IntroduoO processo de fabricao de um Circuito Integrado consiste de uma srie de passos que so elaborados em uma ordem especfica. A realizao destes passos converte um projecto de circuito em um componente real.O conhecimento do processo de fabricao de um circuito integrado fundamental ps permite ao projectista: melhorar o projecto, propor ideias inovadoras usando as caractersticas do processo, inferir sobre o efeito do layout no desempenho do circuito.Este trabalho considerar apenas o processo de fabricao de CIs baseada no silcio (Si) sendo o material mais popular, caracterizado por uma larga gama de componentes com boa relao custo-desempenho.

Em electrnica, um circuito integrado (tambm conhecido como CI, microcomputador, micro-chip, chip de silcio, chip) um circuito electrnico funcional miniaturizado constitudos por um conjunto de transstores, dodos, resistncias e condensadores, fabricados num mesmo processo, que produzido na superfcie de um substrato fino de material semicondutor de silcio.O silcio um material abundante e ocorre normalmente na forma de areia. Pode ser refinado usando-se tcnicas simples de purificao e crescimento de cristais. Tambm apresenta propriedades fsicas adequadas para a fabricao de dispositivos activos com boas caractersticas elctricas. Alm disso, o silcio pode ser facilmente oxidado para formar uma excelente camada isolante, SiO2 (vidro). Esse xido nativo empregado para fabricar capacitores e MOSFETs (Transstor de Efeito de Campo Metal xido Semicondutor). Serve tambm como uma boa barreira de difuso contra impurezas indesejveis, que podem se difundir para o silcio com alto grau de pureza. Essa propriedade de mascaramento do xido de silcio permite alterar de forma localizada as propriedades elctricas do silcio. Portanto, elementos activos e passivos podem ser construdos em um mesmo pedao de material (substrato). Os componentes podem ento ser interconectados utilizando-se camadas de metal (similares ao empregado para definio de circuitos impressos).

1. As Etapas de Fabricao de Circuitos IntegradosAs etapas bsicas envolvidas na fabricao dos circuitos integradas so:1.1. A preparao de lmina de silcio1.2. Crescimento Epitaxial 1.3. A oxidao 1.4. A difuso1.5. A deposio Qumica em Fase de Vapor1.6. A metalizao 1.7. A fotolitografia1.8. O encapsulamentoAlgumas dessas etapas podem ser repetidas vrias vezes, em diferentes combinaes e sob diferentes condies de processamento durante o processo de fabricao dos CIs.

1.1. A preparao de lmina de silcio

Como j mencionado o material inicial para a fabricao dos circuitos integrados o silcio com alto grau de pureza. O material cresce como um cristal em forma de prego. Toma forma de um cilindro slido de 10 a 30cm de dimetro (Figura 1.1), pode ter de 1 a 2m de comprimento e sua cor cinza-metlica. Esse cristal , ento, cortado (como bolachas) para produzir lminas circulares com espessura de 400 m a 600 m. Os fabricantes de semicondutores geralmente compram lminas de silcio j prontas dos fornecedores e raramente iniciam seus processos no estgio de prego.

Figura 1.1As propriedades elctricas e mecnicas bsicas da lmina dependem da orientao dos planos cristalinos, bem como da concentrao e do tipo de impurezas presentes. As impurezas podem ser adicionadas intencionalmente ao silcio puro por meio de um processo conhecido como dopagem. Isso permite uma alterao controlada das propriedades elctricas do silcio em particular sua resistividade. possvel controlar tambm o tipo dos portadores usados para produzir conduo elctrica, criando-se, tanto lacunas (silcio tipo p) como eltrons (silcio tipo n). Se um grande nmero de impurezas for adicionado, ento o silcio considerado fortemente dopado (por exemplo, concentrao > 108 tomos/cm3 ). comum o uso de smbolos + e para representar concentraes relativamente mais altas e mais baixas de dopagem nos desenhos dos dispositivos. Assim, uma lmina de silcio tipo n fortemente dopada (baixa resistividade) conhecida como material tipo n+, enquanto uma regio levemente dopada conhecida como n. Essa habilidade de controlar o tipo de impureza e a dopagem do silcio permite a fabricao de dodos, transstores e resistores em circuitos integrados de forma bastante flexvel.

1.2. Crescimento EpitaxialCom o wafer plano, inicia-se a criao da camada epitaxial. Do grego: Epi = sobre, taxis = arranjo, epitaxis = arranjo sobre. Este processo consiste na deposio de uma fina camada de silcio monocristalino sobre um substrato monocristalino seguindo a mesma orientao e mesma estrutura cristalogrfica.No interior de um reator epitaxial ocorrem de reaes de reduo entre compostos de silcio como SiCl4 (tetracloreto de silcio) ou HSiCl3 (Triclorosilana) com hidrognio.

