Centro Federal de Educação Tecnológica de Pelotas CEFET-RS. Aula 02. Processo de Fabricação. Prof. Sandro Vilela da Silva.

Transcrição

1 Centro Federal de Educação Tecnológica de Pelotas CEFET-RS Projeto Físico F Digital Aula 02 Processo de Fabricação Prof. Sandro Vilela da Silva sandro@cefetrs.tche.br

2 Copyright Diversas transparências desta aula foram gentilmente cedidas pelo Prof. Dr. Gilson Wirth (UERGS - Unidade Guaíba), tendo sido apresentadas no curso Tecnologia de Implementação CMOS da EMicro2004. Alguns desenhos estão no livro Concepção de Circuitos Integrados (R. Reis, organizador. Ed. Sagra-Luzzatto, 2002, 2 a edição) Outras transparências pertencem à disciplina Concepção de Circuitos Integrados da UFRGS e foram preparadas pelo Prof. Dr. Ricardo Reis slide 1.2

3 Obtenção do Material Semicondutor Cristal de quartzo SiO2 Com grau de pureza de pelo menos 99,5% Reação com carbono em alta temperatura Reação reversível com cloro em alta temperatura silício impuro Destilação em temperatura elevada (purificação) SiCl4 (líquido) Condensação SiCl4 (líquido) cloro Silício puro policristalino slide 1.3

4 Obtenção do Cristal de Silício O contato da semente com o silício fundido causa a cristalização a partir da orientação existente da semente girar motor subir Processo Czochralski: semente de silício monocristalino cilindro de silício cristalino silício puro + dopante fundidos em temperatura elevada aquecimento indutivo slide 1.4

5 Obtenção do Cristal de Silício suporte semente de silício monocristalino Ao contato com a semente o silício fundido começa a cristalizar seguindo a orientação dos cristais da semente silício puro fundido slide 1.5

6 Obtenção do Cristal de Silício lingote de silício monocristalino Após o lingote adquirir o diâmetro desejado, ele começa a ser puxado para cima slide 1.6

7 Obtenção do Cristal de Silício slide 1.7

8 Obtenção do Cristal de Silício slide 1.8

9 Obtenção do Cristal de Silício 300 mm é estado da arte (reduz custo/die em 30 a 40%), preço de lâmina ~ US$ mm demonstrado: 438kg 450 mm uma promessa (2015) e dúvidas? slide 1.9 Figura: Rabaey 1996

10 Obtenção do Cristal de Silício Polimento dos lingotes de silício monocristalino Após s o crescimento do lingote de silício monocristalino,, este passa por um processo de polimento, antes do corte em fatias (wafers( wafers). slide 1.10

11 Obtenção do Cristal de Silício Polimento dos lingotes de silício monocristalino slide 1.11

12 Obtenção das Lâminas de Silício 1. Corte para marcação da referência de X e Y 2. Fatiamento do lingote de silício slide 1.12

13 Obtenção das Lâminas de Silício Polimento dos wafers de silício monocristalino Cada wafer passa individualmente por um processo de polimento, tanto das bordas como de suas superfícies. slide 1.13

14 Obtenção das Lâminas de Silício Polimento e limpeza dos wafers de silício monocristalino slide 1.14

15 Obtenção das Lâminas de Silício máscara y x Antes do corte dos wafers é efetuado um corte de marcação da orientação dos eixos x/y. slide 1.15 camada de fotoresist

16 Processo de Fotolitografia slide 1.16

17 Processo de Fotolitografia L u z Revelação: Fotoresina (tipo positiva) Filme Filme Substrato Substrato slide 1.17

18 Processo de Fotolitografia slide 1.18

19 Processo de Dopagem Adição de portadores tipo P ou tipo N em um volume de silício As impurezas devem substituir átomos de silício dentro da rede cristalina A dosagem depende da finalidade.valor típico : um átomo de dopante para cada 10 7 átomos de silício Perfil de distribuição ao longo da profundidade da lâmina de silício é relevante Profundidade típica da região dopada: 1µm slide 1.19

20 Dopagem por Difusão Forno de quartzo Lâminas (dezenas a centenas) gás transportador (inerte) aquecedor líquido dopante Temperatura uniforme (1000 o C) Coeficiente de difusão depende da temperatura slide 1.20

21 Dopagem por Difusão Dopagem por Difusão Ions Dopantes Substrato Método simples, rápido e de grande escala Inconvenientes: imprecisão na área efetivamente dopada Maior concentração de dopante junto à superfície slide 1.21

22 Dopagem por Implantação Iônica Íons de boro ou fósforo são formados em uma câmara de vácuo e selecionados por um analisador magnético que descarata íons de outros materiais fonte de íons acelerador primário eletrodos defletores analisador magnético acelerador secundário analisador magnético slide 1.22

