Resumo - UNIVESP - 2021 - Microeletronica

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MICROELETRÔNICA
Tecnologia CMOS7
TEXTO DE APOIO
Revisão
Esta revisão está fortemente baseada na sequência de conteúdos tratados e discutidos nas videoaulas
que compõem o curso, e busca extrair e sintetizar os principais tópicos e conceitos apresentados ao
longo da disciplina. Lembramos que somente a leitura deste material não é suficiente para o seu estudo.
Ele deve ser usado como um guia para que você relembre dos assuntos tratados. O estudo dos
materiais-base/textos-base são de fundamental importância para que você possa ter um bom
aproveitamento nas avaliações.
Bons estudos!
 
SEMANA 1
Na Semana 1 foi discutida a natureza dos materiais utilizados na microeletrônica, como condutores,
semicondutores e isolantes. Foram apresentados os conceitos de Banda de Energia, Banda de Valência
e Banda de Condução. Também foram apresentados os conceitos de semicondutores intrínseco e de
semicondutores extrínseco. Então, é bom termos em mente que na microeletrônica são utilizados
condutores, semicondutores e isolantes, sendo que os semicondutores desempenham um papel
muito importante devido à possibilidade de dopagem, que permite alterar as suas características
elétricas.
 
Teoria de Bandas de Energia
Na teoria de Bandas de Energia, utilizada para classificar os materiais em condutores, semicondutores e
isolantes, existem três regiões definidas: banda de valência, banda de condução e banda proibida. Nos
materiais condutores, não há separação entre a banda de valência e banda de condução; nos materiais
semicondutores, a banda proibida é menor que nos materiais isolantes,’ e é necessário fornecer uma
energia maior que a energia de “gap” (E ) para que o elétron passe da banda de valência para a
banda de condução.
gap
 
Dopagem
A dopagem consiste na introdução de impurezas (semicondutor extrínseco), de forma controlada num
semicondutor intrínseco, de modo a modificar a sua condutividade.
Um material semicondutor do tipo N é um semicondutor que possui dentro da sua rede cristalina,
majoritariamente formada por átomos tetravalentes, também átomos pentavalentes. No material do tipo
N, quatro elétrons do átomo pentavalente irão realizar ligações covalentes com os átomos tetravalentes
da rede cristalina, resultando na disponibilidade de um elétron, o que irá alterar a condutividade do
material. Os materiais do tipo N são obtidos através da introdução de impurezas (átomos pentavalentes)
na rede cristalina do semicondutor intrínseco, por meio de um processo chamado de dopagem.
Um material semicondutor do tipo P é um semicondutor que possui dentro da sua rede cristalina,
majoritariamente formada por átomos tetravalentes, também átomos trivalentes. No material do tipo P,
três elétrons do átomo trivalente irão realizar ligações covalentes com os átomos tetravalentes da rede
cristalina, resultando na disponibilidade de uma lacuna, o que irá alterar a condutividade do material. Os
materiais do tipo P são obtidos através da introdução de impurezas (átomos trivalentes) na rede
cristalina do semicondutor intrínseco, mediante de um processo chamado de dopagem.
 
 
SEMANA 2 - SALA LIMPA E SUBSTRATO
Sala limpa
As salas limpas são espécies de “bolhas”, em que as condições climáticas (pressão, temperatura e
umidade do ar) e a circulação de partículas são rigorosamente controladas. Uma sala limpa proporciona
o ambiente necessário para os processos de fabricação e montagem dos mais diversos mecanismos e
dispositivos, motivo pelo qual a prevenção da contaminação torna-se um fator muito importante durante
a fabricação dos circuitos integrados.
 
Algumas fontes de contaminação das salas limpas:
partículas suspensas no ar;•
material de construção;•
pessoas (são consideradas a maior fonte de contaminação em salas limpas);•
equipamentos e produtos (levados para dentro da sala limpa).•
 
Classes de salas limpas:
Classe 1: contagem de 1 partícula por pé cúbico de ar;•
Classe 10: contagem de 10 partículas por pé cúbico de ar;•
Classe 100: contagem de 100 partículas por pé cúbico de ar;•
Classe 1000: contagem de 1000 partículas por pé cúbico de ar.•
E assim, sucessivamente, até a classe 100.000, que é a menos rigorosa existente.
 
