UNIVERSIDADE METODISTA DE ANGOLAENGENHARIA INDUSTRIAL E SISTEMAS ELÉCTRICOS

ELECTRONICA I

FABRICAÇÃO DE

CIRCUITO INTEGRADO

2 Ano - 2014

GRUPO IELABORADO POR:

HELDER FALCÃO – 16133HILTON CHIEMBA – 16351

INTRODUÇÃOO processo de fabricação de um Circuito Integrado consiste

de uma série de passos que são elaborados em uma ordem específica. A realização destes passos converte um projecto de circuito em um componente real.

O conhecimento do processo de fabricação de um circuito integrado é fundamental pôs permite ao projectista: melhorar o projecto, propor ideias inovadoras usando as características do processo, inferir sobre o efeito do layout no desempenho do circuito.

Este trabalho considerará apenas o processo de fabricação de CIs baseada no silício (Si) sendo o material mais popular, caracterizado por uma larga gama de componentes com boa relação custo-desempenho.

O que é um circuito integrado?

Um circuito integrado (também conhecido como CI, microcomputador, micro-chip, chip de silício, chip) é um circuito electrónico funcional miniaturizado constituídos por um conjunto de transístores, díodos, resistências e condensadores, fabricados num mesmo processo, que é produzido na superfície de um substrato (fig.b) fino de material semicondutor de silício.

fig. b -Substrato de silício fig. a - circuito integrado

Qual é a importância da fabricação dos CIs?

- Baixo custo e alto desempenho;

-Tamanho reduzido dos circuitos aliado à alta confiabilidade estabilidade de funcionamento;

- Os componentes são formados ao invés de montados;

- Permiti a concepção de portabilidade dos dispositivos electrónicos;

Utiliza-se o silício para fabricação de circuitos integrados Porque:

- É um material abundante (ocorre normalmente na forma de areia);

- Pode ser refinado usando-se técnicas simples;

- Apresenta propriedades físicas adequadas para a fabricação de dispositivos activos com boas características eléctricas (ex: capacitores e MOSFETs);

- Pode ser facilmente oxidado para formar uma excelente camada isolante;

-Baixo custo;

Num circuito integrado podemos encontrar dispositivos como:

- Transístores;

-Condutores de interligação,

- Díodos;

-Resistências;

-Condensadores;

-Camadas e regiões isolantes ou condutoras;

As etapas básicas envolvidas na fabricação dos circuitos integradas são:

1.1. A preparação da lâmina de silício

1.2. Crescimento Epitaxial 1.3. A oxidação

1.4. A difusão

1.5. A deposição Química em Fase de Vapor

1.6. A metalização

1.7. A fotolitografia

1.8. O encapsulamento

1.1. A preparação da lâmina de silício

Os circuitos integrados em termos gerais são basicamente construídos a partir silício monocristalino. Devido a característica do silício (Polisilício) que apresenta estrutura formada por diversos blocos e desorganizados, tornando-se necessário um processo de purificação para obtenção de um silício de alta qualidade conhecido como processo de Czochralski, torna o silício mais puro devido ao fato de que as impurezas possuem diferentes pontos de fusão.

(Silício Policristalino)

(Silício

monocrista

lino

)

O silício policristalino é triturado e depois fundido. Enquanto está na fase líquida podem ser adicionadas quantidades controladas de impurezas por meio de um processo conhecido como dopagem (dopantes como Ferro e Boro) ao silício intrínseco para que sejam obtidas as propriedades elétricas desejadas.

Após a obtenção do silício dentro das características necessárias, o cristal é cortado com lâminas ou fios de diamante formando wafers (bolachas), com espessuras que variam de 0,25mm e 1mm de acordo com o diâmetro do cristal.

