2 revisão - grupo de novos materiais e...

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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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1.2 Aspectos históricos A Teoria de Bandas :

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1.2 Aspectos históricos A Teoria de Bandas :

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1.2 Aspectos históricos Materiais semicondutores :

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1.2 Aspectos históricos O Transistor :

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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


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 !!


•  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)


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.


“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.


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


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


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


Oxidação : Cinética da reação

23 Índice

Oxidação Seca Oxidação Úmida


Oxidação

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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).


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2.1 Aspectos históricos Transistor de ponta

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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)


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”)


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Tecnologia planar : 1959 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


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Note que o SiO2 é mantido, isolando e protegendo as junções

1er CI comercial (Flip-Flop) 1961 Fairchild Semiconductors

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1.2 Aspectos históricos 1er Circuito Integrado comercial : 1961

“Os oito da Fairchild” voltar

Shockley Semiconductor

Laboratory

Fairchild

2 revisão - grupo de novos materiais e...

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