1-2-Revisao-Microeletronica-2a-Aula-2

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Reviso : Processos em Microeletrnica (II)

2.1. Microeletrnica : Aspectos Histricos

2.2. Processos de Microeletrnica Obteno do Si : Czochralski Crescimento de Filmes

Spin-Coating Oxidao CVD e PVD

Fotolitografia Dopagem

Difuso Implantao Inica

2.3. Tecnologia MOS Resistor Capacitor Transistor

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Nesta aula

Prxima aula

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2.3

A fotolitografa uma tcnica para transferncia de padres geomtricos desde uma mascara ptica lmina de Si propriamente dita. Os padres na mascara ptica (que deve ser fabricada previamente) contm a geometria das diversas regies que formam os dispositivos e interconexes eltricas existentes nos circuitos integrados.

O processo de transferncia envolve o uso de um filme fotossensvel (o fotoresiste), que depositado sobre a lmina de Si, que exposto luz ultravioleta ( entre 200 a 400 nm) atravs da mascara ptica. Note que devido mascara ptica, apenas alguma regies do fotorresiste so de fato expostas radiao UV.

Aps a exposio, o fotorresiste passa por um processo de revelao, que envolve tratamentos trmicos e corroso para cura e remoo seletiva do fotorresiste foto sensibilizado, expondo regies da lmina de Si com a mesma geometria existente na mascara ptica.

A mascara ptica pode ser de emulso fotogrfica ou metlica (Cromo) O Fotorresiste pode ser de tipo Positivo ou Negativo, dependendo de qual ser a regio do

fotoresiste removida durante a revelao:

No fotorresiste positivo, as regies expostas luz se tornam solveis soluo de revelao e so facilmente removidos por esta. constitudo por um composto fotossensvel, uma resina e um solvente orgnico.

No fotorresiste negativo, as regies expostas se tornam menos solveis soluo de revelao e so facilmente removidas por esta. composto de material fotossensvel misturado com um composto polimrico.

2.2 Reviso de processos bsicos de Microeletrnica Fotolitografia

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Mscaras pticas 2.2 Reviso de processos bsicos de Microeletrnica

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Fotolitografia

Processo Fotolitogrfico :

Mascar de campo escuro

1. Limpeza da lmina de Si e aplicao do promotor de aderncia (HMDS)

2. Deposio do fotoresiste (positivo, tipo 1518, por Spin coating)

3. Secagem em estufa a 80oC, por 20 minutos

4. Alinhamento da mscara

6. Revelao do fotoresiste (s ) oluo ??, tempo ??)

7. Cura (endurecimento) do fotoresiste, em estufa a 100 oC por 30 minutos

5. Exposio a luz ultravioleta ()

2.2 Reviso de processos bsicos de Microeletrnica

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Fotolitografia

Mascar de campo escuro Mascar de campo claro


Fotoresiste Positivo : a radiao UV torna o fotoresiste exposto solvel no revelador

Note que o padro no fotorresiste igual

ao da mascara

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Fotolitografia 2.2 Reviso de processos bsicos de Microeletrnica

Mascar de campo escuro Mascar de campo claro

Note que o padro no fotorresiste o negativo

do da mascara

Fotoresiste Negativo : a radiao UV promove o croslink da rede polimrica e torna o fotoresiste exposto insolvel no revelador

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Fotolitografia na metalizao ...

substrato metal exposio metal + fotorresite

revelao do fotorresiste em ....

remoo do fotorresiste em ....

corroso seletiva do metal Al em .... Cr em ....


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Processo de exposio e resoluo 2.2 Reviso de processos bsicos de Microeletrnica

O processo de exposio do fotoresiste, realizado numa maquina expositora, que define parmetros tecnolgicos como a resoluo (dimenso mnima que pode ser transferida com preciso e fidelidade) e throughput (numero de exposio por hora)).

A exposio pode ser realizada por 2 mtodos bsicos, sombreamento e projeo. No mtodo por sombreamento, podemos exposio por Contato direto ou Proximidade:

Resoluo de ~1 um Danifica a mscara

Protege a mscara Difrao reduz ressoluo

para ~2 a 5 um CD=(.g)1/2

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Na exposio por projeo, um sistema ptico focaliza sobre o filme fotossensvel os padres contidos na mscara. Assim, tambm possvel expor separadamente pequenas regies da mscara, o que ajuda a aumentar a resoluo. A exposio de toda a mscara ou de mscaras com grandes dimenses feita movimentando horizontalmente tanto a ptica como as lmina.

