Aula_03_IME_Fabricao_de_MOSFET

Prévia do material em texto

Introdução à Microeletrônica
Aula 03
● Fabricação de dispositivos MOS
Hugo Leonardo D. de S. Cavalcante – DSC – CI – UFPB
 
Fabricação de chips
 
Fabricação de chips
Tarugo (ingot) é serrado 
com fios recobertos de 
diamante em wafers de 
0,450 mm de espessura.
Wafers são polidos, marcados e preparados.
 
Fabricação de chips
 
Fabricação de chips
Diodo 
polarizado 
reversamente
 
P-channel MOS transistor
 
Inversor CMOS
Transistor nMOS Transistor pMOS
 
Inversor CMOS
Transistor nMOS
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Introdução à Microeletrônica
Aula 03
● Fabricação de dispositivos MOS
Hugo Leonardo D. de S. Cavalcante – DSC – CI – UFPB
Nesta aula vamos ver a técnica planar para 
fabricação de dispositivos MOS. 
 
 
 
Fabricação de chips
Para a fabricação dos materiais, começamos com Si, 
impuro, que é purificado pela queima das 
impurezas usando oxigênio em alta temperatura. O 
Si puro é derretido e usado para crescer um tarugo 
(ingot) monocristalino a partir de uma semente, 
colocada em um dedo frio, girando e puxando o 
tarugo para cima.
 
 
 
Fabricação de chips
Tarugo (ingot) é serrado 
com fios recobertos de 
diamante em wafers de 
0,450 mm de espessura.
Wafers são polidos, marcados e preparados.
O tarugo é fatiado em wafers usando uma serra-fio 
de diamante. Os wafers são polidos, processados, 
geralmente adicionando uma camada inicial 
profunda e leve (baixa concentração, p-) de 
dopantes aceitadores de elétrons (B).
 
 
 
Fabricação de chips
Sobre o wafer, são fabricadas estruturas que 
formarão as trilhas e os transistores responsáveis 
pelo funcionamento do circuito.
O transistor funciona como uma “chave controlada 
por tensão”, permitindo o contato entre dois 
terminais, dreno (drain) e fonte (source), controlado 
pela tensão aplicada ao terminal do portão (gate). 
 
 
 
Fabricação de chips
Diodo 
polarizado 
reversamente
Note que o dispositivo possui algumas junções p-n, 
que devem estar polarizadas reversamente para 
que não haja correntes indesejadas.
 
 
 
P-channel MOS transistor
O pFET (MOSFET com canal positivo) é feito de 
maneira análoga ao nFET, mas com as polaridades 
dos materiais revertidas. 
Note que, para inverter a polaridade do substrato, é 
preciso construir um “poço-n” (n-well), que serve 
de base para o pMOS.
Como as condutâncias dos materiais p e n são 
diferentes, geralmente o pFET tem correntes 
menores (para a mesma área e tensão) do que o 
nFET.
 
 
 
Inversor CMOS
Transistor nMOS Transistor pMOS
Esta imagem mostra um par de transistores 
complementares, ou seja, um nFET e um pFET, 
constituindo uma porta lógica inversora CMOS.
 
 
 
Inversor CMOS
Transistor nMOS
Estas são imagem de uma porta lógica inversora 
CMOS (vista superior) e de um transistor MOSFET 
(corte vertical) obtidas com um microscópio 
eletrônico. 
Na 1ª figura vemos os dois transistores 
complementares, cujos gates são conectados ao 
mesmos sinal Vi, a saída está conectada aos dois 
drenos e chega no contato Vo, as alimentações 
estão nos extremos verticais. 
Na 2ª figura a parte mais branca corresponde ao 
metal dos contatos de source e drain, que 
penetram no isolante que preenche toda a parte 
superior da imagem. O gate é formado por silício 
policristalino e separado por uma camada de óxido 
muito fina, acima do canal.
 
