PROCESSOS DE FABRICAÇÃO DE CI
1.1 INTRODUÇÃO
Embora o Germânio e o Arseneto de Gálio sejam também utilizados na fabricação de dispositivos semicondutores, o Silício é ainda o material mais popular e assim deverá permanecer por algum tempo. As propriedades físicas do Silício o tornam adequado para a fabricação de dispositivos ativos com boas características elétricas. Além disto, o Silício pode ser facilmente oxidado para formar excelentes camadas de isolação (vidro). Este isolante é usado para fazer capacitores e dispositivos controlados por efeito de campo, podendo também atuar como máscara contra impurezas que poderiam difundir-se no silício de alta pureza. Estas características do Silício o tornam adequado a fabricação de Circuitos Integrados, em que elementos ativos e passivos são construídos juntos e em um mesmo substrato, e ao mesmo tempo, sendo interconectados para formar o circuito completo [Sedra 91].
1.2 PROCESSAMENTO DO WAFER
A indústria moderna de semicondutores utiliza como matéria prima, em sua maioria, o "Wafer" ou disco de silício, que varia de 75mm a 150mm de diâmetro e menos de 1mm de espessura (usualmente 200μm). Os wafers são cortados a partir de tarugos de cristal de silício, retirados de um cadinho com silício policristalino puro. Este processo, como mostrado na Figura 1.1, é conhecido como método de "Czochralsky", que é o método mais popular de produção de cristal de silício. Quantidades controladas de impurezas são adicionadas ao silício líquido para se obter o cristal com as propriedades elétricas desejadas. A orientação cristalina é determinada por uma semente de cristal que é mergulhada no silício líquido para iniciar o crescimento do tarugo. O silício fundido é mantido em um cadinho de quartzo envolvido por um radiador de grafite. O grafite é aquecido por indução de radiofreqüência, e a temperatura é mantida em alguns graus acima da temperatura de fusão do silício (≈1425 oC), tipicamente em uma atmosfera de Hélio ou Argônio.
Após a semente ter sido introduzida no silício líquido, ela é puxada gradualmente no sentido vertical e ao mesmo tempo em que é rotacionada. O silício policristalino fundido
derrete a ponta da semente e, à medida que a semente é puxada ocorre o resfriamento (solidificação). Quando o silício líquido, em contato com a semente, esfria, e assume a forma e a orientação cristalina da semente. O diâmetro do tarugo é determinado pelas taxas de velocidade de tracionamento e de rotação. A formação do tarugo varia de 30 a 180mm/hora.
O corte em fatias do tarugo é usualmente feito por meio de serras com diamantes nos dentes girando em alta rotação. Os wafers obtidos têm usualmente entre 0,25mm e 1mm de espessura, dependendo de seu diâmetro. Finalmente, os discos são polidos em uma de suas faces até se obter um acabamento espelhado e sem imperfeições [West 88].
Figura 1 - Processo Czochralski de Fabricação de Tarugos de Silício.
1.3 OXIDAÇÃO
A oxidação refere-se ao processo químico no qual o oxigênio reage com o silício para formar o dióxido de silício (SiO2). Para se alcançar uma camada contínua e de alta qualidade de SiO2, usa-se a oxidação térmica onde a temperatura do wafer varia de 1000 oC a 1200 oC. Um filme de SiO2 de baixa qualidade pode ser obtido através de outros processos. A oxidação é um dos passos mais freqüentes no processo de fabricação do Circuito Integrado e é usada como:
1. máscara, durante a difusão do dopante, 2. passivação,
3. óxido isolante e
4. dielétrico de Gate de dispositivos MOS.
A oxidação térmica é obtida expondo-se o silício a uma alta temperatura em um ambiente contendo oxigênio de alta pureza. A oxidação pode ser seca ("dry oxide") ou molhada ("wet oxide"), usando-se vapor de água. A oxidação usando vapor de água é mais rápida, porém a oxidação usando oxigênio conduz a melhores características elétricas.
