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Microeletrônica
Aula 4
Prof. Fernando Massa Fernandes
(Prof. Germano Maioli Penello)
http://www.lee.eng.uerj.br/~germano/Microeletronica_2016-2.html
Sala 5017 E
https://www.fermassa.com/Microeletronica.php
Fabricação
• Circuitos integrados CMOs são fabricados em bolachas (wafers) de Si.
• Cada bolacha contém diversos Chips (die)
http://en.wikipedia.org/wiki/Wafer_%28electronics%29
O diâmetro mais comum de bolacha de Si é de 300 mm (12 in)
Ex. de bolachas de 2, 4, 6 e 8 in
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Sala limpaTodas as etapas recorrentes são feitas em um ambiente controlado chamado de sala limpa.
– Indispensável na fabricação de CI, ela também é usada na industria farmacêutica, em áreas de biotecnologia, e outras áreas sensíveis à contaminação.
– A sala limpa foi inventada para determinar a idade da terra (4,54Bi anos)! (quantidade de chumbo em meteoritios – Decaimento radioativo do Uranio)
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Sala limpa
Turbulenta Laminar http://en.wikipedia.org/wiki/Cleanroom
Ambiente normal - 35,000,000 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5mSala Limpa Classe 100 (ISO 5) – 3,520 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5mSala Limpa Classe 1 (ISO 3) – 35 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.5m
Sala limpa (ISO 1) – 12 partículas/m3 com tamanhos acima de 0.3m
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Sala limpaAmbiente controlado: temperatura, umidade, fluxo de ar, descargas eletrostáticas, baixa quantidade de poluentes, poeira, partículas suspensas, vapores químicos
A roupa é para proteger a sala limpa do usuário!
Os móveis são feitos de materiais que não liberem partículas (teflon, aço inox)
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Sala limpa (sala amarela)
Sala onde a luz ambiente não contém radiação UV.
O fotorresiste é sensível à radiação UV e pode ser manuseado nesta sala sem preocupação.
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Projetando CMOS
Especificação do circuito(entradas e saídas)
Cálculos e esquemático
Simulação do circuito
Leiaute
Simulação com parasitics*
Circuito dentro das especificações?
Fabricação do protótipo
Testes e avaliações
Circuito dentro das especificações?
Produção
Circuito dentro das especificações?
*Parasitics – capacitância e indutância parasíticas; junções pn e seus problemas
Problemaespec.
Problemafabricação.
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Página dos Tutoriais para os trabalhos:
http://cmosedu.com/videos/electric/electric_videos.htm
Tutoriais do electric:
http://cmosedu.com/videos/electric/tutorial1/electric_tutorial_1.htm
Siga este tutorial para ajustar as configurações que usaremos ao longo do curso!
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Projeto de CI
Sistema Live: UbuntUERJ_beta
Sistema operacional (Live) para rodar direto do DVD ou pendriveElectric e Ltspice pré-configurados
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Substrato e poçoOs circuitos CMOS são fabricados num substrato de Si.Dopante tipo-n (P - fósforo)Dopante tipo-p (B - Boro) – substrato mais comum de ser usado em CI CMOS
No substrato tipo-p, NMOS são fabricados diretamente, enquanto PMOS são fabricados em um poço-n.
O substrato ou o poço são chamados de corpo do MOSFET.
Normalmente, uma camada epitaxial de Si é crescida antes do processamento. Não faremos distinção entre essa camada e o próprio substrato.
Um processamento que usa o substrato tipo-p com um poço-n é chamado “processo poço-n” (“n-well process”). Um processamento que usa o substrato tipo-n com um poço-p é chamado “processo poço-p” (“p-well process”).
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Diodo parasíticoUm poço-n num substrato tipo-p forma um diodo
Para evitar que este diodo seja polarizado diretamente (conduza corrente), o substrato é normalmente o ponto de menor tensão do circuito (aterrado).Idealmente, não existe corrente fluindo no substrato.
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Resistor (poço-n)
Além de ser usado como o corpo do PMOS, o poço pode ser usado como um resistor.
Se as tensões nos terminais do resistor forem maiores que a tensão do substrato, podemos evitar que o diodo parasítico seja polarizado diretamente.
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Procesamento do poçoAcompanhe os três primeiro passos do applet
• Oxidação• Depósito de fotorresiste• Iluminação seletiva• Remoção seletiva do fotorresiste• Remoção do óxido• Dopagem
http://jas.eng.buffalo.edu/education/fab/invFab/index.html
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Com o substrato completamente limpo, a primeira etapa é a de crescimento de óxido (SiO2 – também chamado de vidro! Excelente isolante elétrico).
