Procesos de fabricación CMOS - us
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Procesos de fabricación CMOS
Antonio Luque Estepa José M. QueroJosé M. Quero
Dpto. Ingeniería Electrónica
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Indice
● Introducción
● Preparación
● Deposición
● Fotolitografía
● Pruebas y medicionesmediciones
● Encapsulado
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Introducción
● Procesos de fabricación CMOS● Procesos de fabricación CMOS
– Adición de material (deposición)
– Sustracción de material (grabado)
– Fotolitografía
● Encapsulado
● Medida y test
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Proceso generalPreparación
Fotolitografía
Deposición Grabados Pegado
Medidas
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Sala blanca
● Baja concentración de contaminantes. Ambiente Baja concentración de contaminantes. Ambiente controlado
● Clasificación (U.S. Federal Standard 209b)
– Clase 1: 1 partícula por pie cúbico
– Clase 10: 10 partículas por pie cúbico
– Clase 100: 100 partículas por pie cúbico– Clase 100: 100 partículas por pie cúbico
– etc.
– Referidas a partículas mayores de 0.5 µm
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Sala blanca
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Comportamiento en sala blanca
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Comportamiento en sala blanca
● Vestimenta adecuada: traje, guantes, gafas (para Vestimenta adecuada: traje, guantes, gafas (para proteger a la sala, no a la persona)
● Vestimenta de seguridad: guantes químicos, careta, protector corporal
● Plan de trabajo preparado con antelación
Seguimiento de los procedimientos normalizados ● Seguimiento de los procedimientos normalizados y las normas de seguridad
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Materiales disponibles
Obleas● Obleas
● Disoluciones químicas
● Máscaras (cromo, vidrio, oro,...)
● Material auxiliar
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Obleas de silicio y de vidrio
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Indice
● Introducción
● Preparación
● Deposición
● Fotolitografía
● Pruebas y medicionesmediciones
● Encapsulado
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Pasos preparatorios● Obleas de silicio, vidrio, pyrex, SOI (Silicon
on insulator),...
● Silicio: dopado p/n, SSP/DSP, diámetro 100mm, espesor 380/525 um, orientación <100>/<110>/<111>
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Obleas de silicio: fabricación
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Obleas de silicio: manejo
Automático
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Obleas de silicio: manejo
Manual
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Limpieza de las obleas
● Proceso RCA: limpieza antes de comenzar el Proceso RCA: limpieza antes de comenzar el procesamiento
● Paso 1: residuos orgánicos con NH4OH
● Paso 2: óxido con HF
● Paso 3: residuos metálicos con HCl
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Limpieza RCA
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Limpieza RCA
NHNHNH444OHOHOH HClHClHClHFHFHF
SecadoSecadoSecado
Agua DIAgua DIAgua DI
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Indice
● Introducción
● Preparación
● Deposición
● Fotolitografía
● Pruebas y medicionesmediciones
● Encapsulado
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Deposición de material
● Se pueden depositar materiales sobre un sustrato Se pueden depositar materiales sobre un sustrato desde
– Líquido
– Gas
– Plasma
– Sólido– Sólido
● Proceso térmico para variar sus propiedades
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Tipos de deposición
● Física
– PVD (por ejemplo, sputtering o epitaxial)
● Química
– Baja presión LPCVD
– Con plasma PECVD
– Presión atmosférica APCVD– Presión atmosférica APCVD
● Por láser
● etc.
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Dopado del silicio
● Difusión térmica, entre 950 y 1280 ºCDifusión térmica, entre 950 y 1280 ºC
– Ley de Fick de la difusión
– Poco usado hoy en día en fábricas comerciales
● Implantación iónica
– Se pueden implantar más tipos de iones que por difusióndifusión
– Buen control de la concentración
– Menor coste por oblea
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Ley de Fick
● Gobierna la difusión de los dopantes en el SiGobierna la difusión de los dopantes en el Si
t
C=
x
CD
∂∂
∂∂
2
2
● D coeficiente de difusión
C concentración de dopante● C concentración de dopante
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Oxidación
● Crecimiento de óxido por calentamiento del SiCrecimiento de óxido por calentamiento del Si
● Se forma una capa de 20 Å, que se difunde rápidamente a alta temperatura
Si + 2H20 -> SiO2 + H2 (oxidación húmeda)Si + O2 -> SiO2 (oxidación seca)
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Tipos de oxidación
● Seca: sin vapor de agua● Húmeda: con vapor de agua● Pirogénica: con hidrógeno gaseosohidrógeno gaseoso
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Crecimiento del óxido
● Al oxidar el Si, se pierde parte del mismoAl oxidar el Si, se pierde parte del mismo
● El espesor perdido es el 46% del espesor total de óxido
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Deposición física
● PVD: Physical Vapor DepositionPVD: Physical Vapor Deposition
● Los reactores funcionan a baja presión
● El origen del material a depositar puede ser sólido, líquido o gaseoso
● Evaporación térmica, epitaxia molecular, deposición por láser, etc.deposición por láser, etc.
