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Revisão : Processos em Microeletrônica (I)
2.1. Microeletrônica : Aspectos Históricos
2.2. Processos de Microeletrônica Obtenção do Si : Czochralski Crescimento de Filmes
Spin-Coating Oxidação CVD e PVD
Fotolitografia Dopagem
Difusão ImplantaÇão Iônica
2.3. Tecnologia MOS Resistor Capacitor Transistor
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Microeletrônica 2.1
Índice
• A teoria : O desenvolvimento da “Mecânica Quântica” nas primeira décadas do século XX forneceu as bases teóricas para o entender o comportamento dos elétrons e átomos no interior dos materiais sólidos. Esta “Física do Estado Sólido” era baseada na “Teoria de Bandas de Energia” e permitiu entender a interação da radiação com a matéria e propriedades como a condução térmica e elétrica dos materiais.
• O material : A “Teoria de Bandas de Energia” permitiu explicar, entre outras coisas, a existência de metais, isolantes e também dos chamados materiais semicondutores. Estes materiais apresentam uma condutividade elétrica intermediaria entre metais e isolantes, que aumenta com a temperatura e, principalmente, podem ser “dopados”. Do ponto de vista tecnológico, os principais materiais semicondutores da atualidade são o Ge, o AsGa e principalmente, o Silício, que é base de toda a industria dos Circuitos Integrados.
• O dispositivo : Embora os dispositivos microeletrônicos incluam capacitores, diodos, transistores bipolares, etc., os circuitos microeletrônicos são baseados em um dispositivo em particular : o transistor, que pode funcionar como um amplificador de sinais ou como uma chave elétrica (nos circuitos digitais).
• A tecnologia : Os Circuitos Integrados são fabricados através de diversas técnicas de microfabricação que definem uma tecnologia em particular : a chamada tecnologia CMOS.
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• 1900’s : Tubo de Vácuo * 1904 : 1er diodo, fabricado por John A. Fleming * 1906 : Válvula triodo, 1er amplificador eletrônico : Lee de Forest Foto
• 1928 : Transistor FET (Julius Edgar Lilienfeld) (US Patent 1900018)
• 1939 - 1941 : Russell Ohl : descobre a junção PN e inventa a Célula Solar
• 1940’s : Invenção do Transistor
* 1947 - 1er Transistor (de ponta) : Bardeen, Brattain, (Bell Lab) Foto J. Bardeen and W. H. Brattain, "The Transistors, a Semiconductor Triode," Phys. Rev. 74, 230 (1948); W. Shockley, J. Bardeen, and W. H. Brattain, "Electronic Theory of the Transistor," Science 108, 678 (1948).
* 1948 - 51 Transistor (de junção) : Shockley (Bell Lab) Foto
• 1950’s : * 1952 : Fabricação dos 1os monocristais de Si * 1954 : 1er Transistor de Si (de junção) : Texas Instruments * 1954 - 59 : Transistor (de junção) : Shockley (Bell Lab) * 1958 : 1er Circuito Integrado (de Ge) : (Jack Kilby, da Texas Instruments) Foto * 1959 : Desenvolvimento da Tecnologia Planar de Si (Robert Noyce da
Fairchild Semiconductor).
A tecnologia : Aspectos históricos
• 1961 : 1er Circuito Integrado Comercial (de Si) (Fairchild) Foto
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Fabricação do Transistor MOS
A tecnologia CMOS
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Tecnologia “CMOS”
• Oxidação • Fotolitografia • Dopagem • Metalização • Corrosão
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Processos para Microeletrônica 2.2
Índice
• Obtenção do Si : Czochralski
• Crescimento de filmes “Spin-Coating” Oxidação CVD e PVD
• Fotolitografia
• Dopagem
• Corrosão
• Soldagem direta de Si (SOI)
Microeletrônica Tecnologia
dos CI’s
Serão vistos mais adiante, junto com as técnicas para MEMS
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Material Bruto
2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
Obtenção de Silício
Silício Policristalino
grau eletrônico Pureza : 1 em 106
Monocristal de Silício
Quartzita (areia) + Carbono Sisólido + CO (gás)
Forno de arco elétrico
Produz Si policristalino grau metalúrgico (98% de pureza)
SiHCl3 + H2 + 1100 oC Si (Cristal) + 3 HCl
Si (pó) + 3HCl + 300 oC SiHCl3 (gás) + H2 (gás)
A seguir um processo destilação fracionada eleva a pureza do SiHCl3 (liquido à 25 oC )
Produz Si policristalino grau eletrônico, com pureza de 1 parte em 106, sobre um bastão de Si aquecido
eletricamente e que funciona como semente
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• Temperatura : 1400 oC • 2 a 5 cm/hora • precisão na orientação : 0,5 a 1%
Silício grau eletrônico
Método Czochralski
2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
O “lingote” de Si um monocristal com pureza superior a 1 parte por 109
Pureza : 99,9999999 %
Obtenção de Silício
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Silício
Resistência mecânica !!
