Tecnologia Bipolar. João Paulo Cerquinho Cajueiro 18 de março de 2008

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1 Tecnologia Bipolar João Paulo Cerquinho Cajueiro 18 de março de 2008 Transistor bipolar vertical NPN O Processo de fabricação bipolar foi pensado, como a maioria dos processos de fabricação integrada, para servir a circuitos digitais. Por conta disto, ele prioriza o funcionamento de apenas um elemento: O transitor bipolar vertical NPN (figura 1). Transistores NPN tem um desempenho melhor em comparação a transistores PNP de mesmo tamanho pois seus portadores (elétrons) tem maior mobilidade, o que torna o desempenho destes transistores melhor. Todos os outros dispositivos são feitos com base nas camadas disponíveis para este. Para que vários transistores possam ser fabricados num mesmo cristal de silício, é necessário isolá-los. Isto pode ser feito encobrindo o transistor (ou seja, toda a região do coletor) com uma junção reversamente polarizada, onde cada transistor ficaria então como uma ilha cercada de silício p por todo o lado (ou melhor, um barco, pois terá silício p por baixo também). Na tecnologia bipolar, isto é feito iniciando o processo com um substrato p e crescendo uma camada n- por epitaxia (ou seja, mantendo a orientação cristalina) que formarão os coletores. Para isolá-los, é necessário então uma camada p profunda, que alcance o substrato p. Além de isolar os transistores, esta camada também serve para polarizar o substrato, pois agora há uma área p na superfície, onde pode ser conectado a um metal. Na figura 1 é possível ver que o transistor fica todo cercado por material p-, do substrato e das da dopagem p- profunda. Coletor Base Emissor Substrato Figura 1: Vista em corte de um transistor NPN vertical. Uma região dopada n+ é vermelha, n- é laranja, p+ é azul escuro e p- é azul claro; o cinza é óxido de silício e o branco é metal. Analisando apenas as regiões de coletor, base e emissor, o emissor deve ter uma dopagem maior que a base para melhorar o β do transistor e o coletor deve 1

2 ser pouco dopado para ter uma alta tensão Early e alta tensão de ruptura, logo é interessante que o corpo de transistor seja o coletor e a base e o emissor sejam difusões. Apesar do transistor ser vertical, o contato de coletor não pode ser feito por baixo como em um transistor não-integrado já que há vários transistores numa mesma pastilha. Por conta disto a resistência parasita do coletor (ou seja, a resistência ôhmica da região do coletor) vai variar muito em função do tamanho do transistor e do local de contato do coletor. Um transistor grande com alta resistência parasita de coletor apresentaria um consumo de potência muito grande, o que diminuiria sua utilidade. Uma camada n+ entre o susbstrato e a camada epitaxial n- é necessária para garantir um caminho de baixa impedância para a corrente de coletor. Note na figura 1 que tal camada existe. Ela é chamada de camada n enterrada (n buried layer). Esta camada é fabricada (por dopagem) antes que a camada epitaxial seja crescida para garantir que esteja localizada entre o substrato e a camada epitaxial. Inclusive, uma das razões do coletor ser fabricado por crescimento epitaxial e não por difusão é justamente para garantir que a camada n enterrada esteja na posição correta. Finalmente, uma última camada (chamada de n profunda) é feita abaixo do contato de coletor, permitindo uma menor resistência parasita de coletor. Sequência de fabricação. Como já foi dito, a fabricação começa com um silício com baixa dopagem p e é feita uma difusão n+, que vai formar a camada n enterrada. Para realizar a dopagem, é necessário fazer todo o processo fotolitográfico: 1. Crescer o óxido de silício por oxidação. 2. Depositar o fotorresiste. 3. Iluminar o fotorresiste através da máscara que define a região da camada n enterrada. 4. Retirar o fotorresiste iluminado (se for positivo) ou não iluminado (se for negativo). 5. Corroer o óxido onde não há fotorresiste. 6. Limpar o fotorresiste restante (junto com outras impurezas). 7. Fazer a dopagem propriamente dita através de difusão ou implantação iônica. 8. Esquentar a pastilha por algum tempo para retirar imperfeições do cristal (nem sempre é feito). 9. Corroer o óxido restante. No caso em questão, normalmente a dopagem é feita por difusão, que é mais barata. Ao final deste processo temos a figura 2. Note nesta figura que foi desenhada a camada enterrada ficando um pouco abaixo da superfície do silício. Isto acontece pois quando do recozimento da pastilha (item 8) há uma pequena

