Microeletrônica

Aula 4

Prof. Fernando Massa Fernandes

(Prof. Germano Maioli Penello)

http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html

Sala 5017 E

fermassa@lee.uerj.br

https://www.fermassa.com/Microeletronica.php

Fabricação

• Circuitos integrados CMOs são fabricados em bolachas (wafers) de Si.

• Cada bolacha contém diversos Chips (die)

http://en.wikipedia.org/wiki/Wafer_%28electronics%29

O diâmetro mais comum de bolacha de Si é de 300 mm (12 in)

Ex. de bolachas de 2, 4, 6 e 8 in

1

Etapas recorrentes2

Sala limpaTodas as etapas recorrentes são feitas em um ambiente controlado chamado de sala limpa.

– Indispensável na fabricação de CI, ela também é usada na industria farmacêutica, em áreas de biotecnologia, e outras áreas sensíveis à contaminação.

– A sala limpa foi inventada para determinar a idade da terra (4,54Bi anos)! (quantidade de chumbo em meteoritios – Decaimento radioativo do Uranio)

3

Sala limpa

Turbulenta Laminar http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom

Ambiente normal - 35,000,000 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5mSala Limpa Classe 100 (ISO 5) – 3,520 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5mSala Limpa Classe 1 (ISO 3) – 35 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5m

Sala limpa (ISO 1) – 12 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.3m

4

Sala limpaAmbiente controlado: temperatura, umidade, fluxo de ar, descargas eletrostáticas, baixa quantidade de poluentes, poeira, partículas suspensas, vapores químicos

A roupa é para proteger a sala limpa do usuário!

Os móveis são feitos de materiais que não liberem partículas (teflon, aço inox)

5

Sala limpa (sala amarela)

Sala onde a luz ambiente não contém radiação UV.

O fotorresiste é sensível à radiação UV e pode ser manuseado nesta sala sem preocupação.

6

Projetando CMOS

Especificação do circuito(entradas e saídas)

Cálculos e esquemático

Simulação do circuito

Leiaute

Simulação com parasitics*

Circuito dentro das especificações?

Fabricação do protótipo

Testes e avaliações

Circuito dentro das especificações?

Produção

Circuito dentro das especificações?

*Parasitics – capacitância e indutância parasíticas; junções pn e seus problemas

Problemaespec.

Problemafabricação.

7

Projeto de CI

Ajustando Electric + LTSpice:

http://cmosedu.com/cmos1/ltspice/ltspice_electric.htm

8

Página dos Tutoriais para os trabalhos:

http://cmosedu.com/videos/electric/electric_videos.htm

Tutoriais do electric:

http://cmosedu.com/videos/electric/tutorial1/electric_tutorial_1.htm

Siga este tutorial para ajustar as configurações que usaremos ao longo do curso!

9

Projeto de CI

Sistema Live: UbuntUERJ_beta

Sistema operacional (Live) para rodar direto do DVD ou pendriveElectric e Ltspice pré-configurados

10

Fabricação de dispositivos

Resistores

Capacitores

MOSFET

11

Poço

Primeira camada a ser fabricada no circuito integrado CMOS (* após oxidação - FOX)

12

Substrato e poçoOs circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si.Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato mais comum de ser usado em CI CMOS

No substrato tipo-p, NMOS são fabricados diretamente, enquanto PMOS são fabricados em um poço-n.

O substrato ou o poço são chamados de corpo do MOSFET.

Normalmente, uma camada epitaxial de Si é crescida antes do processamento. Não faremos distinção entre essa camada e o próprio substrato.

Um processamento que usa o substrato tipo-p com um poço-n é chamado “processo poço-n” (“n-well process”). Um processamento que usa o substrato tipo-n com um poço-p é chamado “processo poço-p” (“p-well process”).

13

Diodo parasíticoUm poço-n num substrato tipo-p forma um diodo

Para evitar que este diodo seja polarizado diretamente (conduza corrente), o substrato é normalmente o ponto de menor tensão do circuito (aterrado).Idealmente, não existe corrente fluindo no substrato.

14

Resistor (poço-n)

Além de ser usado como o corpo do PMOS, o poço pode ser usado como um resistor.

Se as tensões nos terminais do resistor forem maiores que a tensão do substrato, podemos evitar que o diodo parasítico seja polarizado diretamente.

15

Procesamento do poçoAcompanhe os três primeiro passos do applet

• Oxidação• Depósito de fotorresiste• Iluminação seletiva• Remoção seletiva do fotorresiste• Remoção do óxido• Dopagem

http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/invFab/index.html

16

Com o substrato completamente limpo, a primeira etapa é a de crescimento de óxido (SiO2 – também chamado de vidro! Excelente isolante elétrico).