Figura 16 - Reator Epitaxial

Nesta fase so utilizados gases como fosfina (PH3) e diborina (B2H6) para a dopagem de substrato tipo n e tipo p, respectivamente. Das reaes formam-se hidrognio que fica na atmosfera e silcio extrnseco que formar o substrato do circuito integrado. A espessura desta camada varia entre 5 e 25m.

Esses dopantes distribuem-se de maneira uniforme na camada epitaxial.

Figura 1.2 - Em amarelo na figura, a camada epitaxial.1.3. A oxidao

A oxidao o processo qumico de reaco do silcio com o oxignio para formar o dixido de silcio (SiO2). Para acelerar a reaco necessrio aquecer a lmina a altas temperaturas (por exemplo, na faixa de 1.000 C a 1.200 C) em fornos especiais ultralimpos. Para evitar a introduo de pequenas quantidades de contaminantes (que podem alterar significativamente as propriedades elctricas do silcio), necessrio manter o ambiente muito limpo para o processamento. Isso vlido para todas as etapas envolvidas na fabricao de circuitos integrados. Ar especialmente filtrado circula em toda a rea de processamento, e todo o pessoal deve vestir roupas feitas de materiais especiais.

Figura 1.3O oxignio usado na reaco pode ser introduzido tanto como um gs de alta pureza (em que o processo conhecido como oxidao seca) quanto como vapor de agua (em que o processo conhecido como oxidao hmida). Em geral, a oxidao hmida tem uma taxa de crescimento maior, mas a oxidao seca apresenta melhores caractersticas elctricas. Nesse caso, a camada de xido crescida termicamente tem excelentes propriedades de isolamento elctrico. A ruptura dielctrica para o SiO2 aproximadamente 107 V/cm. Possui uma constante dielctrica de cerca de 3,9 e pode ser usado para formar excelentes capacitores.

A camada de dixido de silcio fina e transparente e a superfcie do silcio altamente reflexiva. Se uma luz branca incidir sobre uma lmina oxidada, ocorrero efeitos de interferncia construtivos e destrutivos no xido, fazendo que certas cores sejam reflectidas. Os comprimentos de onda da luz reflectida dependem da espessura da camada de xido. De facto, pela cor da superfcie da lmina, pode-se deduzir a espessura da camada de xido.

Figura 1.3.11.4. A difusoA difuso o processo pelo qual os tomos se movem de uma regio com alta concentrao para uma regio com baixa concentrao pela rede cristalina. Na fabricao de CIs, a difuso um mtodo em que so introduzidos tomos de impureza (dopantes) no silcio para mudar a sua resistividade. A velocidade em que ocorre a difuso de dopantes no silcio uma funo muito dependente da temperatura. Portanto, para aumentar a velocidade, a difuso de impurezas de dopantes feita geralmente em altas temperaturas (1.000 C a 1.200 C) para obter o perfil de dopagem desejada. A seguir, quando a lmina resfriada e atinge a temperatura ambiente, as impurezas so essencialmente congeladas na posio. O processo de difuso executado em fornos similares aos usados para oxidao. A profundidade com que as impurezas se difundem depende da temperatura e do tempo do processoAs impurezas mais comuns usadas como dopantes so o boro, o fsforo e o arsnio. O boro dopante tipo p e o fsforo e o arsnio so dopantes tipo n. Esses dopantes so efectivamente mascarados por finas camadas de xido. Difundindo-se o boro em um substrato tipo n, forma-se uma juno pn (diodo). Se a concentrao da dopagem for suficientemente alta, a camada de difuso pode tambm ser usada como um condutor.

1.5. A deposio Qumica em Fase de VaporA deposio qumica em fase de vapor (chemical vapor deposition - CVD) o processo pelo qual os gases ou vapores reagem quimicamente, levando formao de um slido sobre o substrato. O mtodo CVD pode ser usado para depositar vrios matrias sobre o substrato de silcio, incluindo SiO2, Si3N2 e silcio policristalino. Por exemplo, se o gs silina (SiH4) e o oxignio forem misturados no ambiente acima do substrato de silcio, o produto final, dixido de silcio, ir se depositar como um filme slido sobre o silcio. As propriedades da camada de oxido CVD formada no so to boas quanto aquela crescida termicamente, mas so boas o suficiente para agirem como um isolante elctrico. A vantagem do mtodo CVD que o xido pode ser depositado em taxas mais altas e a temperaturas mais baixas (abaixo de 500 C).Se o gs silina for usado sozinho, ento uma camada de silcio ser depositada sobre a lmina. Se a temperatura de reaco for alta o suficiente (acima de 1.000 C), a camada depositada como uma camada cristalina (supondo que o substrato seja silcio cristalino). Essa camada chamada epitaxial e o processo de deposio conhecido como epitaxia, em vez de CDV. Em baixas temperaturas ou se o substrato no for silcio monocristalino, os tomos no sero capazes de se alinhar no mesmo sentido cristalino. Essa camada denominada silcio policristalino (si-poli), visto que consiste em pequenos cristais de silcio alinhados em vrios sentidos. Normalmente, essas camadas so fortemente dopadas para formar uma regio de alta condutividade que pode ser usada para interconectar dispositivos.1.6. A metalizao