As reações químicas destes processos são:
2 2 2 2 2 2H O SiO H Si SiO O Si + → + → +
A espessura da camada de SiO2 varia de 0,02µm a 2µm, sendo a temperatura do processo, a concentração de impurezas e o tempo fatores que determinam a espessura real. O SiO2 tem aproximadamente o dobro do volume do Si e, como o processo de oxidação consome silício, a camada de SiO2 cresce quase igualmente em ambas as direções verticais [Sedra 91] [Millman 87] [West 88] [Maly 87].
1.4 FOTOLITOGRAFIA
Fotolitografia é a técnica usada na fabricação de CIs para transferir um padrão desejado para a superfície do wafer, sendo considerada a etapa fundamental de todo o processo. Nesta etapa, o wafer é coberto com um filme de um material fotossensível, conhecido como "photoresist". Uma máscara com áreas claras e opacas, que representam o padrão a ser transferido para o wafer, é colocada sobre o material fotossensível e, por exposição à luz ultravioleta, este material será polimerizado nas regiões correspondentes às áreas claras da máscara. Retira-se a máscara e o wafer é então "revelado" usando-se produtos químicos (tal como tricloroetileno), os quais dissolvem as áreas não polimerizadas. A superfície apresentará, então, o padrão desejado. Este procedimento descrito corresponde ao photoresist negativo, sendo possível também o photoresist positivo onde a área exposta à luz ultravioleta é removida. A Figura 1.2 ilustra o processo descrito.
A precisão da transferência da máscara para o wafer determina a resolução do processo litográfico: quanto maior a resolução do processo litográfico, tanto menores serão as características geométricas que podem ser transferidas para o wafer. A resolução do processo pode ser melhorada usando-se, ao invés de luz UV, raios X (X-ray lithography) ou feixe de elétrons (E-beam lithography). O E-beam é capaz de escrever diretamente no wafer o padrão desejado, sem o uso de máscaras, obtendo-se altas resoluções [Maly 87] [Millman 87].
Figura 2 - Processo Fotolitográfico típico.
1.5 ETCHING
O processo seguinte a fotolitografia é a remoção seletiva de material das áreas do wafer desprotegidas pelo photoresist. Um único CI é submetido geralmente a vários etchings durante a sua fabricação. Além da remoção seletiva, outra característica deste processo é o seu grau de anisotropia, ou seja, o etching anisotrópico ocorre somente em uma direção, enquanto que o etching isotrópico ocorre em todas as direções.
Há dois tipos de etching empregados: molhado ("wet") e seco ("dry"). O wet etching, também chamado de etch químico, usa agentes químicos em fase líquida e caracteriza-se por apresentar uma remoção altamente seletiva e isotrópica. Com isto, este processo resulta em
remoção lateral indesejada, como indicado na Figura 1.3.b (a Figura 1.3.a ilustra o etching ideal). O dry etching, também chamado íon etching, é anisotrópico e, portanto, menos susceptível à remoção lateral indesejável, como ilustrado na Figura 1.3.c, porém não é seletivo e ocorre a uma taxa mais lenta que o wet etching. O processo ocorre sob a presença de um gás em baixa pressão, e a remoção do material é feita pelo bombardeamento de íons de alta energia. Uma vez que reagentes líquidos não são envolvidos, o custo pode ser reduzido.
Figura 3 - Etching. (a) Ideal Etching, (b) Wet Etching, (c) Dry Etching.
Uma combinação de ambos etchings é possível, onde o material é removido por bombardeamento de íons que também reagem quimicamente. Neste caso obtém-se um compromisso entre seletividade e anisotropia do material a ser removido [Maly 87] [Geiger 90].
1.6 DEPOSIÇÃO
A deposição de camadas condutoras (metais, silicietos de metais ou silício policristalino de baixa resistividade) e de camadas isolantes (dióxido de silício ou nitrito de silício - N3Si2) constitui uma importante parte na fabricação de CIs. Este processo não consome silício do substrato como no caso da oxidação térmica. Normalmente, a deposição ocorre na fase de vapor sob baixa pressão ou vácuo.
