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Sensores Microeletrônicos IE012
Tecnologia para microfabricação
Professor Fabiano Fruett
UNICAMP – FEEC - DSIFSala 207
www.dsif.fee.unicamp.br/~fabiano
IE 012
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A familiarização com as várias etapas do processo de fabricação
colabora diretamente com as etapas de desenvolvimento,
encapsulamento e teste dos sensores integrados
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Tecnologia planar em Silicio CMOS Bipolar BiCMOS
Deposicao de filmes piezoeletricos magneticos
Desvio do processoconvencional
Micromecanica Bulk Superficie
Encapsulamento especial
Sensor
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Primórdios da microeletrônica
Primeiro transistor a contato (germânio), 1947John Bardeen and Walter Brattain
Bell Laboratories
Válvulas (Triode), 1906Lee De Forest
19061906 19471947
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Evolução …
Intel Pentium II, 1997Clock: 233MHz
Número de transistors: 7.5 MGate Length: 0.35
Primeiro circuito integrado(germânio), 1958Jack S. Kilby, Texas Instruments
Continha cinco componentes, três tipos:Transistores, resistores e capacitores
19581958 19971997
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Tarugo de silício mono-cristalino
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Base para os sensores microeletrônicos:
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Tecnologia planar para microeletrônica
• Deposição• Oxidação• Litografia• Etching• Difusão• Implantação iônica
No processo de manufaturaplanar, dispositivos em três dimensões são construídos nosubstrato do wafer usando camadas empilhadas demateriais diferentes que estão alinhados em um padrão bi-dimensional.
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Fonte: http://www.sandia.gov/
Ambiente controlado:
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Fluxo do processo de fabricação planar
A complexidade do processo está relacionada ao número de máscaras.
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DeposiçãoFilmes finos são materiais essenciais para a fabricação de sensores semicondutores. A sucessiva deposição e impressão do padrão (gravação) de um filme fino sólido de 0.1 a 50 µm de espessura é utilizada. Filmes finos podem ser depositados no substrato por meio químico ou físico.
Exemplos de Técnicas de deposição:
• Spin casting• Deposição por
evaporação• Crescimento epitaxial• Oxidação
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Spin casting:
Utilizado para deposição de materiais orgânicos, tais como filmes fotosensível (fotoresiste ou simplesmente resiste)
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Evaporação
Filmes finos podem ser evaporados. O evaporador consiste de uma câmara de vácuo no qual o material a ser depositado éaquecido.
• Chemical Vapor Deposition (CVD)
• Low-pressure thermalCVD (LPCVD)
• Physical Vapor Deposition (PVD)
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CVD Chemical Vapor Deposition
Processo utilizado para deposições de filmes isolantes, semicondutores e condutores:
• Nitreto Si3N4 e Oxinitreto de Silício SiOxNy
• Silício policristalino• Silicetos
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CVD
Gases ou vapores reagem quimicamente, levando à formação de um sólido sobre o substrato.
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Principais funções dos filmes isolantes depositados
– Máscara para corrosão do Si (microestruturas)– Passivação de superfície– Isolação de regiões ativas– Dielétricos (MOSFET, MISFET, capacitores
etc)
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Low-pressure thermal CVD (LPCVD)
• Filmes de alta qualidade com um bom controle das características mecânicas são obtidos.
• Metais como o alumínio podem ser depositados.• O Alumínio é aquecido em vácuo até que se
vaporize, os vapores em contato com a superfície do silício se condensam para formar uma camada sólida de Alumínio.
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Filmes depositados através do processo LPCVD
Fonte: Silicon Sensors, S. Middelhoek, S. A. Audet and P.J. French
Layer Gasses Temperature Polysilicon 4SiH 550ºC – 700ºC Silicon nitride 2 2 3SiH Cl + NH
4 3SiH + NH 750ºC – 900ºC 700ºC – 800ºC
Silicon dioxide undoped 4 2SiH + O 400ºC – 500ºC PSG (phosphorus doped) 4 2 3SiH + O + PH 400ºC – 500ºC BSG(boron doped) 4 2 3SiH + O + BCl 400ºC – 500ºC BPSG(phosphorus / boron doped) 4 2 3 3SiH + O + PH + BCl 400ºC – 500ºC
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Crescimento Epitaxial
• Processo especial de CVD
• Deposição de uma camada de Si acima do substrato (semente)
• Normalmente a camada epitaxial é dopada com cargas opostas que a do substrato 2 2SiH Cl Si+2HCl→
Fonte: Silicon Sensors, S. Middelhoek, S. A. Audet and P.J. French
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Oxidação
• Atmosfera oxidante e alta temperatura (500 até 1200 °C).
