IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases...
Transcript of IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases...
![Page 1: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/1.jpg)
1
IE 012 1
Eletrônica IIEE640
Tecnologia para microfabricação
Professor Fabiano Fruett
UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207
www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano
IE 012
IE 012 2
A familiarização com as várias etapas do processo de fabricação
colabora diretamente com as etapas de desenvolvimento,
encapsulamento e teste dos Circuitos Integrados
![Page 2: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/2.jpg)
2
IE 012 3
Primórdios da microeletrônica
Primeiro transistor a contato (germânio), 1947John Bardeen and Walter Brattain
Bell Laboratories
Válvulas (Triode), 1906Lee De Forest
1906 1947
IE 012 4
Evolução …
Intel Pentium II, 1997Clock: 233MHz
Número de transistors: 7.5 MGate Length: 0.35
Primeiro circuito integrado(germânio), 1958Jack S. Kilby, Texas Instruments
Continha cinco componentes, três tipos:Transistores, resistores e capacitores
1958 1997
![Page 3: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/3.jpg)
3
IE 012 5
Silício na natureza
IE 012 6
Tarugo de silício mono-cristalino
![Page 4: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/4.jpg)
4
IE 012 7
Base para indústria (nano e micro) microeletrônica
... e tambémpara sensores e atuadores integrados
IE 012 8
Etapas normalmente presentes na tecnologia planar para microeletrônica
• Deposição
• Oxidação
• (Foto)Litografia
• Etching
• Difusão
• Implantação iônica
No processo de manufaturaplanar, dispositivos em trêsdimensões são construídos nosubstrato do wafer usandocamadas empilhadas demateriais diferentes que estãoalinhados em um padrão bi-dimensional.
![Page 5: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/5.jpg)
5
IE 012 9
Fonte: http://www.sandia.gov/
Ambiente controlado:
IE 012 10
Fluxo do processo de fabricação planar
A complexidade do processo está relacionada ao número de máscaras.
DifusãoImplantação
![Page 6: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/6.jpg)
6
IE 012 11
Oxidação
• Atmosfera oxidante e alta temperatura (500 até 1200 °C).
• Oxidação seca
• Oxidação úmida 22 OSOS ii ⇔+
222 22 HOSOHS ii +⇔+
IE 012 12
Como ocorre a oxidação:
O Si é consumido, pois a oxidação ocorre na interface Si-SiO2
![Page 7: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/7.jpg)
7
IE 012 13
Principais funções do SiO2
• Proteção (passivante) de junções pn contra umidade e outros contaminantes.
• Isolante elétrico entre componentes e interconexões.
• Dielétrico para capacitores metálicos e isolante de porta dos MOS.
• Máscara para definição das áreas de difusão ou implantação de impurezas.
IE 012 14
Deposição
Filmes finos são materiaisessenciais para afabricação de sensoressemicondutores. Asucessiva deposição eimpressão do padrão(gravação) de um filmefino sólido de 0.1 a 50µmde espessura é utilizada.Filmes finos podem serdepositados no substratopor meio químico oufísico.
Exemplos de Técnicas de deposição:
• Spin casting
• Deposição por evaporação
• Crescimento epitaxial
• Oxidação
![Page 8: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/8.jpg)
8
IE 012 15
Spin casting:
Utilizado para deposição de materiais orgânicos, tais como filmes fotosensíveis (fotoresiste ou simplesmente resiste)
IE 012 16
Deposição por Evaporação
Filmes finos podem ser evaporados. O evaporador consiste de uma câmara de vácuo no qual o material a ser depositado é aquecido.
• Chemical Vapor Deposition (CVD)
• Low-pressure thermal CVD (LPCVD)
• Physical Vapor Deposition (PVD)
![Page 9: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/9.jpg)
9
IE 012 17
CVD Chemical Vapor Deposition
Processo utilizado para deposições de filmes isolantes, semicondutores e condutores:
• Nitreto Si3N4 e Oxinitreto de Silício SiOxNy
• Silício policristalino
• Metais
IE 012 18
CVD
Gases ou vapores reagem quimicamente, levando à formação de um sólido sobre o substrato.
![Page 10: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/10.jpg)
10
IE 012 19
Principais funções dos filmes depositados
– Máscara para corrosão do Si (microestruturas)
– Passivação de superfície
– Isolação de regiões ativas
– Dielétricos (MOSFET, MISFET, capacitores etc)
– Metalização para interconexões (trilhas)
IE 012 20
Crescimento Epitaxial
• Processo especial de CVD
• Deposição de uma camada de Si acima do substrato (semente)
• Normalmente a camada epitaxial é dopada com cargas opostas que a do substrato 2 2SiH Cl Si+2HCl→
Fonte: Silicon Sensors, S. Middelhoek, S. A. Audet and P.J. French
![Page 11: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/11.jpg)
11
IE 012 21
(Foto)Litografia
• Processo de transferência do padrão de cada máscara
• Uma fina camada de material orgânico fotossensível (fotoresistente) é depositada sobre o wafer.
• A máscara é cuidadosamente alinhada sobre a superfície do wafer e exposta à luz, o fotoresiste torna-se solúvel.
• A camada é então revelada para produzir o traçado desejado sobre a superfície.
Deposição do fotoresiste
Mascaramento UV
Revelação do fotoresiste
IE 012 22
Luz ultra violeta ou ultravioleta profundo são utilizados para expor o material fotoresistente.
Sistema de exposição
Fonte: V. Baranauskas, Processos de microeletrônica , Camoinas 1990
![Page 12: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/12.jpg)
12
IE 012 23
Extreme ultraviolet (EUV) light lithograph
Permite resoluções litográficas abaixo de 0.1 µm, podendo chegar a 0.03 µm!