O material é polido e tratado quimicamente, somente após todo esse processo que receberá o desenho para formação do circuito integrado através de um processo conhecido como fotolitografia até essa fase o circuito integrado é construído camada por camada, até constituir o componente projetado.(Wafers-bolachas)

1.2. Crescimento Epitaxial

O crescimento epitaxial consiste em fazer crescer em cima da camada tipo p uma camada fina tipo n, mantendo a ,mesma estrutura cristalina da camada tipo p do substrato. Obtendo-se como resultado uma estrutura que é um cristal único que, numa região as impurezas são predominantemente do tipo p e, na outra região as impurezas são predominantemente do tipo n. O crescimento dessa camada chamada camada epiatxial é feita em fornos especiais.

(Em amarelo na figura, a camada epitaxial)

1.3. A oxidaçãoA oxidação é o processo

químico de reacção do silício com o oxigénio para formar o dióxido de silício (SiO2). O oxigénio usado na reacção pode ser introduzido tanto como um gás de alta pureza (em que o processo é conhecido como ‘oxidação seca’) quanto como vapor de agua (em que o processo é conhecido como ‘oxidação húmida’).

Para evitar a introdução de pequenas quantidades de contaminantes (que podem alterar significativamente as propriedades eléctricas do silício), é necessário manter o ambiente muito limpo para o processamento.

Sala Limpa

Masca

ram

ento

co

ntra

impure

zas

1.4. A difusãoA difusão é o processo pelo qual os átomos se movem de uma

região com alta concentração para uma região com baixa concentração pela rede cristalina. Na fabricação de CIs, a difusão é um método em que são introduzidos átomos de impureza (dopantes) no silício para mudar a sua resistividade.

(Difusão do boro no silício) O óxido de silício protege as regiões onde a impureza não deve penetrar)

As impurezas mais comuns usadas como dopantes são o boro, o fósforo e o arsénio. O boro é dopante tipo p e o fósforo e o arsénio são dopantes tipo n. Esses dopantes são efectivamente mascarados por finas camadas de óxido. Difundindo-se o boro em um substrato tipo n, forma-se uma junção pn (diodo).

1.5. A deposição Química em Fase de Vapor

A deposição química em fase de vapor (chemical vapor deposition - CVD) é o processo pelo qual os gases ou vapores reagem quimicamente, levando à formação de um sólido sobre o substrato.

O método CVD pode ser usado para depositar vários matérias sobre o substrato de silício, incluindo SiO2, Si3N2 e silício policristalino. Por exemplo, se o gás silina (SiH4) e o oxigénio forem misturados no ambiente acima do substrato de silício, o produto final, dióxido de silício, irá se depositar como um filme sólido sobre o silício.

(chemical vapor deposition - CVD)

1.6. A metalizaçãoO objectivo da metalização é interconectar vários componentes

do circuito integrado (transístores, resistores, díodos, etc.) para formar o circuito desejado. A metalização envolve a deposição inicial de um metal sobre toda a superfície do silício.

A camada de metal é normalmente depositada por processo de pulverização catódica (sputtering).

(sputtering)

1.7. A fotolitografia A fotolitografia corresponde a etapa do processo de fabricação

em que a imagem do circuito é transferida para o wafer (bolacha). Em uma “impressão” através de luz. A fotolitografia é considerada a etapa fundamental da construção de circuitos integrados. É através dela que os padrões de máscaras são transmitidos para o substrato. Este processo também se divide em etapas:

• Aplicação de Fotoresiste

O fotoresiste é um líquido que tem a capacidade de sofrer polimerização de acordo com a presença (fotoresiste positivo) ou ausência (fotoresiste negativo) de luz.  Aplicação de fotoresiste Camada de fotoresiste

• Fabricação da FotomáscaraFotomáscara é a imagem fotográfica negativa de um molde de circuitos integrados. As máscaras são construídas com o objetivo de que seu padrão geométrico seja capaz de delinear completamente os componentes de um circuito integrado.

Devido às necessidades impostas pela alta intensidade de integração, a geração das máscaras padrões é um processo que requer sofisticados equipamentos e bons recursos computacionais, sendo um processo que consome tempo e custos consideráveis.