3 oxidação. Esta oxidação é mais profunda onde não havia óxido antes, o que cria esta depressão depois que o óxido é retirado. Esta marca que fica é utilizada para alinhar a estrutura nas etapas seguintes. Camada n enterrada Substrato Figura 2: Substrato e camada n enterrada Como esta é a primeira camada a ser implantada, ela vai sofrer um espalhamento (difusão) ao longo de toda a fabricação do circuito. Para diminuir isto, o dopante utilizado em geral é arsênico ou antimônio, que tem baixa constante de difusão. A próxima etapa é o crescimento epitaxial da camada n-, que vai agir como coletor do transistor. A figura 3 mostra como fica a vista em corte após esta etapa. Note-se um pequeno chanfro na superfície do silício; ele é uma sombra do chanfro da camada n enterrada que aparece mesmo após a epitaxia e é usado para o alinhamento das camadas seguintes. Deve-se certa atenção já que, devido a orientação cristalina, ele é deslocado de sua posição original, como mostrado. Por simplicidade este detalhe não será mostrado nas figuras seguintes. Após Camada epitaxial µm Figura 3: Camada epitaxial. a epitaxia, são feitas as difusões de isolação (a p profunda para o contato do substrato), n profunda (do coletor), de base (do tipo p) e de emissor (do tipo n+), nesta ordem. A ordem é importante pois cada difusão significa colocar a pastilha em alta temperatura, o que faz as dopagens anteriores se espalharem ainda mais. Como a região de emissor é a mais crítica (pois define a área do emissor e a largura da base), ela é a última, logo após a de base (que também influencia na largura da base, obviamente). Cada uma dessas dopagens utiliza uma máscara fotolitográfica e segue o roteiro já mostrado. A figura 4 mostra a vista em corte após todas as dopagens. Note que a camada de emissor é também utilizada no coletor. Isto é feito para garantir que o contato do metal com o coletor seja ohmico. Se o contato fosse feito direto com a camada epitaxial, haveria o risco de se fazer um diodo schottky acidentalmente. Pela mesma razão a camada de base é também utilizada nas regiões de contato com a camada p profunda, que ligam ao substrato. A interligação dos transistores é feita através de metal, mas é preciso ter uma camada isolante para que só exista contato do metal onde for necessário. O isolante utilizado é o óxido de silício, que é criado através de oxidação a vapor e corroído onde deve existir contato. Novamente é utilizado o processo fotolitográfico para definir as aberturas de contato. Por sobre o óxido é depositado o metal de interligação e é feita mais uma litografia para corroê-lo onde não é desejado. Ao final destas etapas a vista em

4 emissor base n profunda isolação Figura 4: Vista em corte após as dopagens. corte do transistor fica aquela mostrada na figura 1. Uma única camada de metal não é o suficiente para fazer a interligação de circuitos minimamente complexos, então outras camadas de metal de interconexão são utilizadas. O processo de colocar estas outras camadas é idêntico ao da primeira com exceção que agora o isolante é depositado, uma vez que não há mais uma superfíce de silício a ser oxidada. O isolante depositado pode ser o próprio óxido de silício, mas é mais comum se usar nitreto de silício. Finalmente, uma última camada grossa de nitreto de silício é depositada para proteção física e química do circuito. Esta camada é aberta em alguns lugares (chamados de pads) dando acesso à última camada de metal. Outros dispositivos Em geral os programas de CAD (computer aided design) para circuitos integrados trabalham com o desenho das máscaras numa única tela, com cores e texturas diferentes para cada máscara. A figura 5 mostra o desenho das máscaras (conhecido pelo termo layout) do transistor NPN vertical mostrado aqui. Metal Contato Coletor Emissor Base Camada n enterrada Tanque (área ativa) Figura 5: Layout do transistor bipolar vertical. Alguns comentários quanto ao layout mostrado: Como o dispositivo é vertical, a área da junção base-emissor é praticamente a mesma área da máscara do emissor, logo o mesmo costuma ser circular para minimizar o efeito da variação de área que as bordas causam. Mas algumas tecnologias simplesmente não aceitam círculos, devido principalmente a fabricação das máscaras. Neste gráfico não aparece a máscara das difusões p profundas e aparece uma máscara chamada tanque (ou área ativa). Na verdade uma é o inverso da outra.

