Revisão : Processos em Microeletrônica (I)

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1 2 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 1

2 2.1 Microeletrônica 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. Índice 2

3 A Teoria de Bandas : 1.2 Aspectos históricos 3

4 A Teoria de Bandas : 1.2 Aspectos históricos 4

5 Materiais semicondutores : 1.2 Aspectos históricos 5

6 O Transistor : 1.2 Aspectos históricos 6

7 A tecnologia : Aspectos históricos 1900 s : Tubo de Vácuo 1904 : 1 er diodo, fabricado por John A. Fleming 1906 : Válvula triodo, 1 er amplificador eletrônico : Lee de Forest Foto 1928 : Transistor FET (Julius Edgar Lilienfeld) (US Patent ) : Russell Ohl : descobre a junção PN e inventa a Célula Solar 1940 s : Invenção do Transistor er 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) Transistor (de junção) : Shockley (Bell Lab) 1950 s : 1952 : Fabricação dos 1 os monocristais de Si 1954 : 1 er Transistor de Si (de junção) : Texas Instruments : Transistor (de junção) : Shockley (Bell Lab) 1958 : 1 er Circuito Integrado (de Ge) : (Jack Kilby, da Texas Instruments) Foto 1959 : Desenvolvimento da Tecnologia Planar de Si (Robert Noyce da Fairchild Semiconductor). Foto 1961 : 1 er Circuito Integrado Comercial (de Si) (Fairchild) Foto 7

8 A tecnologia CMOS Fabricação do Transistor MOS Oxidação Fotolitografia Dopagem Metalização Corrosão Tecnologia CMOS voltar 8

9 2.2 Processos para Microeletrônica Obtenção do Si : Czochralski Microeletrônica Tecnologia dos CI s Crescimento de filmes Spin-Coating Oxidação CVD e PVD Fotolitografia Dopagem Corrosão Soldagem direta de Si (SOI) Serão vistos mais adiante, junto com as técnicas para MEMS Índice 9

10 Obtenção de Silício 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Forno de arco elétrico Material Bruto Quartzita (areia) + Carbono Produz Si policristalino grau metalúrgico (98% de pureza) Si sólido + CO (gás) Si (pó) + 3HCl o C SiHCl 3 (gás) + H 2 (gás) A seguir um processo destilação fracionada eleva a pureza do SiHCl 3 (liquido à 25 o C ) Silício Policristalino grau eletrônico Pureza : 1 em 10 6 SiHCl 3 + H o C Si (Cristal) + 3 HCl Produz Si policristalino grau eletrônico, com pureza de 1 parte em 10 6, sobre um bastão de Si aquecido eletricamente e que funciona como semente Monocristal de Silício 10

11 Obtenção de Silício 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Método Czochralski Silício grau eletrônico Temperatura : 1400 o C 2 a 5 cm/hora precisão na orientação : 0,5 a 1% O lingote de Si um monocristal com pureza superior a 1 parte por 10 9 Pureza : 99, % 11

12 Silício 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Resistência mecânica!! Corte Polimento Lâminas de até 300 mm 12

13 Silício 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Os chanfros indicam : Tipo de portador Orientação cristalográfica (100) (111) 13

14 Crescimento de Filmes Spin-Coating Fotoresiste (Polímeros) Vidro Boro Silicato (SiO2 baixa temperatura) 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Oxidação térmica do Si Úmida e seca o C SiO 2 Chemical Vapor Deposition (CVD) Epitaxia (Homo e Hetero) Atmospheric Pressure CVD (APCVD) Low Pressure CVD (LPCVD) Plasma Enhanced CVD (PECVD) SiO 2 Si 3 N 4 Si SiO x N y SiC Physical Vapor Deposition (PVD) Sputtering Sputtering reativo Evaporação Semicondutores Óxidos metálicos Metais : Al, Cr, Metais refratarios 14

15 Spin - Coating 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica 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 Índice 15

16 Spin - Coating 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica 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 Índice 16