Crescimento de SiO2

Consome Si do substrato durante o processo de crescimento

17

Si puro em contato com O2 tem como resultado:

Si + O2 SiO2

Requer um ambiente com altas temperaturas (~1000 oC)

Crescimento de SiO2

Requer um ambiente com altas temperaturas – Fornos de oxidação

Consome Si do substrato durante o processo de crescimento

18

Si puro em contato com O2 tem como resultado:

Si + O2 SiO2

Para que o SiO2 tenha excelentes propriedades elétricas e para controlar precisamente a sua espessura, existem dois métodos de crescimento de óxido.

Método molhado – crescimento mais rápido, mas pior qualidade elétrica

Método seco – crescimento mais lento, mas melhor qualidade elétrica

Crescimento de SiO2

Requer um ambiente com altas temperaturas

Consome Si do substrato durante o processo de crescimento

Por efeito de interferência de luz, dá para se estimar a espessura do óxido apenas analisando a sua cor!

Mesma explicação do efeito de coloração observada quando existe óleo derramado sobre a água na rua.

19

Elipsometria

Fotorresiste FotolitografiaSpin coating - spinner

Tipicamente~3000 a 4000 rpmDurante alguns minutos.

20

Fotorresiste (PR)•Pre-cozimento (ou promotor de adesão)

Substrato sem umidade facilita a aderência do PR

•Spin coating

Camadas bem homogêneas de PR por todo o substrato (~m)

•Cozimento suave

Remover o solvente do PR. Converter PR de líquido para sólido.

•Iluminação seletiva

PR iluminado se torna solúvel (revelação positiva)

•Revelação

PR iluminado é removido (revelação positiva)

•Cozimento duro

Fortalecer o PR para não ser removido com ácido

21

Remoção do óxidoApenas a região exposta do óxido (sem fotorresiste), é atacada pelo ácido!

(Produtos Quimicos com pureza Grau Eletrônico ou Grau Semicondutor)

Normalmente utiliza-se ácido fluorídrico (HF) para a remoção do óxido.Buffered oxide etch (BOE) – H20(DI):HF - 6:1

Desenho fora de escala!

Tanto o óxido quanto o fotorresiste servem para proteger o substrato na etapa de difusão que seguirá no próximo slide.

22

Difusão

Difusão de átomos doadores (tipo-n).

Elemento da coluna V da tabela periódica

P - Fósforo.

Note que a difusão ocorre também embaixo do fotorresiste protetor

23

Difusão

Difusão de átomos doadores (tipo-n) no silício (Si).

24

Difusão Note que a difusão ocorre também embaixo do fotorresiste protetor

O tamanho final do poço-n não é exatamente igual ao da máscara fotolitográfica.

As companhias que fabricam os chips podem aumentar ou diminuir as máscaras para compensar este efeito.

Após a remoção do fotorresiste, ficamos apenas com o substrato e o poço-n

25

Leiaute do poço-nO leiaute das máscaras fotolitográficas é feita consideranto a visão superior. Um dos pontos chaves do leiaute é o fator de escala. Ex.:Dimensões mínimas = 50nmQuadrado de 10x10 (adimensional) tem seus lado de 500nm desprezando a difusão lateral e outras imperfeições.

Usar números inteiros para desenhar o leiaute simplifica o processamento.

Vista superior

Seção reta

26

Regras de design (poço-n)Existem regras que determinam o espaçamento e tamanhos mínimos requeridos para todas as camandas do processamento CMOS!

O engenheiro de processo é quem especifica essas regras e também quem projeta as mascaras. As regras variam dependendo da tecnologia usada (processos com fator de escala 1m tem diferentes regras de processos com fator de escala de 50nm)

27

ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.

Lembrando:

A resistência de um material depende de propriedades intrínsecas do material e da sua geometria.

Propriedade do mateiral: ResistividadeGeometria: Comprimento e área de seção reta

28

ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.

A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa, mas o comprimento L e a largura W são determinados pela máscara do leiaute. Podemos controlar L e W, e com isso fabricar um resistor com o valor desejado.

29

ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.

A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa, mas o comprimento L e a largura W são determinados pela máscara do leiaute. Podemos controlar L e W, e com isso fabricar um resistor com o valor desejado.

E o fator de escala?

30

ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.

A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa, mas o comprimento L e a largura W são determinados pela máscara do leiaute. Podemos controlar L e W, e com isso fabricar um resistor com o valor desejado.

E o fator de escala?O valor projetado não é alterado pelo fator de escala!

31

Resistência de folhaUma grandeza comum é a resistência de folha de um material. Ela é utilizada em sistemas de filmes finos e implica que o fluxo de corrente se dá ao longo do plano da folha, e não perpendicular a ela.

Unidade de Rs : /sq ou /

Esta unidade serve para evitar a confusão entre a resistência de folha e a resistência

Ex. Um quadrado com Rs = 100 /sq tem resistência de 100 .Um retângulo de lado 1 e comprimento 3 do mesmo material tem resistência de 300

32