Substrato
A grande maioria dos dispositivos eletrônicos como transistores, diodos e circuitos integrados é
fabricada sobre substratos semicondutores de silício monocristalino. Outros substratos utilizados são
germânio, arseneto de gálio, fosfeto de índio, entre outros materiais.
Etapas no processo de produção do substrato silício monocristalino, na forma de lâminas.
Obtenção de silício de grau metalúrgico:1.
forno de arco.•
Obtenção de silício de grau eletrônico (a partir do silício de grau metalúrgico):2.
reação com HCl: obtenção de triclorosilana e seus derivados;•
purificação da triclorosilana e seus derivados;•
reator em ‘U’: obtenção do silício policristalino.•
Obtenção dos tarugos de silício monocristálino (a partir do silício de grau eletrônico):3.
Czochralski (CZ);•
Fusão Zonal (FZ).•
Etapa final -> corte e polimento.4.
 
SEMANA 3 - FOTOLITOGRAFIA
Um circuito integrado possui inúmeras camadas de diversos materiais. Cada camada tem sua geometria
conforme o projeto a ser fabricado. De forma a transferir essa geometria para o CI, são fabricadas as
fotomáscaras com as geometrias desejadas. Posteriormente, devem-se gravar essas geometrias sobre
a lâmina de silício utilizando as fotomáscaras e os fotorresistes, no processo de fotogravação.
Na produção de fotomáscaras, a produção da máscara final é realizada através um processo de redução
e fotorrepetição a partir de um único desenho (retículo), produzindo uma máscara final para muitos
dispositivos e na dimensão final.
A fotomáscara consiste em uma lâmina de quartzo com cobertura de cromo ou óxido de cromo.
O fotorresiste é um material que muda a sua solubilidade quando exposto à uma fonte de luz
(fotossensível). Ele é aplicado sobre o substrato e a solubilização das áreas de interesse são
conseguidas através da exposição à radiação luminosa (ultravioleta), que sensibiliza as áreas expostas
pela fotomáscara utilizada no processo de fotogravação.
O fotorresiste pode ser positivo ou negativo, a diferença está na solubilidade em relação às regiões
expostas à radiação luminosa (ultravioleta). No fotorresiste positivo, as regiões expostas à radiação se
tornam mais solúvel em relação às regiões não expostas, sendo formado o padrão da fotomáscara. Já
no fotorresiste negativo, as regiões expostas se tornam menos solúveis que as regiões não expostas,
sendo que nesse caso o padrão formado é o oposto do padrão da fotomáscara.
Exemplo de obtenção de uma geometria desejada:
Aplicação do fotorresiste na lâmina;•
Lâmina é colocada no spinner para homogeneização da superfície do fotorresiste;•
Pré-backing para secagem do fotorresiste;•
Alinhamento da fotomáscara sobre a lâmina com fotorresiste na fotoalinhadora;•
Exposição à radiação luminosa;•
Corrosão;•
Remoção do fotoresiste.•
 
SEMANA 4 - OXIDAÇÃO DE DOPAGEM
Oxidação térmica
Processo que permite a obtenção de uma camada de óxido de silício (SiO2), a partir da lâmina de silício.
No processo de oxidação térmica, a lâmina de silício é exposta a uma atmosfera oxidante dentro do
forno de oxidação, provocando o crescimento do óxido de silício (SIO ). Para a formação da atmosfera
oxidante, normalmente são utilizados O ou H O.
2
2 2
No processo de oxidação térmica, inicialmente o oxigênio não encontra dificuldade de reagir com o
substrato que está diretamente exposto à atmosfera oxidante, e o óxido começa a se formar sobre o
substrato de silício a uma taxa linear. No entanto, à medida em que o processo avança, e já existe,
portanto, uma camada de óxido formada sobre o substrato, o oxigênio precisa permear (difundir) através
do óxido até alcançar o substrato e reagir com o silício para que mais óxido de silício (SIO ) seja
formado. Esse fato reduz a taxa de crescimento do óxido, passando então a apresentar uma taxa de
crescimento parabólico.
2
 