Fonte: http://www.sandia.gov/
Fatores limitantes da fotolitografia:• Alinhamento• Resolução do padrão da máscara
IE 012 24
Litografia - Etching
• A camada resultante fica então protegida e não sofre a corrosão (etching) dos agentes químicos usados para corroer o dióxido de silício ou o alumínio. Isto permite a preparação para os processos subseqüentes (difusão, etching, implantação etc)
Etching do SiO2
![Page 13: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/13.jpg)
13
IE 012 25
• Etching:– Processo de remoção do
material não protegido
– Etching horizontal causa ¨undercut
– Etching “preferencial” pode ser usado para minimizar “undercut”
• Técnicas de Etching:– Etching químico: remoção
química de materiais desprotegidos
– Etching seco ou por plasma: usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF
Si
SiO2
IE 012 26
Difusão
• Átomos dopantes são difundidos através da rede cristalina (alta concentração => baixa concentração)
• Processo térmico (alta temperatura 700 –1200 °C)
• A profundidade com que as impurezas se difundem são controladas pela temperatura e pelo tempo de processo
![Page 14: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/14.jpg)
14
IE 012 27
Dopantes: tipo-p ou tipo-n• Nível de dopagem típico: 1015 até 1020
átomos/cm3
– O Si tem 5.2×1022 átomos/cm3
• Dopagem tipo n (P, As)
• Dopagem tipo p (B, Ga, Al)
• Dopantes indesejáveis (Au, Fe, Cu, Ni)
IE 012 28
Difusão por fonte constante
O wafer é exposto à uma fonte de impurezas durante todo o tempo de difusão.
Perfil de dopagem
![Page 15: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/15.jpg)
15
IE 012 29
Difusão por fonte limitada O wafer é exposto brevemente às impurezas, onde uma fina camada de dopantes é estabelecida na superfície. Depois disto esta camada de impurezas serve de fonte de impurezas para o resto do ciclo de difusão.
IE 012 30
Implantação de íons
• As impurezas são aceleradas, chocando-se contra a superfície do wafer
• Processo não necessita de alta temperatura• Permite um excelente controle das doses de
implantaçãoDesvantagens:
Pode causar defeitos na rede cristalinaChanneling (dopantes implantados podem alcançar uma profundidade indesejadaProcesso relativamente caro
![Page 16: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/16.jpg)
16
IE 012 31
Deslocamento de íons através da rede devido ao processo de implantação
A estrutura do cristal pode influir no deslocamento,
alterando a profundidade da implantação
Fonte: Jaeger
IE 012 32
Estrutura do cristal para três orientações diferentes
![Page 17: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/17.jpg)
17
IE 012 Sequência de etapas de um processo CMOS poço n
33
(a) Define n-well diffusion (mask #1)
(b) Define active regions (mask #2)
(e) n+ diffusion (mask #4)
(f) p+ diffusion (mask #5 )
(c) LOCOS oxidation (g) Contact holes (mask #6)
IE 012
Figure A.3 (Continued)
(d) Polysilicon gate (mask #3) (h) Metallization (mask #7)
Sequência de etapas de um processo CMOS poço n (continuação)
![Page 18: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/18.jpg)
18
IE 012
Figure A.4 Cross-sectional diagram of an n- and p-MOSFET.
Seção transversal para os transistores MOSFET canal n e canal p
IE 012
Figure A.5 Cross sections of resistors of various types available from a typical n-well CMOS process.
Seção transversal para alguns tipos de resistores disponíveis nesta tecnologia
![Page 19: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/19.jpg)
19
IE 012
Figure A.6 Interpoly and MOS capacitors in an n-well CMOS process.
Seção transversal para alguns tipos de capacitores disponíveis nesta tecnologia
IE 012
Figure A.7 A pn junction diode in an n-well CMOS process.
Diodos de junção pn
![Page 20: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/20.jpg)
20
IE 012
Figure A.8 Cross-sectional diagram of a BiCMOS pro cess.
Processo BiCMOS
IE 012
Figure A.9 A lateral pnp transistor.
PNP Lateral
![Page 21: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/21.jpg)
21
IE 012 41
Transistores PNP em CMOS
EBC(Sub)
N+N+ P+N-epi
E B SubC
N+P+ P+N-epi
P-Substrate
Vertical Lateral
IE 012
Figure A.12 A CMOS inverter schematic and its layo ut.
Inversor CMOS
![Page 22: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/22.jpg)
22
IE 012
Figure A.13 Cross section along the plane AA ′′′′ of a CMOS inverter.
Seção transversal do Inversor CMOS
IE 012
Figure A.14 A set of photomasks for the n-well CMOS inverter. Note that each layer requires a separate plate: (a), (d), (e), and (f) dark-field masks; (b), (c), and (g) clear-field mas ks.
Conjunto de máscaras do Inversor CMOS
![Page 23: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/23.jpg)
23
IE 012 45
Seção transversal
8 µµµµm
400 µµµµm
IE 012
Exemplos de encapsulamentos
46
![Page 24: IE 012 1 Eletrônica II EE640 Tecnologia para …fabiano/EE640/PDF/Tecnologia para... · usa gases ionizados ativados quimicamente por um plasma gerado por RF Si SiO 2 IE 012 26 Difusão](https://reader033.fdocuments.net/reader033/viewer/2022051407/5bbcaf1709d3f24a538bc23e/html5/thumbnails/24.jpg)
24
IE 012 47
FIM