R = k1NA

PC = k2

(NA)2

A resoluo (R) depende de parmetros como o comprimento de onda () da radiao UV utilizada, a abertura numrica da lente (NA) e da profundidade de campo (PC) : R at ~0,3 um

Melhores resolues, exigem radiao com l menor : como excimer lasers de KrF, ArF, F2.

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Para MEMS convencionais, onde em trabalhamos com dimenses de dezenas de microns, mais importante termos em mente o perfil real da pelcula de fotorresiste que obtido aps a revelao :

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2.4

A dopagem eltrica de um semicondutor envolve a alterao das suas propriedades eltricas atravs da adio controlada de quantidades nfimas (partes por milho ou menos) de certas impurezas especificas. Isto se manifesta de 3 formas bem particulares s encontradas nos semicondutores :

A possibilidade de existirem dois tipos de portadores de carga : eltrons (nos materiais tipo-N) e lacunas (nos materiais tipo-P)

A possibilidade de se alterar em ordens de grandeza, a condutividade eltrica do semicondutor

A possibilidade de formar regies de carga espacial dentro do semicondutor. Do ponto de vista tecnolgico, estas propriedades so extremamente importantes. nelas

que se baseiam praticamente todos os dispositivos semicondutores e toda a industria dos Circuitos Integrados.

Existem basicamente dois tipos de semicondutores dopados : Semicondutores tipo-N :

As impurezas so doadoras de eltrons ( No Si : P e As )

Semicondutores tipo-P : As Impurezas so aceitadoras de lacunas ( No Si : B )

2.2 Reviso de processos bsicos de Microeletrnica Dopagem Eltrica

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Tcnicas de Dopagem

Existem basicamente duas tcnicas para dopar Silcio, sendo que ambas so utilizadas de forma complementar na fabricao de fabricar dispositivos discretos (resistores, capacitores, transitores), Circuitos Integrados e MEMS :

Difuso Trmica: Baseada no movimento expontneo das partculas de regies de alta concentrao para regies de baixa concentrao. Assim, as impurezas so introduzidas no Si colocando a lamina a ser dopada em contato com uma fonte rica no elemento dopante. Normalmente a fonte de impurezas um ambiente gasoso, mas tambm podem ser utilizadas pelculas de xido dopado (SOG) pr-depositadas sobre o lamina de Si. Em ambos casos, a difuso ocorre em altas temperaturas (entre 800 e 1200 oC). Tipicamente usada na obteno das junes P-N profundas (em poos N e P de estruturas CMOS por exemplo).

Implantao Ionica : Nesta tcnica, ons ou molculas ionizadas de elementos dopantes so aceleradas num canho acelerador e feitos colidir sobre o substrato (alvo) a ser dopado. Os ons no feixe possuem, tipicamente, energias da ordem de algumas dezenas de keV e ao colidir com o alvo (lmina de Si), penetram no semicondutor abrindo caminho entre os tomos do material atravs de colises mecnicas sucessivas. Por esse motivo, o processo de Implantao Inica no requer altas temperaturas, embora processos de ps-recozimento sejam necessrios para ativar as impurezas e/ou reconstruir a rede cristalina do alvo. Tipicamente usada na obteno de junes P-N rasas (em regies de Fonte e Dreno em transistores MOS por exemplo).


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Difuso Trmica

Difuso em atmosfera gasosa : Forno de Difuso (similar ao de oxidao) Fontes gasosas de Impurezas : PH3, B2H6, AsH3 Fontes liquidas : BBr3, AsCl3, POCl3. Colocadas num borbulhador, as Impurezas so

arrastadas ao interior do forno por um gs inerte (N2).

O SiO2 e o Si3N4 funcinam como mascaras para a difuso

Perfil de concentrao : decresce monotonicamente a partir da

superfcie. Depende da temperatura e do tempo da

difuso Aplicao

Os para obter junes profundas, por exemplo em CMOS


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Difuso Trmica

Difuso a partir de xido dopado (SOG) :

Tambm ocorre num forno difuso, mas sem a gasosa. As impurezas so fornecidas ao semicondutor so aquelas existente no xido dopado.

O xido dopado depositado sobre sobre a lmina de Si por Spin-Coating, antes de se fazer a difuso.

Os perfis de concentrao apresentam as mesmas caractersticas da difuso em ambiente gasoso : Decrescem monotonicamente a partir da superfcie e depende da temperatura e do tempo da difuso

Aplicao


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Mecanismo de Difuso A difuso das impurezas atravs do semicondutor hospedeiro pode ocorrer de forma intersticial, com as impurezas ocupando stios entre os tomos, ou de forma substitucional, com as impurezas ocupando posies correspondentes aos prprios tomos da rede do Si. Note que para esto ocorra devem existir vacncias no material :

Difuso intersticial : Ea ~ 0,5 a 1,5 eV Fcil de ocorrer Difuso substitucional : Ea ~ 3 eV Difcil de ocorrer

1a Lei da Difuso :

Eq. da Continuidade : durante a difuso no h consumo nem formao de material no interior do semicondutor hospedero.