17 Spin on Glass (SOG) 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica O óxido depositado por Spin-Coating ou simplesmente Spin on Glass (SOG) é obtido a partir de uma mistura liquida de siloxanas ( -[R 2 SiO] 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. 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 SiO 2 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 nm. 17

18 Oxidação do Si 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica A oxidação do Si é uma técnica essencial na fabricação de CI s porque o óxido de silício (SiO 2 ) é um material fundamental tanto no funcionamento dos dispositivos semicondutores como nos processos de fabricação. Embora existam diversos métodos para se obter SiO 2 (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 o C. A atmosfera oxidante é obtida utilizando O 2 ou vapor de água, em fluxos das ordem de 1 cm 3 /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 o C. Índice 18

19 Óxido de Si 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica IMPORTÂNCIA do SiO 2 : Dielétrico de porta em estruturas MOS : Limpeza é de extrema importância antes da oxidação : Processo RCA remove contaminantes orgânicos (óleos) contaminantes metálicos íons alcalinos (sódio) 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 19

20 Oxidação 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Oxidação térmica do Si (entre 900 e 1200 o C) Si (sólido) + O 2(gás) SiO 2 (oxidação seca) Si (sólido) + 2 H 2 O SiO 2 + H 2 (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. Índice O processo de oxidação corre na interface SiO 2 /Si 20

21 Oxidação 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Como o processo de oxidação ocorre na interface Si/SiO 2, 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 SiO 2 térmico é "Tox", então ~44 % de Tox cresce para dentro do Si. Por exemplo, se crescermos 1 um de SiO 2 térmico, ~0,44 um do susbtrato serão consumidos nesse processo. Ou seja, a espessura inicial do substrato aumenta apenas ~0,56 um. 21

22 Oxidação : Cinética da reação 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Modelo de Deal - Grove (t ox > 300 A) 1 a Lei de Fick (Difusão) No início (t pequeno), a oxidação é controlado pela taxa de oxidação na interface SiO 2 /Si : t ox ~ t Para tempos maiores, a oxidação é controlado pela difusão do oxigênio através da camada de SiO 2 : t ox ~ (t) 1/2 22

23 Oxidação 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Oxidação Seca Oxidação Úmida Índice 23

24 Trabalho Aspectos históricos 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., "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). Ler Ler The Silicon Dioxide Solution, de Michael Riordan, pubicação online da IEEE, link : Descrever a sequência de etapas no processo planar, destacando o papel da óxido e da fotolitografia As leituras são obrigatórias : O conteúdo deste e outros textos indicados no futuro, será cobrado em exercícios e provas. 24

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26 Primeiro Amplificador Eletrônico : Aspectos históricos Lee de Forest, 1 er amplificador eletrônico voltar 26

27 Primeiro Transistor : Aspectos históricos J. Bardeen e W. Brattain, do Bell Lab 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). voltar 27

28 Transistor de ponta 2.1 Aspectos históricos voltar 28

29 Primeiro Transistor de Junção : Aspectos históricos William Shockley, do Bell Lab 1 er Transistor de Junção (Ge) Processo LIGA 1 er Transistor comercial (de ponta ) voltar 29

30 Primeiro IC : Aspectos históricos Jack Kilby, da Texas Instruments, utilizando Ge voltar 30

31 Tecnologia planar : Aspectos históricos Oxidação do Si + Fotolitografia + Difusão através de aberturas no SIO 2 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 ) voltar 31

32 Tecnologia planar : Aspectos históricos voltar 32

33 Primeiro CI (eletrodos integrados) : Aspectos históricos Oxidação da superfície do Si Fotogravação e corrosão seletiva do SiO 2 para abertura das regiões de difusão Difusão de impurezas Note que o SiO 2 é mantido, isolando e protegendo as junções voltar 33

34 1 er Circuito Integrado comercial : Aspectos históricos 1 er CI comercial (Flip-Flop) 1961 Fairchild Semiconductors Fairchild voltar Shockley Semiconductor Laboratory Os oito da Fairchild 34