Crescimento de SiO2
Consome Si do substrato durante o processo de crescimento
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Si puro em contato com O2 tem como resultado:
Si + O2 SiO2
Requer um ambiente com altas temperaturas (~1000 oC)
Crescimento de SiO2
Requer um ambiente com altas temperaturas – Fornos de oxidação
Consome Si do substrato durante o processo de crescimento
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Si puro em contato com O2 tem como resultado:
Si + O2 SiO2
Para que o SiO2 tenha excelentes propriedades elétricas e para controlar precisamente a sua espessura, existem dois métodos de crescimento de óxido.
Método molhado – crescimento mais rápido, mas pior qualidade elétrica
Método seco – crescimento mais lento, mas melhor qualidade elétrica
Crescimento de SiO2
Requer um ambiente com altas temperaturas
Consome Si do substrato durante o processo de crescimento
Por efeito de interferência de luz, dá para se estimar a espessura do óxido apenas analisando a sua cor!
Mesma explicação do efeito de coloração observada quando existe óleo derramado sobre a água na rua.
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Elipsometria
Fotorresiste FotolitografiaSpin coating - spinner
Tipicamente~3000 a 4000 rpmDurante alguns minutos.
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Fotorresiste (PR)•Pre-cozimento (ou promotor de adesão)
Substrato sem umidade facilita a aderência do PR
•Spin coating
Camadas bem homogêneas de PR por todo o substrato (~m)
•Cozimento suave
Remover o solvente do PR. Converter PR de líquido para sólido.
•Iluminação seletiva
PR iluminado se torna solúvel (revelação positiva)
•Revelação
PR iluminado é removido (revelação positiva)
•Cozimento duro
Fortalecer o PR para não ser removido com ácido
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Remoção do óxidoApenas a região exposta do óxido (sem fotorresiste), é atacada pelo ácido!
(Produtos Quimicos com pureza Grau Eletrônico ou Grau Semicondutor)
Normalmente utiliza-se ácido fluorídrico (HF) para a remoção do óxido.Buffered oxide etch (BOE) – H20(DI):HF - 6:1
Desenho fora de escala!
Tanto o óxido quanto o fotorresiste servem para proteger o substrato na etapa de difusão que seguirá no próximo slide.
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Difusão
Difusão de átomos doadores (tipo-n).
Elemento da coluna V da tabela periódica
P - Fósforo.
Note que a difusão ocorre também embaixo do fotorresiste protetor
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Difusão Note que a difusão ocorre também embaixo do fotorresiste protetor
O tamanho final do poço-n não é exatamente igual ao da máscara fotolitográfica.
As companhias que fabricam os chips podem aumentar ou diminuir as máscaras para compensar este efeito.
Após a remoção do fotorresiste, ficamos apenas com o substrato e o poço-n
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Leiaute do poço-nO leiaute das máscaras fotolitográficas é feita consideranto a visão superior. Um dos pontos chaves do leiaute é o fator de escala. Ex.:Dimensões mínimas = 50nmQuadrado de 10x10 (adimensional) tem seus lado de 500nm desprezando a difusão lateral e outras imperfeições.
Usar números inteiros para desenhar o leiaute simplifica o processamento.
Vista superior
Seção reta
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Regras de design (poço-n)Existem regras que determinam o espaçamento e tamanhos mínimos requeridos para todas as camandas do processamento CMOS!
O engenheiro de processo é quem especifica essas regras e também quem projeta as mascaras. As regras variam dependendo da tecnologia usada (processos com fator de escala 1m tem diferentes regras de processos com fator de escala de 50nm)
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ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.
Lembrando:
A resistência de um material depende de propriedades intrínsecas do material e da sua geometria.
Propriedade do mateiral: ResistividadeGeometria: Comprimento e área de seção reta
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ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.
A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa, mas o comprimento L e a largura W são determinados pela máscara do leiaute. Podemos controlar L e W, e com isso fabricar um resistor com o valor desejado.
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ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.
A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa, mas o comprimento L e a largura W são determinados pela máscara do leiaute. Podemos controlar L e W, e com isso fabricar um resistor com o valor desejado.
E o fator de escala?
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ResistênciaAlém de servir como base para o transistor PMOS, o poço-n também é utilizado para criar resistores.
A espessura t de um processo CMOS é normalmente fixa, mas o comprimento L e a largura W são determinados pela máscara do leiaute. Podemos controlar L e W, e com isso fabricar um resistor com o valor desejado.
E o fator de escala?O valor projetado não é alterado pelo fator de escala!
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Resistência de folhaUma grandeza comum é a resistência de folha de um material. Ela é utilizada em sistemas de filmes finos e implica que o fluxo de corrente se dá ao longo do plano da folha, e não perpendicular a ela.
Unidade de Rs : /sq ou /
Esta unidade serve para evitar a confusão entre a resistência de folha e a resistência
Ex. Um quadrado com Rs = 100 /sq tem resistência de 100 .Um retângulo de lado 1 e comprimento 3 do mesmo material tem resistência de 300
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