 
 
Agora veremos o processo de fabricação de um 
transistor MOS com canal negativo, usando a 
tecnologia planar (Jean Hoerni, Fairchild 
Semiconductors, 1958, Robert Noyce, 1959). 
 
 
 
É usado o processo de fotolitografia, com máscaras 
opacas, que permitem projetar imagens sobre o 
wafer. Luz é usada para “curar” fotoresina, que 
protege partes da superfície da deposição dos 
materiais desejados. 
O processo é repetido camada por camada, com as 
máscaras apropriadas.
 
 
 
Sobre o wafer p-, deposita-se um filme ultrafino (~ 10 
nm) de óxido de silício (isolante) e sobre este uma 
camada de silício policristralino (condutor, mais 
barato do que o Si monocristalino).
Uma camada de resina “fotoresist” é endurecida nas 
partes iluminadas.
Uma solução de ácido fluorídrico (HF) é usada para 
corroer (etch) as camadas de óxido e polissilício 
não protegidas pelo filme de fotorresina curada. A 
fotorresina pode ser removida com um solvente 
orgânico (acetona).
 
 
 
Uma máscara com o formato desejado para as 
estruturas do material com “difusão” é usada para 
bloquear a implantação de impurezas. Na figura, a 
máscara bloqueia os átomos de As (doador de 
elétrons), que transformam o material p- em n+.
 
 
 
Em seguida, é crescido um filme “grosso” de óxido 
de silício (SiO2) isolante. Uma nova máscara e 
etching corrói este filme em alguns pontos, onde se 
deseja fazer um contato (via) entre a difusão e as 
trilhas metálicas. Outra máscara permite a 
deposição do metal desenhando as trilhas e 
preenchendo as vias. O metal predominante é Al, 
com uma pequena deposição prévia de Ti, para 
melhorar aderência entre o metal e as camadas 
inferiores.
 
 
 
O wafer é então testado, cortado em chips, 
encapsulado, conectado a terminais externos com 
fios de ouro e distribuído.
 
 
 
Aqui temos a foto, com luz visível e microscópio 
convencional, do chip do processador i486 DX2, 
comum na década de 1990 (32 bits, 16 MHz a 100 
MHz, 800 nm a 1 μm).
 
 
 
Modernamente, o comprimento de onda da radiação 
usada é um dos fatores limitantes do tamanho 
mínimo e detalhes das estruturas construídas. 
A luz difrata, se espalhando e criando franjas de 
interferência. 
Pode-se usar também um feixe de elétrons, 
semelhante a um microscópio eletrônico, 
substituindo a luz na construção das estruturas.
 
 
 
A tecnologia está evoluindo na direção de estruturas 
cada vez mais tridimensionais, com mais camadas 
e verticalização. 
Um fator limitante é a remoção de calor (dissipação).
 
 
 
Existem muitas empresas que fazem o design e o 
desenvolvimento, mas relativamente poucas arcam 
com a fabricação de fato. Especialmente no limite 
da tecnologia mais moderna (estado-da-arte).
Detalhes do processo de fabricação são segredos 
comerciais, protegidos por NDA (nondisclosure 
agreements). 
Muitos designers não fabricam os próprios chips em 
escala comercial (Qualcomm, Broadcom, Nvidia, 
MediaTek, AMD), em vez disso contratam as 
fábricas (UMC, TSMC, SMIC, Intel, Samsung, 
GlobalFoundries, etc.).
	Slide 1
	Slide 2
	Slide 3
	Slide 4
	Slide 5
	Slide 6
	Slide 7
	Slide 8
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13
	Slide 14
	Slide 15
	Slide 16
	Slide 17
	Slide 18
	Slide 1
	Slide 2
	Slide 3
	Slide 4
	Slide 5
	Slide 6
	Slide 7
	Slide 8
	Slide 9
	Slide 10
	Slide 11
	Slide 12
	Slide 13
	Slide 14
	Slide 15
	Slide 16
	Slide 17
	Slide 18