O objectivo da metalizao interconectar vrios componentes do circuito integrado (transstores, resistores, dodos, etc.) para formar o circuito desejado. A metalizao envolve a deposio inicial de um metal sobre toda a superfcie do silcio. O traado necessrio para a interconexo , ento, selectivamente delineado (corrodo). A camada de metal normalmente depositada por processo de pulverizao catdica (sputtering). Um alvo de metal puro (por exemplo, 99,99% de alumnio) colocado sob um feixe de ons de argnio (Ar) dentro de uma cmara em vcuo. As lminas so tambm colocadas dentro da cmara, acima do alvo. Esses tomos de metal cobriro todas as superfcies dentro da cmara, incluindo as lminas. A espessura da camada de metal pode ser controlada pelo intervalo de tempo da pulverizao catdica (sputtering), o qual est normalmente na faixa de 1 a 2 minutos.

Figura 1.6 - sputtering

1.7. A fotolitografiaA fotolitografia corresponde a etapa do processo de fabricao em que a imagem do circuito transferida para o wafer (bolacha). Em uma impresso atravs de luz. A fotolitografia considerada a etapa fundamental da construo de circuitos integrados. atravs dela que os padres de mscaras so transmitidos para o substrato. Este processo tambm se divide em etapas: Aplicao de FotoresisteO fotoresiste um lquido que tem a capacidade de sofrer polimerizao de acordo com a presena (fotoresiste positivo) ou ausncia (fotoresiste negativo) de luz.

Com a lmina limpa e a humidade do ar abaixo de 50%, o wafer colocado em alta rotao (7000rpm durante 40s), e atravs da fora centrfuga, uma camada de fotoresiste espalhada sobre a sua superfcie. A lmina levada para a estufa onde o fotoresiste seca e ganha aderncia..

Figura 1.7 - Aplicao de fotoresisteA camada de fotoresiste fica sobre a camada de xido.

Figura 1.7.1 - Camada de fotoresiste Fabricao da FotomscaraFotomscara a imagem fotogrfica negativa de um molde de circuitos integrados. A mscara uma placa de vidro com um arranjo de padres cada padro consiste em uma rea clara e outra opaca que, respectivamente, permite ou impede a passagem da luz. As mscaras so construdas com o objetivo de que seu padro geomtrico seja capaz de delinear completamente os componentes de um circuito integrado. Como as estruturas dos dispositivos so formadas por camadas de filmes finos em multiniveis, necessria uma mscara padro para cada etapa de fotolitografia.

Devido s necessidades impostas pela alta intensidade de integrao, a gerao das mscaras padres um processo que requer sofisticados equipamentos e bons recursos computacionais, sendo um processo que consome tempo e custos considerveis. Actualmente, com a grande complexidade dos CIs, o projeto das mscaras s pode ser efetivamente realizado com auxilio de um sistema computacional conhecido como CAD (Computeraideddesing). O CAD dispe de uma estao grfica de projeto onde o projetista pode desenhar as clulas bsicas de um CI, calculadas anteriormente, em funo da tecnologia a ser empregada.

Figura 1.7.2 - Interfase grfica do CAD/CAM com o esboo de um circuito integrado, j em fase final de elaborao. FotogravaoA luz ultravioleta emitida sobre o conjunto e o material fotossensvel sofre polimerizao apenas nas partes claras (aberturas da mscara).

Figura 1.7.3 - Aplicao de luz ultravioletaA lmina movimentada sobre a fonte emissora UV at que todos os circuitos estejam fotogravados no wafer. Este processo ocorre num equipamento chamado Stepper.

Figura 1.7.4 Stepper

Figura 1.7.5- Fotografia de uma fotomscara

1.8. O encapsulamento

Uma lmina de silcio acabada pode conter centenas, ou mais, de circuitos ou pastilhas finalizadas. Cada pastilha contm entre 10 a 108, ou mais transstores dentro de uma forma rectangular, tipicamente entre 1 a 10 mm em cada lado. Os circuitos so primeiro testados electricamente (ainda em forma de lmina) usando-se uma estao de teste automtica.