Interfase gráfica do CAD/CAM com o esboço de um circuito integrado, já em fase final de elaboração.

Fotografia de uma fotomáscara

• Fotogravação

A luz ultravioleta é emitida sobre o conjunto e o material fotossensível sofre polimerização apenas nas partes claras (aberturas da máscara).

(Aplicação de luz ultravioleta)

A lâmina é movimentada sobre a fonte emissora UV até que todos os circuitos estejam fotogravados no wafer. Este processo ocorre num equipamento chamado Stepper. 

(Stepper)

1.8. O encapsulamento O encapsulamento é o invólucro protetor de um circuito

integrado. O invólucro possui terminais de metal ou "pinos", os quais são resistentes o suficiente para conectar elétrica e mecanicamente o frágil microchip de silício a uma placa de circuito impresso.

Cada pastilha contém entre 10 a 108, ou mais transístores dentro de uma forma rectangular, tipicamente entre 1 a 10 mm em cada lado.

Figura 1.8.1 - Um encapsulamento DIP padrão de 8 pinos, contendo um CI 555

2. Processo de Fabricação de Circuito Integrado

Desde o ínicio dos anos 1980, a tecnologia MOS complementar (CMOS) tem crescido muito rapidamente de tal forma que a tecnologia bipolar passou a ser utilizada apenas para executar funções especificas, como circuitos analógicos de alta velocidade. CMOS (pronuncia-se 'Cí-Mós') é uma sigla para complementar metal-oxide-semiconductor.

Esta tecnologia recente utiliza os dois tipos de transístores MOSFET, o MOSFET canal N e o MOSFET canal P, de tal modo que um deles "complementa" o outro na necessidade de se produzir funções lógicas. 

2.1. Processo CMOS cavidade n

O material de partida em um processo CMOS cavidade n é o substrato tipo p. O processo começa com uma difusão para formar a cavidade n figura 2.1 (a)

Figura 2.1 (a)

A segunda etapa é definir a região activa (a região em que serão colocados os transístores) usando-se uma técnica conhecida como oxidação local. Uma camada de nitrato de silício (Si3N4) é colocada e o traçado das regiões a serem oxidadas é alinhado em relação as regiões das cavidades n preexistentes figura 2.3(b)

Figura 2.3 (b)

Depois de uma etapa de oxidação húmida de longa duração, regiões de óxido espesso aparecem entre regiões activas (nas quais serão implementados os transístores) figura 2.3(c)

Figura 2.3 (c)

A próxima etapa é a formação da porta de silício policristalino figura 2.4(d). Uma implantação de arsénio de alta dopagem pode ser usada para formar as regiões n+ de dreno e fonte dos MOSFETs tipo n.

Figura 2.4 (d)

Uma camada de fotorresiste pode ser usada para bloquear as regiões em que os MOSFETs tipo p serão formados figura 2.5(e)

Uma etapa fotolitográfica reversa pode ser usada para proteger os MOSFETs tipo n durante a implantação de boro p+ de dreno e fonte (figura 2.6(f)).

Figura 2.5 (e)

Figura 2.6 (f)

Uma fina camada de alumínio é evaporada ou depositada por pulverização catódica (sputtering) sobre a lâmina. Uma etapa final de mascaramento e corrosão é utilizada para delinear as interconexões figura 2.8(h).

Antes de as janelas de contactos serem abertas, uma camada espessa de óxido CVD é depositada sobre toda a lâmina. Uma fotomáscara é usada para definir as janelas de contacto figura 2.7(g)

Figura 2.7 (g) Figura 2.8 (h)

ConclusãoAprendemos que os circuitos integrados são componentes de

extrema importância pôs permitem a criação de dispositivos electrónicos com um alto desempenho e mobilidade visto que actualmente estamos na era da nanotecnologia onde procure-se cria dispositivos menores com grande capacidade desempenho. Isso leva a uma certa complexidade no processo de fabricação sendo fundamental cumprir com grande precisão as etapas e processos de fabricação