23 Dopagem por Implantação Iônica Dopagem por Implantação Iônica Feixe de Ions Substrato Profundidade dos íons depende de sua energia cinética, função de: Massa do íon Tensão de aceleração Ângulo, com relação ao plano de cristalização slide 1.23

24 Dopagem por Implantação Iônica Dopagem por Implantação Iônica Desvantagem: Processo mais complexo que difusão As lâminas são processadas uma por vez (demandando muito tempo e muitos recursos) Vantagens: Precisão na geometria da área dopada Excelente controle do perfil de distribuição dos portadores Bombardeamento iônico causa desalinhamentos e defeitos diversos na estrutura cristalina (que perde suas características semicondutoras) Recozimento slide 1.24

25 Processo de Oxidação Oxidação (da Lâmina de Silício) Forno de quartzo lâminas 1000 o C a 1200 o C oxigênio água Si + O2 SiO2 Si + 2H2O SiO2 + 2H2 (gás) slide 1.25

26 Deposição Química Deposição Química em Fase de Vapor - CVD forno ~ 1000ºC SiH4 lâminas SiH4 + H2 SiH4 Si + H2 gás filme gás slide 1.26

27 Deposição Química Deposição Química em Fase de Vapor - CVD material vaporizado subprodutos 2WF6 + 3Si 2W + 3SiF4 (gás) W = tungstênio slide 1.27

28 Deposição Química Deposição Química Auxilidada por Plasma - PECVD lâmina Plasma íons Fonte AC alta frequência SiH4 + NH3 Si3N4 + H2 gás gás filme gás slide 1.28

29 Deposição Química Deposição por Evaporação suporte orbital lâminas alumínio vaporizado fornalha slide 1.29

30 Deposição Química Deposição por Borrifamento - Sputtering Material arrancado lâmina íons Alta tensão (contínua) slide 1.30

31 Deposição Química Deposição Epitaxial por Feixe de Moléculas - MBE fornalha alto vácuo lâmina resolução de monolayers acompanha a orientação cristalina slide 1.31

32 Corrosão por Líquido máscara silício Líquidos usados (reativos e perigosos): Ácido fluorídrico: corroi o material de maneira isotrópica Inviável para tecnologias menores que 2.5µm slide 1.32

33 Corrosão por Plasma Plasma: Um gás inerte (como o CF4) sob baixa pressão, quando ionizado por um campo elétrico intenso slide 1.33

34 Corrosão por Plasma lâmina Plasma íons Fonte AC alta frequência eletron + CF4 CF3 + F 4F + Si SiF4 (gás) slide 1.34

35 Corrosão por Plasma Ions Mask Poly Substrato slide 1.35

36 Corrosão Exemplo de Corrosão Seletiva: Anisotropia slide 1.36

37 Seqüência de Fabricação de um Inversor Inversor CMOS e sua Estrutura porta slide 1.37

38 Seqüência de Fabricação de um Inversor Criação do Poço N Ions substrato p poço n Si3N4 óxido slide 1.38

39 Seqüência de Fabricação de um Inversor Formação do Óxido de Campo sem máscara óxido de campo slide 1.39

40 Seqüência de Fabricação de um Inversor Formação do Óxido de Porta sem máscara óxido de porta slide 1.40

41 Seqüência de Fabricação de um Inversor Deposição do Polissilício polissilício slide 1.41

42 Seqüência de Fabricação de um Inversor Deposição do Transistor Canal P fotoresina íons implante p+ transistor canal p slide 1.42

43 Seqüência de Fabricação de um Inversor Deposição do Transistor Canal N implante n íons fotoresina transistor canal n slide 1.43

44 Seqüência de Fabricação de um Inversor Recozimento sem máscara formação de fonte e dreno slide 1.44

45 Seqüência de Fabricação de um Inversor Óxido de Isolação e Abertura dos Contatos óxido de isolação slide 1.45

46 Seqüência de Fabricação de um Inversor Deposição do Metal 1 metal 1 slide 1.46

47 Seqüência de Fabricação de um Inversor Óxido de Isolação e Abertura das Vias óxido de isolação slide 1.47

48 Seqüência de Fabricação de um Inversor Deposição do Metal 2 metal 2 slide 1.48

49 Seqüência de Fabricação de um Inversor Metalização Conexões em cobre 0,11µm IBM Rabaey 1996 slide 1.49

50 Seqüência de Fabricação de um Inversor Revestimento Protetor revestimento slide 1.50

51 Seqüência de Fabricação de um Inversor Obtenção das Lâminas de Silício chip Circuitos de teste p/ controle do processo Ricardo Reis 1999 slide 1.51

52 Teste sobre o wafer slide 1.52

53 Separação dos Chips σ 0 ranhuras tensão σ s fibra neutra w compressão h F= Fator de concentração da foça aplicada d fraturas σ s σ 0 F= = f (H,W) H = h d W = w h suporte flexível slide 1.53