22
Revisão : Processos em Microeletrônica (II)
2.1.
Microeletrônica : Aspectos Históricos
2.2.
Processos de Microeletrônica
 
 
Obtenção do Si : Czochralski
Crescimento de Filmes
 
 
 
 
 
2.3.
Spin-Coating
Oxidação
CVD e PVD
Fotolitografia
Dopagem
 
Difusão
 
ImplantaÇão Iônica
Próxima aula
Nesta aula
Tecnologia MOS
 
 
 
Resistor
Capacitor
Transistor
1
2.3
Fotolitografia
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
•  A fotolitografía é uma técnica para transferência de padrões geométricos desde uma “mascara”
óptica à lâmina de Si propriamente dita. Os padrões na mascara óptica (que deve ser fabricada
previamente) contêm a geometria das diversas regiões que formam os dispositivos e interconexões
elétricas existentes nos circuitos integrados.
•  O processo de transferência envolve o uso de um filme fotossensível (o “fotoresiste”), que é
depositado sobre a lâmina de Si, que é exposto à luz ultravioleta (λ entre 200 a 400 nm) através da
mascara óptica. Note que devido à mascara óptica, apenas alguma regiões do fotorresiste são de
fato expostas à radiação UV.
•  Após a exposição, o fotorresiste passa por um processo de revelação, que envolve tratamentos
térmicos e corrosão para “cura” e remoção seletiva do fotorresiste foto sensibilizado, expondo
regiões da lâmina de Si com a mesma geometria existente na mascara óptica.
•  A mascara óptica pode ser de emulsão fotográfica ou metálica (Cromo)
•  O Fotorresiste pode ser de tipo Positivo ou Negativo, dependendo de qual será a região do
fotoresiste removida durante a revelação:
•  No fotorresiste positivo, as regiões expostas à luz se tornam solúveis à solução de revelação e
são facilmente removidos por esta. É constituído por um composto fotossensível, uma resina e um
solvente orgánico.
•  No fotorresiste negativo, as regiões expostas se tornam menos solúveis à solução de revelação e
são facilmente removidas por esta. É composto de material fotossensível misturado com um
composto polimérico.
2
Máscaras ópticas
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
3
Fotolitografia
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Processo Fotolitográfico :
1. Limpeza da lâmina de Si e aplicação
do promotor de aderência (HMDS)
2. Deposição do fotoresiste (positivo,
tipo 1518, por “Spin coating”)
3. Secagem em estufa a 80oC, por 20
minutos
4. Alinhamento da máscara
5. Exposição a luz ultravioleta (λ)
6. Revelação do fotoresiste (s ) olução ??,
tempo ??)
7. Cura (endurecimento) do
fotoresiste, em estufa a 100 oC por
30 minutos
Mascar de campo escuro
4
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Fotolitografia
Fotoresiste Positivo : a radiação UV torna o fotoresiste exposto
solúvel no revelador
Note que o padrão no
fotorresiste é igual
ao da mascara
Mascar de campo escuro
Mascar de campo claro
5
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Fotolitografia
Fotoresiste Negativo : a radiação UV promove o “croslink” da rede
polimérica e torna o fotoresiste exposto insolúvel
no revelador
Note que o padrão no
fotorresiste é o negativo
do da mascara
Mascar de campo escuro
Mascar de campo claro
6
Fotolitografia na metalização ...
substrato
revelação do fotorresiste
em ....
metal + fotorresite
corrosão seletiva do metal
Al em ....
Cr em ....
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
exposição
remoção do fotorresiste
em ....
7
Processo de exposição e resolução
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
•  O processo de exposição do fotoresiste, realizado numa maquina “expositora”, que define
parâmetros tecnológicos como a resolução (dimensão mínima que pode ser transferida com
precisão e fidelidade) e “throughput” (numero de exposição por hora)).