1a Lei de Fick :

onde consideramos que o coeficiente de difuso (D) constante (independente da concentrao de dopantes),o que em geral vlido para baixas concentraes de dopantes.

Difuso Trmica 2.2 Reviso de processos bsicos de Microeletrnica

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Difuso Trmica

Resoluo da Lei de Fick

Para encontrar uma soluo para a equao de Fick necessrio 1 condio inicial (no tempo) e 2 condies de contorno (no espao). Alm disso, podemos considerar dois casos extremos : Quando a Concentrao constante na Superfcie e quando a Concentrao total de impurezas Constante

Concentrao constante na Superfcie : Neste caso consideramos que existe na superfcie um suprimento infinito de novas partculas

(impurezas) que podem difundir. Isto faz com que na superfcie a concentrao tenha um valor constante igual a Cs :

Condio Inicial : C(x,0) = 0 Condies de contorno : C(0,t) = Cs e C(,t) = 0

Soluo : (I)

Note que a partir da curva de C(x,t) podemos obter a Concentrao total de impurezas por unidade de rea, Q(t), difundidas no interior do Semicondutor :

que a partir de (I) pode ser escrita na forma :

onde o Comprimento de Difuso :

C(x, t) = Cserfcx

2 Dt

Q(t) = C(x,t)dx0

Q(t) = 2Cs Dt 1.13Cs Dt

erfc(x) =1 erf (x)

erf (x) = 2

eu2du0

x

Funo Erro

Complementar


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Difuso Trmica

Resoluo da Lei de Fick

Concentrao total de impurezas Constante : Neste caso consideramos que no existes novas partculas (impurezas) entrando no semicondutor.

Portanto, a concentrao na superfcie varia (por causa da prpria difuso) mas o nmero total de partculas que pode difundir permanece constate Condio Inicial : C(x,0) = 0

Condies de contorno : C(,t) = 0 e

Soluo :


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Difuso Trmica

Etapa inicial de Pre-deposio

Na etapa de pr-deposio as impurezas difundem no Si a partir de um suprimento infinito de impurezas, seja este um ambiente gasoso ou um filme de xido dopado (SOG).

Note que esta etapa define a concentrao total de impurezas adicionadas ao semicondutor. O perfil de concentrao tem a forma da funo erro complementar que avana para o interior do substrato medida que o tempo de difuso aumenta.

Note que a concentrao na superfcie permanece num nvel constante, correspondente solubilidade solida

Nesta etapa, o gs de arraste mantido em condio de saturao, de forma que a concentrao independente da do fluxo de gs. ????

Em funo do exposto, na pratica a difuso de impurezas em Si realizada em duas etapas sucessivas. A primeira chamada de Pre-deposio de impurezas e a segunda Drive-in de impurezas.


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Difuso Trmica

Na etapa de drive in as impurezas j adicionadas so difundidas para atingir o perfil e profundidade final desejados. Esta etapa portanto, ocorre sem a presena da fonte de impurezas. O perfil de concentrao tem a forma mostrada ao lado.

Etapa final de Drive In


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Difuso Trmica

Exerccio 1 : Difuso com Concentrao constante na Superfcie : Considere uma lmina de Si na qual se quer difundir Boro a uma temperatura de 1000 oC por 1 hora. Sabendo que a concentrao de impurezas na superfcie do Si ser mantida em 1019 cm-3 e que o coeficiente de difuso do Boro em Si DB(1000 oC) = 2x1014 cm2/s, encontre o nmero total de impurezas por unidade de rea, Q(t), difundida nesse tempo e o gradiente de concentrao para x=0 e para a profundidade onde a concentrao de dopantes atingir 1015 cm-3.