Tipos de oxidação térmica:Seca: produz óxidos de melhor qualidade (mais lenta);•
Úmida: produz óxidos de qualidade inferior à seca, porém é a mais rápida;•
Pirogênica: meio termo entre a seca e a úmida.•
É importante notar que existem outros métodos para se obter SiO (como a deposição por plasma), no
entanto, o processo mais importante na tecnologia dos CIs é a oxidação térmica.
2
 
Dopagem
A dopagem consiste na introdução de dopantes (semicondutores extrínsecos) de forma controlada num
semicondutor intrínseco, de modo a modificar a sua condutividade. No processo de dopagem, se o
semicondutor extrínseco for um doador (átomo pentavalente), será formada uma região do tipo N, já se o
semicondutor extrínseco utilizado no processo de dopagem for um aceitador (átomo trivalente), será
formada uma região do tipo P.
 
Dopagem por difusão
A dopagem por difusão possui duas etapas: pré-deposição e difusão. Na etapa de pré-deposição, a
lâmina de silício é exposta a uma atmosfera contendo gás dopante (também chamada de fonte infinita)
de alta temperatura. Na etapa de difusão, retira-se a fonte de dopantes e a lâmina é exposta a uma
atmosfera oxidante de alta temperatura (drive-in).
Há restrições quanto ao uso da dopagem por difusão quando há necessidade de construção de canais
estreitos no dispositivo. A restrição ocorre porque a difusão não acontece somente no sentido da
profundidade da região de dopagem, mas também em parte no sentido lateral, podendo ocasionar que
duas regiões acabem se encontrando.
O processo de difusão obedece à equação de Flick.
 
Dopagem por implantação iônica
Na dopagem por implantação iônica, íons dopantes são acelerados num canhão acelerador e feitos
colidir sobre o substrato (alvo) a ser dopado. A concentração de dopante inserido depende da corrente
iônica e do tempo de implantação. Ao passo que a profundidade depende da energia de aceleração do
íon.
Ao penetrar na lâmina de silício monocristalino, a colisão dos íons dopantes destrói a rede cristalina do
silício, criando regiões amorfas (fenômeno de amorfização). Dessa forma, é necessário um tratamento
térmico (recozimento) para reconstruir a rede cristalina.
 
Difusão versus implantação iônica
A dopagem por implantação iônica apresenta melhor uniformidade dopante e reprodutibilidade;•
A dopagem por difusão apresenta alto risco de contaminação, ao passo que a dopagem por
implantação iônica apresenta baixo risco de contaminação;
•
A implantação iônica pode ser realizada à temperatura ambiente (25 C), ao passo que a
dopagem por difusão requer altas temperaturas.
• °
 
SEMANA 5 - DEPOSIÇÃO E CORROSÃO
Deposição
Existem diversas técnicas que permitem a deposição de diferentes materiais sobre o substrato (lâmina
de silício). Utilizando técnicas de CVD e PVD, é possível a deposição de materiais dielétricos,
semicondutores ou ainda condutores.
CVD (Chemical Vapor Deposition) são processos que envolvem reação química. Usam gases ou
precursores em estado vapor e o filme é depositado a partir de reações químicas sobre a
superfície do substrato.
•
PVD (Physical Vapor Deposition) são processos em que ocorre transporte de massa. Vaporiza-
se o material sólido, por calor ou outro método, que é depositado sobre a superfície do substrato
para formar o filme fino sólido.
•
 
CVD (Chemical Vapor Deposition)
Dependendo da aplicação e das características desejadas para a deposição de materiais utilizando o
CVD, três diferentes tipos de reatores são normalmente utilizados:
Reator APCVD:•
Aplicações – Óxidos de baixa temperatura, dopados ou não;•
Vantagens – Simples, alta taxa de deposição e baixa temperatura;•
Desvantagens – Cobertura de degraus ruins e contaminação por partículas.•
Reator LPCVD:•
Aplicações – Óxidos de alta temperatura, dopados ou não, Nitreto de Silício, Polisilício, W
e WSi;
•
Vantagens – Excelente uniformidade e pureza, cobertura de degrau conforme,
processamento de lâminas de grande diâmetro;
•
Desvantagens – Alta temperatura e baixa taxa de deposição.•
Reator PECVD:•
Aplicações – Deposição de dielétricos sobre metais em baixa temperatura, Nitreto de
Silício para passivação;
•
Vantagens – Baixa temperatura, alta taxa de deposição, boa cobertura de degrau;•
Desvantagens – Contaminação química, como H2, e por partículas.•
 