•  A exposição pode ser realizada por 2 métodos básicos, sombreamento e projeção. No
método por sombreamento, podemos exposição por Contato direto ou Proximidade:
• Resolução de ~1 um
• Protege a máscara
• Danifica a máscara
• Difração reduz ressolução
para ~2 a 5 um
CD=(λ.g)1/2
8
Processo de exposição e resolução
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
•  Na exposição por projeção, um sistema óptico focaliza sobre o filme fotossensível
os padrões contidos na máscara. Assim, também é possível expor
separadamente pequenas regiões da máscara, o que ajuda a aumentar a
resolução. A exposição de toda a máscara ou de máscaras com grandes
dimensões é feita movimentando horizontalmente tanto a óptica como as lâmina.
•  A resolução (R) depende de parâmetros como o comprimento de onda (λ) da
radiação UV utilizada, a abertura numérica da lente (NA) e da profundidade de
campo (PC) : R até ~0,3 um
R = k1
λ
NA
PC = k 2
λ
(NA) 2
•  Melhores resoluções, exigem radiação com l menor : como excimer lasers
de KrF, ArF, F2.
€
€
9
Processo de exposição e resolução
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
•  Para MEMS convencionais, onde em trabalhamos com dimensões de dezenas de microns, é
mais importante termos em mente o perfil real da película de fotorresiste que é obtido após a
revelação :
10
2.4
Dopagem Elétrica
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
•  A “dopagem” elétrica de um semicondutor envolve a alteração das suas propriedades
elétricas através da adição controlada de quantidades ínfimas (partes por milhão ou menos)
de certas impurezas especificas. Isto se manifesta de 3 formas bem particulares só
encontradas nos semicondutores :
¤  A possibilidade de existirem dois tipos de portadores de carga : elétrons (nos
materiais tipo-N) e lacunas (nos materiais tipo-P)
¤  A possibilidade de se alterar em ordens de grandeza, a condutividade elétrica do
semicondutor
¤  A possibilidade de formar regiões de carga espacial dentro do semicondutor.
•  Do ponto de vista tecnológico, estas propriedades são extremamente importantes. É nelas
que se baseiam praticamente todos os dispositivos semicondutores e toda a industria dos
Circuitos Integrados.
•  Existem basicamente dois tipos de semicondutores dopados :
•  Semicondutores tipo-N :
As impurezas são doadoras de elétrons ( No Si : P e As )
•  Semicondutores tipo-P :
As Impurezas são aceitadoras de lacunas ( No Si : B )
11
Técnicas de Dopagem
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Existem basicamente duas técnicas para dopar Silício, sendo que ambas são utilizadas de
forma complementar na fabricação de fabricar dispositivos discretos (resistores, capacitores,
transitores), Circuitos Integrados e MEMS :
•  Difusão Térmica:
Baseada no movimento expontâneo das partículas de regiões de alta concentração para regiões de baixa
concentração. Assim, as impurezas são introduzidas no Si colocando a lamina a ser dopada em contato
com uma fonte rica no elemento dopante. Normalmente a fonte de impurezas é um ambiente gasoso,
mas também podem ser utilizadas películas de óxido dopado (SOG) pré-depositadas sobre o lamina de
Si. Em ambos casos, a difusão ocorre em altas temperaturas (entre 800 e 1200 oC). Tipicamente é usada
na obtenção das junções P-N profundas (em poços N e P de estruturas CMOS por exemplo).
•  Implantação Ionica :
Nesta técnica, íons ou moléculas ionizadas de elementos dopantes são aceleradas num canhão
acelerador e feitos colidir sobre o substrato (alvo) a ser dopado. Os íons no feixe possuem, tipicamente,
energias da ordem de algumas dezenas de keV e ao colidir com o alvo (lâmina de Si), penetram no
semicondutor abrindo caminho entre os átomos do material através de colisões mecânicas sucessivas.
Por esse motivo, o processo de Implantação Iônica não requer altas temperaturas, embora processos de
pós-recozimento sejam necessários para ativar as impurezas e/ou reconstruir a rede cristalina do alvo.