• Oxidação seca
• Oxidação úmida 22 OSOS ii ⇔+
222 22 HOSOHS ii +⇔+
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Como ocorre a oxidação:
O Si é consumido, pois a oxidação ocorre na interface Si-SiO2
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Principais funções do SiO2
• Proteção (passivante) de junções pn contra umidade e outros contaminantes.
• Isolante elétrico entre componentes e interconexões.
• Dielétrico para capacitores metálicos e isolante de porta dos MOS.
• Máscara para definição das áreas de difusão ou implantação de impurezas.
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Litografia• Processo de transferência do padrão
de cada máscara• Uma fina camada de material
orgânico fotossensível (fotoresistente) é depositada sobre owafer.
• A máscara é cuidadosamente alinhada sobre a superfície do wafere exposta à luz, o fotoresiste torna-se solúvel.
• A camada é então revelada para produzir o traçado desejado sobre a superfície.
Deposição do fotoresiste
Mascaramento UV
Revelação do fotoresiste
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Luz ultra violeta ou ultravioleta profundo são utilizados para expor o material fotoresistente.
Sistema de exposição passo a passo
Fonte: V. Baranauskas, Processos de microeletrônica, Camoinas 1990
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Extreme ultraviolet (EUV) light litograph
Permite resoluções litográficas abaixo de 0.1 µm, podendo chegar a 0.03 µm!
Fonte: http://www.sandia.gov/
Fatores limitantes da fotolitografia:• Alinhamento• Resolução do padrão da máscara
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Litografia - Etching
• A camada resultante fica então protegida e não sofre a corrosão (etching) dos agentes químicos usados para corroer o dióxido de silício ou o alumínio. Isto permite a preparação para os processos subseqüentes (difusão, etching, implantação etc)
Etching do SiO2
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• Etching:– Processo de remoção do
material não protegido
– Etching horizontal causa ¨undercut
– Etching “preferencial” podeser usado para minimizar“undercut”
• Técnicas de Etching:– Etching químico: remoção
química de materiaisdesprotegidos
– Etching seco ou por plasma: usa gases ionizados ativosquimicamente por um plasma gerado por RF
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Difusão
• Átomos dopantes são difundidos através da rede cristalina (alta concentração => baixa concentração)
• Processo térmico (alta temperatura 700 –1200 °C)
• A profundidade com que as impurezas se difundem são controladas pela temperatura e pelo tempo de processo
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Dopantes: tipo-p, tipo n• Nível de dopagem típico: 1015 até 1020
átomos/cm3
– O Si tem 5.2×1022 átomos/cm3
• Dopagem tipo n (P, As)• Dopagem tipo p (B, Ga, Al)• Dopantes indesejáveis (Au, Fe, Cu, Ni)
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Difusão por fonte constanteO wafer é exposto a uma fonte de impurezas durante todo o tempo de difusão.
Perfil de dopagem
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Difusão por fonte limitada O wafer é exposto brevemente as impurezas, onde uma fina camada de dopantes é estabelecida na superfície. Depois disto esta camada de impurezas serve de fonte de impurezas para o resto do ciclo de difusão.
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Implantação de íons
• As impurezas são aceleradas, chocando-se contra a superfície do wafer
• Processo não necessita de alta temperatura• Permite um excelente controle das doses de
implantaçãoDesvantagens:
Pode causar defeitos na rede cristalinaChanneling (dopantes implantados podem alcançar uma profundidade indesejadaProcesso relativamente caro
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Deslocamento de íons através da rede devido ao processo de implantação
A estrutura do cristal pode influir no deslocamento,
alterando a profundidade da implantação
Fonte: Jaeger
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Estrutura do cristal para três orientações diferentes
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35Processo bipolar:
Fonte: Sedra/Smith, Microeletrônica
Difusão da camada enterrada
Deposição da camada epitaxial
Difusão das isolações
Difusão de base
Difusão de emissor
Abertura de contatos e metalização
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Transistores PNP em tecnologia bipolar
Vertical Lateral
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Processo CMOS
Fonte: Sedra/Smith, Microeletrônica
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Transistores PNP em CMOS
EBC(Sub)
N+N+ P+N-epi
E B SubC
N+P+ P+N-epi
P-Substrate
Vertical Lateral
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