühendisi315
Teknisyen540
Test210
Yönetim210
Toplam1795

UNAM üniversite ortamı → doktora öğrencileri de katkı (eğitim + üretim birlikte).

Yield kontrolü:

Her katman sonrası:

  • Optik inspection (OTP): partikül, defect.
  • Elektriksel test (4-probe): iletkenlik.
  • Hata → katman reprocess (rework).

Typical rework rate: %10 (ilk pass %90 başarı).

Kimyasal güvenlik:

BCl₃ (toksik gaz) → özel abgas sistemi. NaOH (aşındırıcı) → koruyucu ekipman. Cu slurry → atık su yönetim.

UNAM altyapısı (Bilkent) standartı sağlar. Ek ekipman ~$500K.

Bakım planı:

  • Günlük: temizlik, kalibrasyon.
  • Haftalık: precursor değişim.
  • Aylık: vakum pompa bakım.
  • Yıllık: büyük bakım (chamber replace).

Ekipman arıza tipik %5 downtime. 250 wafer/yıl kapasiteyi etkilemez.

Y10 mini-fab ölçeklenme:

4× ALD, 2× stepper, 4× diğer → 10× kapasite. 2500 wafer/yıl.

Para: 50Mekipman+50M ekipman + 20M bina. İşletme $10M/yıl (100 personel).

ROI: 1M çip/yıl × 150=150 = 150M/yıl gelir. 5 yıl geri ödeme.

UNAM’ın rolü:

  • Y1: tam atölye Bilkent’te.
  • Y3: UNAM 2× kapasite.
  • Y10: mini-fab Ankara (TÜBİTAK/ASELSAN ortak).
  • Y100: tam fab (sanayi bölgesi).

UNAM her nesil araştırma + pilot rolü. Üretim mini-fab’a geçer.

Deney: 1 Hafta UNAM

Hafta 5 (5 yeni wafer TSMC’den geldi):

Pazartesi:

  • Sabah: giriş inspection (5 wafer).
  • Öğleden sonra: ALD reaktör #1 setup.

Salı:

  • ALD reaktör #1: wafer 1 + 2 HfO₂ deposition (4 saat her biri).
  • Öğleden sonra: ALD reaktör #2 setup, wafer 3 + 4 başla.

Çarşamba:

  • ALD wafer 5 (reactor #1).
  • Diğer 4 wafer DUV stepper için resist coat.

Perşembe:

  • DUV stepper: 5 wafer sırayla (1 saat her).

Cuma:

  • ICP-RIE etch 5 wafer (her biri 10 dk + 20 dk chamber prep).
  • CMP sırası.
  • Hafta sonu: reactor bakım.

Çıktı: 5 wafer HfO₂ aşamasını bitirdi. Sonraki 2 hafta M3-M4-pad.

Kısa Sınav

1/6UNAM atölyesinin rolü nedir?

Laboratuvar Görevi

UNAM atölye genişletme planı.

Senaryo: 2027’de Y1 100K/yıl hedefi için atölye 16× büyümek zorunda.

Stratejiler:

(a) UNAM’da mevcut alanı genişlet: $5M ek ALD + DUV. Kapasite 2×.

(b) Yeni UNAM şubesi İstanbul’da: $10M yeni atölye. 8 × UNAM kapasitesi.

(c) Mini-fab Ankara’da: $70M. 20 × UNAM kapasitesi (Y10 hedefi zaten).

(d) Hibrit: UNAM 2× + mini-fab 10×. $80M toplam.

Seçim: (d) önerilir. UNAM araştırma + pilot korunur; production mini-fab’a kayar. Gradual transition.

Özet Kart

  • UNAM: Bilkent, SIDRA atölye.
  • BEOL 4 katman: HfO₂ + M3 + M4 + pad.
  • Süre: 3 hafta/wafer.
  • Haftalık: 5 wafer/UNAM.
  • Yıllık: 250 wafer = 7K çip.
  • Ekipman: ~$7M.
  • Y10 mini-fab hedef: 20× kapasite, $70M.

Vizyon: UNAM'dan Fab'a

  • Y1: UNAM atölye.
  • Y3: UNAM + küçük yan ofis (İstanbul).
  • Y10: Ankara mini-fab.
  • Y100: Tam fab sanayi bölgesi.
  • Y1000: Çoklu fab Türkiye ağı.

Daha İleri