Circuitos com defeitos so marcados para mais tarde serem identificados. Os circuitos so ento separados uns dos outros (por cortes), dando origem as pastilhas (chips), e os circuitos em bom estado (acabados) so montados em suporte para serem encapsulados.

Figura 1.8- Encapsulamento

Fios finos de ouro so tradicionalmente usados para interconectar os suportes do encapsulamento aos pontos de contacto do circuito acabado. Finalmente, o suporte encapsulado (selado) utilizando-se material plstico ou epxi sob vcuo ou em uma atmosfera inerte.

2. Processo de Fabricao de Circuito Integrado

A fabricao de circuitos integrados foi originalmente dominda pela tecnologia bipolar. No final dos anos 1970, porm, percebeu-se que a tecnologia MOS (metal-xido-semicondutor) era mais promissora para a implementao de circuitos VLS (Very Large Scale Integration - Escala Integrao Muito Larga), que exigiam maior densidade de empacotamento e menor consumo de potncia.

Desde o nicio 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 funes especificas, como circuitos analgicos de alta velocidade. A tecnologia CMOS continuou evoluindo e, no final dos anos 1980, a incorporao de dispositivos bipolares em CMOS levou o surgimento dos processos de fabricao de alto desempenho BiCMOS (bipolar-CMOS), que oferecem o melhor das duas tecnologias.

2.1. O Processo CMOS cavidade n

Dependendo da escolha do material de partida para o substrato, os processo CMOS podem ser identificados como cavidade n (n-well), cavidade p (p-well). O material de partida em um processo CMOS cavidade n o substrato tipo p. O processo comea com uma difuso para formar a cavidade n (figura 2.1 (a)). A cavidade n necessria sempre que se deseja fabricar MOSFETs tipo p. Uma camada espessa de dixido de silcio corroda para expor as regies nas quias se deseja fazer a difuso da cavidade n. As regies no expostas ou recobertas com dixido de silcio sero protegidas do fosforo dopante. Fosforo geralmente utilizado em difuses profundas por possuir um coeficiente de difuso elevado, difundindo-se mais rapidamente pelo substrato que o arsnio.

Figura 2.1 (a)

A segunda etapa definir a regio activa (a regio em que sero colocados os transstores) usando-se uma tcnica conhecida como oxidao local. Uma camada de nitrato de silcio (Si3N4) colocada e o traado das regies a serem oxidadas alinhado em relao as regies das cavidades n preexistentes (figura 2.3(b)). Depois de uma etapa de oxidao hmida de longa durao, regies de xido espesso aparecem entre regies activas (nas quais sero implementados os transstores) (figura 2.3(c)). Esse xido espesso necessrio para isolar os transstores. Tambm permitem que camadas de interconexo sejam feitas sobre ele sem formar acidentalmente uma regio de canal condutivo na superfcie do silcio, como em um transstor MOS.

Figura 2.3(b) Figura 2.3(c)A prxima etapa a formao da porta de silcio policristalino (figura 2.4(d)). Essa camada uma das etapas mais crticas do processo CMOS. A fina camada da regio activa removida (logo apos a remoo do Si3N4). Uma camada de silcio policristalino, em geral dopa com arsnio (tipo n), depositada em seu traado delineado. Uma implantao de arsnio de alta dopagem pode ser usada para formar as regies n+ de dreno e fonte dos MOSFETs tipo n. Uma camada de fotorresiste pode ser usada para bloquear as regies em que os MOSFETs tipo p sero formados (figura 2.5(e)). Uma etapa fotolitogrfica reversa pode ser usada para proteger os MOSFETs tipo n durante a implantao de boro p+ de dreno e fonte (figura 2.6(f)). Antes de as janelas de contactos serem abertas, uma camada espessa de xido CVD depositada sobre toda a lmina. Uma fotomscara usada para definir as janelas de contacto (figura 2.7(g)), seguida de uma corroso hmida ou seca do xido. Uma fina camada de alumnio evaporada ou depositada por pulverizao catdica (sputtering) sobre a lmina. Uma etapa final de mascaramento e corroso utilizada para delinear as interconexes (figura 2.8(h)).

Figura 2.4(d) Figura 2.5(e)

Figura 2.6(f)

Figura 2.7(g)

Figura 2.8(h)

2.2. Dispositivos de IntegradosAlm dos MOSFETs canal n e canal p, outros dispositivos podem ser fabricados pela manipulao das diversas camadas de mascaramento. Isso inclui dodos de juno pn, capacitores MOS e resistores.

2.2.1. MOSFETs