Soluo : Nas condies acima Comprimento de Difuso ser :

Logo, o nmero total de impurezas por unidade de rea difundidas em 1 hora ser :

J o gradiente de concentrao para x=0 dado por :

Por outro lado, a profundidade xj na qual a concentrao de portadores C=1015 cm-3 ser dada por :

Portanto, o gradiente de concentrao nessa profundidade dado por :


Q(t) =1.13Cs Dt =1.13 1019 8.48 106 = 9.5 1013cm2

dCdx x=0

= CsDt =

1019 8.48 106 = 6.7 10

23cm4

x j = 2 Dt erfc-110151019

= 2 Dt (2.75) = 4.66 105cm

dCdx x=0.466m

= CsDt e

x 2 / 4Dt = 3.5 1020cm4

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Difuso Trmica

Exerccio 2 : Concentrao total de impurezas Constante : Sabendo que Arsnico foi difundido numa lmina de Si at se obter um nmero total de impurezas por unidade de rea igual 1014 cm-2, encontre a durao necessria da etapa de Drive-In para difundir o Arsenico at uma profundidade de xj = 1um. Considere que a dopagem original do substrato de Si Csub = 1015 cm-3 e que a etapa de Drive-In ser realizada a1200 oC. Alm disso, considere que para As em silcio o coeficiente de difuso extrapolado at T= Do = 24 cm2/s e que Ea = 4,08 eV.

Soluo :

De onde podemos escrever : tlog(t) 10,09t + 8350 = 0

A soluo desta equao pode ser econtrada pelo ponto de cruzamento das equaes :

y = tlog(t) e y = 10,09t 8350

A partir disso obtemos : t = 1190 s 20 minutes


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Implantao Inica

Na Implantao Inica, ons ou molculas ionizadas de elementos dopantes so aceleradas num canho acelerador e feitos colidir sobre o substrato (alvo) a ser dopado. A concentrao total final dos dopantes implantados e a sua distribuio no interior do substrato dependem de fatores como a massa dos ons implantados, a energia de acelerao, a corrente do feixe e a inclinao do substrato em relao ao feixe de ons (para evitar o channeling)


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Implantao Inica

Embora possa ser realizada em amostras aquecidas, a Implantao Inica realizada normalmente temperatura ambiente.

As doses implantadas podem variar entre 1011 e 1018 cm-2 dependendo da corrente do feixe inico e do tempo de implantao.

As energias de implantao podem variar entre alguns keV e algumas centenas de keV, o que em geral leva a profundidade de penetrao de impurezas relativamente baixas.

Contrariamente difuso trmica, na Implantao inica a concentrao mxima de impurezas no ocorre na superfcie do substrato mas sim a uma certa profundidade, o alcance mdio, que depende da energia de implantao. Por exemplo, o o alcance mdio do fsforo implantado com 100 keV em Si de ~0,15 um


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Implantao Inica

Em geral,so nevcessrios processos de recozimento ps implantao para ativar eletricamente as impurezas implantadas.

Os fenomenos de espalhamento dos ons no interior so substrato so bem conhecidos e portanto existem bons simuladores computacionais da Implantao Inica. O mais conhecido deles o programa TRIM ( http://www.srim.org ).

Atravs desta ferramenta possvel prever teoricamente o perfil de dopagem para um certo on, alvo, energia e dose implantada. Por exemplo, para obter dopagens com um perfil constante de concentrao necessrio fazer varias implantaes com diferente energia.


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Implantao Inica vs. Difuso trmica

A Implantao Inica ocorre em baixas temperaturas e envolve tempos mais curtos de processamento, alm de apresentar melhor homogeneidade e reprodutibilidade

A Implantao Inica permite um controle preciso das doses implantadas, o que particularmente importante para baixas contraes de dopantes. Por exemplo, o ajuste do Vt de transistores MOS.

Na implantao podem ser usados, alm do SiO2 e Si3N4, outros materiais para fazer o mascaramento, como fotorresiste e metais

A Implantao tambm pode ser feita atravs de pelculas finas de material de mascaramento,

Graas ao baixo alcance mdio, a Implantao Inica ideal para dopagens rasas e com altos gradientes de concentrao.

Varias Implantaes com diferentes doses e energia podem ser realizadas em seqncia. Isto permite ajustar e otimizar os perfiz de concentrao de dopantes.

A implantao provoca danos na estrutura do substrato


Implantao Inica

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Responda as seguintes questes e entregiue na prxima aula :

Explique o que o fotoresiste e no que se baseia a sua fotosensibilidade.

Qual a diferena entre fotoresiste positivo e negativo

Descreva a sequncia de processos para fabricar um resistor de Si por difuso trmica de impurezas numa lamina tipo-N

No contexto do processo de difuso trmica, explique a diferena entre a Etapa inicial de Pre-deposio e a etapa de Drive-in

Durante a implantao inica as lminas alvo de Si ficam carregadas ?. Como Explique como feita medida da dose total implantada

Explique como pode ser obtido uma regio dopada com perfil de dopantes aproximadamente constante utilizando Implantao Inica.

Trabalho 3

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