2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
• Corte • Polimento • Lâminas de até 300 mm
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Silício 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
(100)
(111)
Os chanfros indicam :
• Tipo de portador • Orientação
cristalográfica
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Crescimento de Filmes
Oxidação térmica do Si • Úmida e seca • 1000 - 1200 oC
SiO2
• SiO2 • Si3N4 • Si • SiOxNy • SiC
• Semicondutores • Óxidos metálicos • Metais :
• Al, • Cr, • Metais refratarios
Physical Vapor Deposition (PVD) • Sputtering • Sputtering reativo • Evaporação
Chemical Vapor Deposition (CVD) • Epitaxia (Homo e Hetero) • Atmospheric Pressure CVD (APCVD) • Low Pressure CVD (LPCVD) • Plasma Enhanced CVD (PECVD)
Spin-Coating • Fotoresiste (Polímeros) • Vidro Boro Silicato
(SiO2 baixa temperatura)
2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
15 Índice
• “Spin-Coating” (ou “spin-on”) é uma técnica em fase liquida utilizada para produzir, à temperatura ambiente, filmes finos de materiais poliméricos (especialmente fotoresiste) e películas dielétricas.
• Diferentemente da maioria dos outros métodos para obtenção de películas em microeletronica, envolve processos e equipamentos relativamente simples e baratos.
• Uma amostra de solução liquida do material a depositar é colocada sobre o substrato que posto a girar a velocidades entre 500 e 5000 rpm por tempos da ordem de algumas dezenas de segundos. Isto espalha a solução e produz um filme com espessura uniforme sobre todo o substrato.
• As variáveis importantes são a viscosidade da solução e a velocidade e o tempo de rotação
“Spin - Coating” 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
16 Índice
Dentre os materiais depositados por “Spin - Coating” podemos destacar :
• Fotoresiste : com espessuras entre 0,5 um e ~5 um (no LME)
• Polyimidas : com espessuras entre 0,5 um e ~20 um
• Epoxi SU-8 : com espessuras que podem exceder 200 um
• “Spin-on-glass” (SOG) :
com espessuras de 0,1 a 0,5 um Microeletrônica
com espessuras de 5 a 100 um MEMS
“Spin - Coating” 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
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• Além disso, películas de óxido dopado SOG pode ser utilizadas como fonte de impurezas em processos de difusão para introduzir dopanten em Si. Como veremos, esse processo de difusão é feito em duas etapas :
¤ A primeira etapa é a “pre-deposição” de impurezas, quando estas migram do óxido SOG para o Si, saturando a sua superfície. O óxido SOG é removido em (HF) logo em seguida.
¤ A segunda etapa é o “drive-in” de impurezas, quando por um processo de difusão em altas temperaturas, os dopantes penetram dentro da lâmina de Si.
• Embora suas propriedades dielétricas sejam inferiores às de filmes de SiO2 obtidos por outras técnicas (como a oxidação térmica), os óxidos SOG são amplamente utilizado devido :
¤ à facilidade de uso e à possibilidade de ser obtido em baixas temperaturas, ¤ a sua baixa constante dieletrica ¤ ao seu baixo stress ¤ à sua excelente aderência ao substrato de Si
• O óxido SOG é obtido tipicamente, a partir de siloxanas com tamanho de partículas na faixa entre 35-100 nm.
2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
“Spin on Glass” (SOG)
• O óxido depositado por “Spin-Coating” ou simplesmente “Spin on Glass” (SOG) é obtido a partir de uma mistura liquida de siloxanas ( -[R2SiO]n ) e dopantes em suspensão.
• Devido às suas propriedades isolantes e capacidade de “escorrer”, ele pode ser utilizado para planarizar a superfície de lâminas nas quais já foram realizadas várias etapas de metalização.
18 Índice
• A oxidação do Si é uma técnica essencial na fabricação de CI’s porque o óxido de silício (SiO2) é um material fundamental tanto no funcionamento dos dispositivos semicondutores como nos processos de fabricação. Embora existam diversos métodos para se obter SiO2 (como a anodização eletroquímica e a oxidação por plasma) o processo mais importante na tecnologia dos Circuitos Integrados é a oxidação térmica do Si.
• A oxidação térmica é feita num Forno de Oxidação em temperaturas entre 900 e 1200 oC. A atmosfera oxidante é obtida utilizando O2 ou vapor de água, em fluxos das ordem de 1 cm3/s :
ASPECTOS CRÍTICOS :
• A rampa de aquecimento, para atingir suavemente a temperatura de oxidação, e de resfriamento na remoção das lâminas do forno
• O perfil de temperatura ao longo do forno. A variação desta temperatura deve ser menor que ±1 oC.
