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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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Capacitores em CMOS

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Processo BiCMOS

Fonte: Sedra/Smith, Microeletrônica

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Seção transversal8 µm

400 µm