5 Como o transistor deve ser circundado pela difusão p profunda e não importa se esta difusão existe onde não existe um dispositivo, então fica mais fácil definir a área onde serão definidos dispositivos (logo área ativa) e a difusão de contato com o substrato ocupa todo o resto. O nome tanque vem de que o transistor fica dentro de um tanque (mais no sentido de banheira, ou tanque de água) tipo n. Cada etapa a mais no processo encarece a fabricação de circuitos integrados, logo todo outro dispositivo é fabricado com as mesmas máscaras e etapas do transistor vertical NPN. Isto faz com que estes dispositivos tenham um funcionamento muitas vezes longe do ótimo, muito embora funcionem. Entre os dispositivos possíveis de ser fabricados no processo bipolar, os principais são o transistor PNP vertical e lateral, resistores de emissor, base e pinch e capacitores de junção. Transistor PNP vertical O transistor PNP vertical utiliza o substrato do circuito como coletor, o tanque n como base e a camada de base como emissor (figura 6). Seu uso é muito limitado pois são poucos os circuitos que tem o coletor de um PNP ligados à menor tensão do circuito (substrato). Além disso, o β deste transistor é muito pequeno devido ao comprimento excessivo de sua base. Base Emissor Coletor Figura 6: Layout e vista em corte do transistor PNP vertical. Transistor PNP lateral O transistor PNP lateral é obtido através de 2 difusões de base (que fazem o papel de emissor e coletor) e do corpo (coletor) de um transistor NPN. A figura 7 mostra o layout e a vista em corte de um destes dispositivos. Apesar de funcionar como um transistor, este dispositivo apresenta vários problemas. Como a base é agora o corpo do transistor e tem uma dopagem pequena, ele apresenta uma alta resistência de base, o que afeta principalmente a velocidade deste transistor. A tensão Early e a tensão de ruptura deste dispositivo são bem menores que as do NPN devido a alta dopagem do coletor. Além disso, a área da junção base-emissor depende agora da profundidade da difusão de emissor, que é pequena. Com isto este dispositivo não suporta

6 Base Coletor Emissor Figura 7: Layout e vista em corte do transistor PNP lateral. altas correntes. E o β dele é bem menor, pois a base não é tão estreita quanto a do NPN. Resistores Existem 3 tipos principais de resistores na tecnologia bipolar, cujos layout podem ser vistos na figura 8: resistor de base, resistor de emissor e resistor tipo pinch. a) b) c) Figura 8: Layout dos resistores a)de base, b)de emissor e c)tipo pinch. Os resistores de emissor e base são simples de entender, já que são apenas uma longa tira da difusão de emissor ou de base, respectivamente. Como o resistor de base deve ser feito dentro de uma área ativa, é necessário que ele trabalhe em tensões abaixo da tensão de polarização da área ativa, pois senão haveria uma junção reversamente polarizada e teríamos fuga de corrente. De modo similar, para definir a região do resistor de emissor, o mesmo deve ser feito

7 dentro de uma emissão de base e só podemos trabalhar com ele com tensões acima da tensão desta tensão de base. Estes dois resistores tem resistência de folha similar, da ordem de 120 Ω/, já que as maiores dopagem e mobilidade da difusão de emissor acabam contrabalenceadas pela maior profundidade da difusão de base. Isto faz com que seja difícil fazer resistores de valores altos utilizando estas técnicas. Isto é resolvido com o resistor pinch, que tem resistência de folha da ordem de 2 kω/. A figura 9 mostra uma vista em corte simplificada de um resistor pinch. Nesta figura é possível ver os dois contatos do resistor, feitos na região de base. Neste tipo de resistor a difusão de emissor é colocada por cima da difusão de base, o que faz com que sua espessura seja agora o comprimento da base de uma resistor npn - ou seja, o resistor fica estrangulado (e daí vem o termo pinch em inglês). Esta espessura pequena é que faz com que a resistência deste tipo de resistor seja tão alta. comprimento Figura 9: Vista em corte de um resistor do tipo pinch. O problema dos resistores da tecnologia bipolar é justamente que todos eles são feitos de regiões dopadas limitadas por uma junção reversamente polarizada. Se a tensão sobre esta junção variar, varia também a largura da região de depleção e consequentemente a espessura do resistor. Isto significa que estes resistores são, na verdade, transistores JFET, logo sua resistência depende da tensão aplicada a eles. Infelizmente não existe um resistor na tecnologia bipolar que não tenha este problema. Capacitores Os únicos capacitores possíveis de serem fabricados na tecnologia bipolar são capacitores de junção. Quer dizer, a princípio é possível fazer capacitores de placas paralelas usando as camadas de metal e os óxidos de silício, mas eles tem valores muito pequenos. Este tipo de capacitor opera com a junção reversamente polarizada (para que não haja corrente no capacitor) com base na capacitância de depleção. Na prática isto significa que os capacitores só podem ter uma polaridade e que seu valor varia com a tensão - o que não são características desejadas na maioria das aplicações de capacitores. Os capacitores mais comuns são obtidos utilizando a junção base-emissor ou base-área ativa.