A deposição divide-se em dois modos: Deposição Física de Vapor ou Physical Vapor Deposition (PVD) e Deposição Química de Vapor ou Chemical Vapor Deposition (CVD). No PVD não ocorre reação química durante o processo de deposição. Um exemplo de PVD é a deposição de alumínio, no qual o alumínio é vaporizado. Como suas moléculas gasosas se irradiam em todas as direções, elas cobrem uniformemente a superfície do wafer. Através de fotolitografia, um padrão com conexões poderia ser estabelecido no wafer. Este processo recebe o nome de Metalização.
Durante o processo de CVD ocorrem reações químicas com o material a ser depositado na superfície do wafer. Um exemplo de CVD é o crescimento epitaxial.
1.6.1 CRESCIMENTO EPITAXIAL
Do ponto de vista da estrutura atômica, os sólidos podem ser cristalinos ou amorfos. Os cristalinos caracterizam-se por apresentar um arranjo ordenado de átomos, enquanto que os amorfos não apresentam tal organização. A estrutura cristalina pode apresentar um único arranjo (monocristal ou "single-cristal"), como é o caso do substrato do wafer, ou pode apresentar setores com arranjos em orientações aleatórias (policristal ou "polycristal"). No caso da deposição de uma camada de monocristal sobre o substrato, a camada depositada assume exatamente a orientação cristalina do substrato. Este tipo de deposição é conhecido como crescimento epitaxial. A tecnologia atual usa redução de hidrogênio dos gases SiH4 e SiCl4 como fonte de silício para a deposição. O SiH4 apresenta como vantagem menor temperatura e uma taxa de crescimento maior que o SiCl4. Visto que se precise produzir filmes epitaxiais dopados, utiliza-se o gás PH3 para dopagem tipo n e o gás B2H6 para dopagem tipo p. Geralmente, a espessura da camada epitaxial fica entre 5µm e 25µm [Millman 87] [Maly 87]. As reações químicas para o SiH4 e o SiCl4 são:
2 2 4 4 2 1000 4 1200 H Si C H de Atmosfera SiH HCl Si C SiCl o o + +
1.7 DIFUSÃO
Difusão, na fabricação de CIs, se refere à migração forçada e controlada de impurezas no substrato. O perfil de impurezas resultante, que tem papel importante no desempenho do CI, é afetado pela temperatura e pelo tempo de difusão. Novas difusões no wafer geralmente causam alguma migração de dopantes de difusões prévias. Na verdade, o processo de difusão continua indefinidamente, mas em temperaturas normais de operação do CI, pode durar dezenas de anos ou mais para se tornar significativa.
A introdução de concentrações controladas de impurezas é feita em um forno à cerca de 1000oC por um período de uma a duas horas. O forno de difusão normalmente acomoda cerca de 20 wafers.
Fontes de impurezas podem ser líquidas, gasosas e sólidas e são colocadas em contato com o silício do substrato. Impurezas gasosas mais usadas são, B2O3, BCl3 e B2H6 para dopantes do tipo p, PH3 e AsH3 para dopantes do tipo n.
A difusão ocorre tanto verticalmente quanto lateralmente em distâncias iguais. A Figura 1.4.b ilustra como ficaria o perfil típico de difusão em um dispositivo integrado e a Figura 1.4.a ilustra o perfil ideal [Millman 87] [Geiger 90].
1.7.1 IMPLANTAÇÃO IÔNICA
Um segundo método de se introduzir impurezas é a implantação iônica. Em um ambiente de baixa pressão (idealmente vácuo), íons apropriados (Boro para tipo p e Fósforo para tipo n) são acelerados de forma a adquirirem uma alta energia cinética em direção ao wafer. A profundidade de penetração está relacionada com a energia do feixe de íons, a qual pode ser controlada pela voltagem do campo de aceleração. A quantidade de íons implantada pode ser controlada pela variação da corrente do feixe (fluxo dos íons). Uma vez que a voltagem e a corrente podem ser medidas e controladas com precisão, a implantação iônica resulta em perfis mais precisos e que podem ser reproduzidos mais facilmente. A Figura 1.4.c mostra um perfil típico de difusão usando implantação iônica. Como outra vantagem, a implantação iônica é feita a temperatura ambiente. A implantação iônica não apresenta difusão lateral sendo recomendada para fabricação de CIs de alta densidade [Millman 87] [Maly 87] [Geiger 90].