Tipicamente é usada na obtenção de junções P-N rasas (em regiões de Fonte e Dreno em transistores
MOS por exemplo).
12
Difusão Térmica
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Difusão em atmosfera gasosa :
•  Forno de Difusão (similar ao de oxidação)
•  Fontes gasosas de Impurezas : PH3, B2H6, AsH3
•  Fontes liquidas : BBr3, AsCl3, POCl3.
Colocadas num borbulhador, as Impurezas são
arrastadas ao interior do forno por um gás inerte
(N2).
•  O SiO2 e o Si3N4 funcinam como mascaras para
a difusão
•  Perfil de concentração :
•  decresce monotonicamente a partir da
superfície.
•  Depende da temperatura e do tempo da
difusão
•  Aplicação
•  Os para obter junções profundas, por
exemplo em CMOS
13
Difusão Térmica
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Difusão a partir de Óxido dopado (SOG) :
•  Também ocorre num forno difusão, mas sem
a gasosa. As impurezas são fornecidas ao
semicondutor são aquelas existente no
óxido dopado.
•  O óxido dopado é depositado sobre sobre a
lâmina de Si por “Spin-Coating”, antes de se
fazer a difusão.
•  Os perfis de concentração apresentam as
mesmas características da difusão em
ambiente gasoso : Decrescem
monotonicamente a partir da superfície e
depende da temperatura e do tempo da
difusão
•  Aplicação
14
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Difusão Térmica
Mecanismo de Difusão
A difusão das impurezas através do semicondutor hospedeiro pode
ocorrer de forma intersticial, com as impurezas ocupando sítios entre os
átomos, ou de forma substitucional, com as impurezas ocupando
posições correspondentes aos próprios átomos da rede do Si. Note que
para esto ocorra devem existir “vacâncias” no material :
•  Difusão intersticial : Ea ~ 0,5 a 1,5 eV
•  Difusão substitucional : Ea ~ 3 eV
Fácil de ocorrer
Difícil de ocorrer
•  1a Lei da Difusão :
•  Eq. da Continuidade : durante a difusão não há consumo nem
formação de material no interior do semicondutor hospedero.
1a Lei de Fick :
onde consideramos que o coeficiente de difusão (D) é constante
(independente da concentração de dopantes),o que em geral é válido
para baixas concentrações de dopantes.
15
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Difusão Térmica
Resolução da Lei de Fick
Para encontrar uma solução para a equação de Fick é necessário 1 condição inicial (no tempo) e 2 condições
de contorno (no espaço). Além disso, podemos considerar dois casos extremos : Quando a Concentração é
constante na Superfície e quando a Concentração total de impurezas é Constante
•  Concentração constante na Superfície :
Neste caso consideramos que existe na superfície um suprimento “infinito” de novas partículas
(impurezas) que podem difundir. Isto faz com que na superfície a concentração tenha um valor constante
igual a Cs :
Condição Inicial : C(x,0) = 0
Solução :
Condições de contorno : C(0,t) = Cs
e
C(∞,t) = 0
erfc(x) = 1 − erf (x)
⎛ x ⎞
C(x,t) = Cserfc⎜
⎟
⎝ 2 Dt ⎠
(I)
Função Erro
Complementar
2
erf (x) =
π
x
2
∫ e −u du
0
€
Note que a partir da curva de C(x,t) podemos obter a Concentração total de impurezas por unidade de
área, Q(t), difundidas no interior do Semicondutor :
€
∞
Q(t) =
∫ C(x,t)dx
€
0
que a partir de (I) pode ser escrita na forma :
onde
€
é o Comprimento de Difusão :
Q(t) =
2
Cs Dt ≅1.13Cs Dt
π
16
€
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Difusão Térmica
Resolução da Lei de Fick
•  Concentração total de impurezas Constante :
Neste caso consideramos que não existes novas partículas (impurezas) entrando no semicondutor.