Obs.: embora seja desejável que a reação química ocorra apenas na superfície, ou pelo menos perto
dela (a chamada reação heterogênea), normalmente ela pode ocorrer também na fase gasosa (reação
homogênea). A reação homogênea produz partículas que se introduzem no filme, resultando em pouca
aderência, baixa densidade e alta concentração de defeitos.
 
Corrosão
Normalmente, utiliza-se a corrosão úmida ou seca para a remoção parcial de material.
Corrosão úmida:•
Decapagem por processos químicos úmidos (reagente líquido). Única até a década de
80;
•
Técnica utilizada em processos de baixo custo e alternativa em processos menos críticos.•
Corrosão seca (dry etching):•
Processo de decapagem por fase gasosa (dry etching). Principal método atualmente;•
Utilização de plasma (reator RIE) em aplicações que demandam redução das dimensões
dos dispositivos eletrônicos (a redução pode ser tão grande nos dispositivos atuais, que
não podem ser obtidos por corrosão úmida).
•
 
Parâmetros da corrosão
Seletividade: é a relação entre a taxa de corrosão do filme a ser removido e da camada seguinte
(substrato ou outro filme).
Anisotropia: é a relação entre as taxas de corrosão horizontal e vertical.
 
SEMANA 6 - EPITAXIA E INTERCONEXÃO
Epitaxia
É um processo de formação de camadas de materiais que leva em consideração o substrato (é um
processo influenciado pelo substrato). Permite crescer inclusive silício monocristalino sobre o substrato.
Homoepitaxia: quando o material depositado é o mesmo material do substrato.
Heteroepitaxia: quando o material depositado é um material diferente do substrato.
A maioria dos processos epitaxiais são CVD, porém existem também processos PVD (por exemplo,
MBE). Os processos de epitaxia são bastante dependentes da forma (geometria) dos reatores utilizados.
A epitaxia permite ainda o crescimento de camadas homogeneamente dopadas. No entanto, pode
ocorrer o efeito indesejado de autodopagem, quando parte dos dopantes da camada epitaxial formada
podem invadir regiões vizinhas ou se perder para o ambiente.
Um exemplo da aplicação da epitaxia é na obtenção de camadas epitaxiais policristalinas como contato
de porta. Através do crescimento de silício policristalino dopado, é possível obter uma condutividade
elevada (próxima da condutividade dos metais), o que permite a sua utilização na construção de
circuitos com um maior número de conexões, uma vez que possibilita a realização de outros processos
em altas temperaturas durante a fabricação. Isso não seria possível somente com a utilização de metais,
pois não permitem a realização de processos a temperaturas muito elevadas.
 
Interconexões
Realizam as interconexões entre dispositivos internos no circuito integrado e também com o mundo
exterior. Nos níveis superiores as interconexões são mais espessas e nos níveis inferiores nas conexões
feitas com os dispositivos entre si, as conexões são mais finas.
O alumínio é o metal mais utilizado. No entanto, o uso de outros materiais como o cobre, o Si-poli, os
silicitetos e outros, se fez necessário para melhorar a dissipação de calor nos dispositivos. Como esses
materiais apresentam uma melhor condutividade (menor resistência à passagem de corrente) que o
alumínio, a dissipação térmica (aquecimento) é menor, tornando possível aumentar o grau de
integração, sem comprometer o funcionamento dos dispositivos e melhorando o seu desempenho.
Normalmente serão utilizados processos PVD para a deposição dos materiais que irão formar as
interconexões.
Etapas do PVD:
O material a ser depositado (fonte sólida) é vaporizado por processo físico: aquecimento ou
sputtering;
1.
O vapor é transportado da fonte até o substrato através de uma região de baixa pressão
(vácuo);
2.
O vaporcondensa sobre o substrato para formar o filme fino.3.
 