2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
Oxidação do Si
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IMPORTÂNCIA do SiO2 :
• Dielétrico de porta em estruturas MOS :
Limpeza é de extrema importância antes da oxidação :
• Camada de isolação entre :
• entre o Si-poli e camadas metálicas • camadas metálicas em sistemas de vários níveis metálicos
• Camada de passivação e proteção
• Barreira de difusão em processos de dopagem ( difusão e I/I )
• Mascara em processos de Corrosão
• contaminantes orgânicos (óleos) • contaminantes metálicos • íons alcalinos (sódio)
Processo RCA remove
2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
Óxido de Si
20 Índice
Oxidação térmica do Si (entre 900 e 1200 oC)
Si(sólido) + O2(gás) SiO2 (oxidação seca)
Si(sólido) + 2 H2O SiO2 + H2 (oxidação úmida)
• Não são necessárias altas temperaturas para que ocorra a reação de oxidação, portanto, mesmo à temperatura ambiente existe uma fina camada de SiO2 com ~25 A de espessura. Este óxido é denominada “óxido nativo”. À temperatura ambiente porém, a difusão de oxigênio não é suficiente para manter um processo continuo de oxidação.
• Isso porque o processo de oxidação é “limitado por difusão” :
para manter o processo de oxidação, os átomos de oxigênio devem difundir através da camada de oxido já existente, até atingir a superfície do Si.
O processo de oxidação corre na interface SiO2/Si
2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
Oxidação
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• Como o processo de oxidação ocorre na interface Si/SiO2, a superfície onde ocorre a oxidação não vê a atmosfera e, portanto, é praticamente livre de impurezas contaminantes.
• É importante notar que a oxidação consome Si do substrato. Em particular, se a espessura final do SiO2 térmico é "Tox", então ~44 % de Tox cresce para dentro do Si. Por exemplo, se crescermos 1 um de SiO2 térmico, ~0,44 um do susbtrato serão consumidos nesse processo. Ou seja, a espessura inicial do substrato aumenta apenas ~0,56 um.
Oxidação 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
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• Modelo de Deal - Grove (tox > 300 A)
1a Lei de Fick (Difusão)
• No início (t pequeno), a oxidação é controlado pela taxa de oxidação na interface SiO2/Si : tox ~ t
• Para tempos maiores, a oxidação é controlado pela difusão do oxigênio através da camada de SiO2 : tox ~ (t)1/2
2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica
Oxidação : Cinética da reação
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Ler
• A leitura das seguintes referencias da uma boa visão dos aspectos históricos relacionados ao desenvolvimento das microeletrônica :
¤ “Crystal Fire - The invention of the transistor and the birth of the information era”, M. Riordan and L. Hoddeson, Ed. W.W. Norton & Company Ltda., 1997.
¤ "The Transistors, a Semiconductor Triode" J. Bardeen and W. H. Brattain, Phys. Rev. 74, 230 (1948).
¤ "Electronic Theory of the Transistor”, W. Shockley, J. Bardeen, and W. H. Brattain, Science 108, 678 (1948).
¤ http://www.computerhistory.org/semiconductor
¤ http://www.pbs.org/transistor/
2.1 Aspectos históricos
As leituras são obrigatórias : O conteúdo deste e outros textos indicados no futuro, será cobrado em exercícios e provas.
Trabalho 2
“The Silicon Dioxide Solution”, de Michael Riordan, pubicação online da IEEE, link : http://www.spectrum.ieee.org/dec07/5729
Descrever a sequência de etapas no processo planar, destacando o papel da óxido e da fotolitografia
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Lee de Forest, 1er amplificador eletrônico
1.2 Aspectos históricos Primeiro Amplificador Eletrônico : 1906
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J. Bardeen e W. Brattain, do Bell Lab
Primeiro Transistor : 1947
• J. Bardeen and W. H. Brattain, "The Transistors, a Semiconductor Triode," Phys. Rev. 74, 230 (1948); • W. Shockley, J. Bardeen, and W. H. Brattain, "Electronic Theory of the Transistor," Science 108, 678 (1948).
2.1 Aspectos históricos
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William Shockley, do Bell Lab 1er Transistor de Junção (Ge)
Primeiro Transistor de Junção : 1948-51
1er Transistor comercial (de ponta - 1949)
2.1 Aspectos históricos
Processo LIGA
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Jack Kilby, da Texas Instruments, utilizando Ge
Primeiro IC : 1958 2.1 Aspectos históricos
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Tecnologia planar : 1959
Oxidação do Si + Fotolitografia + Difusão através de aberturas no SIO2
Para entender a real importância do processo planar é necessário lembrar que final da década dos 50’s os Transistores eram de ponta ou de junção (por processo “Liga” ou “MESA”)
2.1 Aspectos históricos
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Primeiro CI (eletrodos integrados) : 1959
• Oxidação da superfície do Si
• Fotogravação e corrosão seletiva do SiO2 para abertura das regiões de difusão
• Difusão de impurezas
2.1 Aspectos históricos
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Note que o SiO2 é mantido, isolando e protegendo as junções
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