Portanto, a concentração na superfície varia (por causa da própria difusão) mas o número total de
partículas que pode difundir permanece constate
Condição Inicial : C(x,0) = 0
Condições de contorno : C(∞,t) = 0
e
Solução :
17
Difusão Térmica
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Em função do exposto, na pratica a difusão de impurezas em Si é realizada em duas etapas sucessivas. A
primeira é chamada de “Pre-deposição” de impurezas e a segunda “Drive-in” de impurezas.
Etapa inicial de “Pre-deposição”
Na etapa de “pré-deposição” as impurezas difundem no
Si a partir de um suprimento “infinito” de impurezas, seja
este um ambiente gasoso ou um filme de óxido dopado
(SOG).
•  Note que esta etapa define a concentração total de
impurezas adicionadas ao semicondutor. O perfil de
concentração tem a forma da função erro
complementar que avança para o interior do
substrato à medida que o tempo de difusão aumenta.
•  Note que a concentração na superfície permanece
num nível constante, correspondente à solubilidade
solida
•  Nesta etapa, o gás de arraste é mantido em condição
de saturação, de forma que a concentração é
independente da do fluxo de gás. ????
18
Difusão Térmica
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Etapa final de “Drive In”
Na etapa de “drive in” as impurezas já adicionadas são
difundidas para atingir o perfil e profundidade final
desejados. Esta etapa portanto, ocorre sem a
presença da fonte de impurezas. O perfil de
concentração tem a forma mostrada ao lado.
19
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Difusão Térmica
Exercício 1 : Difusão com Concentração constante na Superfície :
Considere uma lâmina de Si na qual se quer difundir Boro a uma temperatura de 1000 oC por 1 hora. Sabendo
que a concentração de impurezas na superfície do Si será mantida em 1019 cm-3 e que o coeficiente de difusão
do Boro em Si é DB(1000 oC) = 2x1014 cm2/s, encontre o número total de impurezas por unidade de área, Q(t),
difundida nesse tempo e o gradiente de concentração para x=0 e para a profundidade onde a concentração de
dopantes atingir 1015 cm-3.
Solução : Nas condições acima Comprimento de Difusão será :
Logo, o número total de impurezas por unidade de área difundidas em 1 hora será :
Q(t) = 1.13Cs Dt = 1.13 × 1019 × 8.48 × 10 −6 = 9.5 × 1013 cm −2
Já o gradiente de concentração para x=0 é dado por :
dC
Cs
−1019
=−
=
= −6.7 × 10 23 cm −4
−6
dx x =0
πDt
π × 8.48 × 10
€
Por outro lado, a profundidade “xj na qual a concentração de portadores é C=1015 cm-3 será dada por :
⎛1015 ⎞
x j = 2 Dt erfc ⎜ 19 ⎟ = 2 Dt (2.75) = 4.66 × 10 −5 cm
⎝10 ⎠
-1
€
Portanto, o gradiente de concentração nessa profundidade é dado por :
€
€
dC
Cs −x 2 / 4 Dt
=−
e
= −3.5 × 10 20 cm −4
dx x =0.466 µm
πDt
20
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Difusão Térmica
Exercício 2 : Concentração total de impurezas Constante :
Sabendo que Arsênico foi difundido numa lâmina de Si até se obter um número total de impurezas por
unidade de área igual 1014 cm-2, encontre a duração necessária da etapa de “Drive-In” para difundir
o Arsenico até uma profundidade de xj = 1um. Considere que a dopagem original do substrato de Si é
Csub = 1015 cm-3 e que a etapa de “Drive-In” será realizada a1200 oC. Além disso, considere que para As
em silício o coeficiente de difusão extrapolado até T= ∞ é Do = 24 cm2/s e que Ea = 4,08 eV.