Técnicas PVD:
Evaporação Térmica•
O material a ser depositado é vaporizado por aquecimento. O vapor é transportado da
fonte até o substrato através de uma região de baixa pressão (vácuo). O vapor condensa
sobre o substrato para formar o filme fino.
•
Electron Beam (e-beam) ou Feixe de Elétrons•
Um feixe de elétrons incidindo sobre o material a ser depositado provoca a sua
vaporização lentamente (pode gerar raio X indesejado, podendo danificar o material).
•
Sputtering (Borrifamento)•
É utilizado o argônio que incide sobre um material de interesse (catodo alvo), liberando o
material ionizado que através de uma diferença de potencial é atraído e depositado sobre
o substrato;
•
Apresenta menor contaminação em relação à técnica de evaporação térmica.•
 
Finalmente, os silicetos são ligas formadas por silício e algum metal (ex: Titânio, Cobalto etc.),
utilizadas em regiões em que se quer diminuir a resistência de contato entre um contato metálico e o
silício no substrato. São obtidos através da deposição de algum metal sobre o silício, no qual através de
um processo de recozimento é formada uma liga que constitui o siliceto.
 
 
Semana 6 - Tecnologia CMOS
História
Em dezembro de 1947, o primeiro transistor foi inventado por John Bardaeen e Walter Brattain,
da Bell Laboratories.
•
A construção do primeiro circuito integrado por Jack Kilby, da Texas Instruments, foi realizada
em setembro de 1958, sendo patenteado em fevereiro de 1959. No entanto, transistores
possuíam um grande problema, eles apresentavam falhas devido às junções expostas à
superfície.
•
Em 1959 foi desenvolvido por Jean Hoerni da Fairchild Semiconductor o transistor planar de
silício, solucionando esse problema. A tecnologia planar fez com que Robert Noyce, também da
Fairchild Semiconductor, adaptasse essa tecnologia para desenvolver o primeiro circuito
integrado com tecnologia planar.
•
O estudo e desenvolvimento de processos de oxidação de silício permitiram o desenvolvimento
do tão sonhado transistor de efeito de campo, e em 1962 foi construído o primeiro circuito
integrado MOS, consistindo de 16 transistores NMOS de silício.
•
Transistores MOS de porta metálica: bastante utilizado até a década de 1980.•
Transistores MOS de porta de Poli-Silício: possibilitam a utilização de etapas térmicas de alta
temperatura, sendo uma evolução no processo de fabricação em relação aos transistores de
porta metálica.
•
 
A seguir, veremos as etapas de construção de um transistor PMOS de porta metálica a partir de uma
lâmina de silício (substrato N), que é um dispositivo mais simples. É possível acompanhar os principais
processos vistos durante o curso, e que agora são empregados durante o processo de fabricação (na
videoaula 7 é possível acompanhar também os processos na fabricação de um transistor PMOS de
porta de Poli-Silíco, que é uma variação e uma evolução do transistor de porta-metálica).
 
Oxidação térmica para crescimento em uma camada de SiO .1. 2
 
Fotolitografia:
 
2.
Aplicação do fotorresiste na lâmina;•
Colocação da fotomáscara sobre a lâmina com fotorresiste;•
Exposição à radiação luminosa;•
Corrosão;•
Remoção do fotorresiste.•
Dopagem por difusão térmica.
 
3.
Criação da região de porta -> nova etapa de Oxidação térmica e Fotolitografia.
 
4.
Oxidação eca para o crescimento do óxido de porta (obtenção de óxido de muito boa qualidade).
 
5.
Metalização (deposição) de Al (por Sputtering por exemplo).
 
6.
Fotolitografia para obtenção dos três terminais de contato do transistor MOS: Fonte, Porta e
Dreno.
7.
 
Tecnologia CMOS
Os transistores são sempre construídos de forma complementar, aos pares, simultaneamente (um
PMOS e um NMOS). Praticamente dominam todas as aplicações atuais que utilizam circuitos digitais. As
etapas no processo de fabricação desses dispositivos podem ser vistas passo a passo na videoaula 7.