Solução :
De onde podemos escrever :
t×log(t) – 10,09×t + 8350 = 0
A solução desta equação pode ser econtrada pelo ponto de cruzamento das equações :
y = t×log(t) e y = 10,09×t – 8350
A partir disso obtemos :
t = 1190 s ≈ 20 minutes
21
Implantação Iônica
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
•  Na Implantação Iônica, íons ou moléculas ionizadas de elementos dopantes são aceleradas
num canhão acelerador e feitos colidir sobre o substrato (alvo) a ser dopado. A concentração
total final dos dopantes implantados e a sua distribuição no interior do substrato dependem de
fatores como a massa dos íons implantados, a energia de aceleração, a corrente do feixe e a
inclinação do substrato em relação ao feixe de íons (para evitar o “channeling”)
22
Implantação Iônica
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
•  Embora possa ser realizada em amostras aquecidas, a Implantação Iônica é realizada
normalmente à temperatura ambiente.
•  As doses implantadas podem variar entre 1011 e 1018 cm-2 dependendo da corrente do
feixe iônico e do tempo de implantação.
•  As energias de implantação podem variar entre alguns keV e algumas centenas de keV, o
que em geral leva a profundidade de penetração de impurezas relativamente baixas.
•  Contrariamente à difusão térmica, na Implantação iônica a concentração máxima de
impurezas não ocorre na superfície do substrato mas sim a uma certa profundidade, o
alcance médio, que depende da energia de implantação. Por exemplo, o o alcance médio
do fósforo implantado com 100 keV em Si de ~0,15 um
23
Implantação Iônica
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
•  Em geral,’são nevcessários processos de recozimento pós implantação para ativar
eletricamente as impurezas implantadas.
•  Os fenomenos de espalhamento dos íons no interior so substrato são bem conhecidos e
portanto existem bons simuladores computacionais da Implantação Iônica. O mais
conhecido deles é o programa TRIM ( http://www.srim.org ).
•  Através desta ferramenta é possível prever teoricamente o perfil de dopagem para um certo
íon, alvo, energia e dose implantada. Por exemplo, para obter dopagens com um perfil
constante de concentração é necessário fazer varias implantações com diferente energia.
24
Implantação Iônica
2.2 Revisão de processos básicos de
Microeletrônica
Implantação Iônica vs. Difusão térmica
•  A Implantação Iônica ocorre em baixas temperaturas e envolve tempos mais
curtos de processamento, além de apresentar melhor homogeneidade e
reprodutibilidade
•  A Implantação Iônica permite um controle preciso das doses implantadas, o
que é particularmente importante para baixas contrações de dopantes. Por
exemplo, o ajuste do Vt de transistores MOS.
•  Na implantação podem ser usados, além do SiO2 e Si3N4, outros materiais
para fazer o mascaramento, como fotorresiste e metais
•  A Implantação também pode ser feita “através” de películas finas de material
de mascaramento,
•  Graças ao baixo alcance médio, a Implantação Iônica é ideal para dopagens
rasas e com altos gradientes de concentração.
•  Varias Implantações com diferentes doses e energia podem ser realizadas
em seqüência. Isto permite ajustar e otimizar os perfiz de concentração de
dopantes.
•  A implantação provoca danos na estrutura do substrato
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Trabalho 3
Responda as seguintes questões e entregiue na próxima aula :
¤  Explique o que é o fotoresiste e no que se baseia a sua fotosensibilidade.
¤  Qual a diferença entre fotoresiste “positivo” e “negativo”
¤  Descreva a sequência de processos para fabricar um resistor de Si por difusão
térmica de impurezas numa lamina tipo-N
¤  No contexto do processo de difusão térmica, explique a diferença entre a Etapa
inicial de “Pre-deposição” e a etapa de Drive-in”
¤  Durante a implantação iônica as lâminas alvo de Si ficam carregadas ?. Como
Explique como é feita medida da dose total implantada
¤  Explique como pode ser obtido uma região dopada com perfil de dopantes
aproximadamente constante utilizando Implantação Iônica.
26