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Evaporación térmica
● Configuración típica de ● Configuración típica de un reactor de evaporación
● Es importante tener un buen vacío
● Fuentes de calor: ● Fuentes de calor: corriente eléctrica, electrones, RF, láser
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Sputtering
● “Escupir” material encima del sustrato“Escupir” material encima del sustrato
● El material a depositar se arranca cargándolo negativamente y bombardeándolo con iones positivos de Ar.
● Ventajas sobre la evaporación
– Más materiales para depositar– Más materiales para depositar
– Más uniformidad
– Mejor control del espesor
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Sputtering
● Metales
Al, Ti, Ta, Pt, ...
● Aleaciones
Al+Si, W+Ti, ...
● Dieléctricos
SiO2, TiO2, ...
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Epitaxia molecular● MBE: Molecular Beam
EpitaxyEpitaxy
● Un cristal calentado se coloca en un flujo de átomos del material a crecer
● Proceso muy lento● Proceso muy lento
● Apropiada para pequeños espesores y precisión muy alta
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Epitaxia molecular
● La epitaxia permite el crecimiento de heteroestructuras de de heteroestructuras de semiconductores por la gran perfección cristalina que alcanza.
● Los haces moleculares inciden sobre un sustrato y diversas reacciones químicas ocasionan la reacciones químicas ocasionan la deposición de monocapas sucesivas.
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Epitaxia molecular● Mediante el adecuado control de
las especies químicas de los las especies químicas de los haces se puede variar la composición de las capas epitaxiales.
● Los requerimientos técnicos son elevados pues se exige un elevados pues se exige un perfecto control de la temperatura y vacío en la cámara de crecimiento.
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Deposición química
● CVD: Chemical Vapor DepositionCVD: Chemical Vapor Deposition
● Los elementos presentes en fase vapor reaccionan al contacto con una superficie caliente (el sustrato) para formar una película sólida
● A menudo se usa un gas inerte para facilitar el transporte del materialtransporte del material
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CVD: tipos
● PECVD: Plasma Enhanced CVDPECVD: Plasma Enhanced CVD
● APCVD: Atmospheric Pressure CVD
● LPCVD: Low Pressure CVD
● VLPCVD: Very Low Pressure CVD
● Otros...Otros...
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PECVD
● Un plasma inducido por RF transfiere la energía a Un plasma inducido por RF transfiere la energía a los gases
● Sustrato horizontal o vertical
● Control de la temperatura asegura la uniformidad
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APCVD
● De 100 Pa a 10 kPa en torno De 100 Pa a 10 kPa en torno a la presión atmosférica
● Usos principales: Si epitaxial, GaAs, InP, HgCdTe
● Deposición de SiO2 a baja ● Deposición de SiO2 a baja temperatura (LTO: Low Temperature Oxide)
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LPCVD● Menos de 10 Pa
Espesor controlado por la reacción, no por el ● Espesor controlado por la reacción, no por el transporte másico
● Por tanto, se pueden procesar muchas obleas a la vez
![Page 39: Procesos de fabricación CMOS - us](https://reader030.fdocuments.es/reader030/viewer/2022012700/61a3142d3f7f4546471c882d/html5/thumbnails/39.jpg)
LPCVD
● Ejemplos de materiales: Ejemplos de materiales: polisilicio, nitruro (SiN), nitruro de baja tensión (LSN), óxido de baja temperatura (LTO), vidrio fosfosilicado (PSG)fosfosilicado (PSG)
![Page 40: Procesos de fabricación CMOS - us](https://reader030.fdocuments.es/reader030/viewer/2022012700/61a3142d3f7f4546471c882d/html5/thumbnails/40.jpg)
LPCVD
Tubo de cuarzo
Calentadores
Puerta
Gas
Bandejas de
Termopar
Gas
Manómetro
Salida de gas
Bandejas de cuarzo
Regulación de presión
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Tensión residual en la deposición
● La deposición de materiales suele dejar tensiones La deposición de materiales suele dejar tensiones residuales en la oblea
● Hay materiales especialmente adecuados cuando la tensión es un problema
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Indice
● Introducción
● Preparación
● Deposición
● Fotolitografía
● Pruebas y medicionesmediciones
● Encapsulado
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Fotolitografía. Pasos
● Fabricación de la máscara
● Precalentado
● Deposición de fotorresina
● Recalentado
● Alineación y exposición
● Revelado
● Eliminación de fotorresina
![Page 44: Procesos de fabricación CMOS - us](https://reader030.fdocuments.es/reader030/viewer/2022012700/61a3142d3f7f4546471c882d/html5/thumbnails/44.jpg)
Fabricación de la máscara
● Sustrato de cuarzo y cromoSustrato de cuarzo y cromo
● Escritura con láser y posterior revelado
● También es posible la escritura directa en la oblea (sin máscara)
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Precalentado
200-250 ºC20 minutos
![Page 46: Procesos de fabricación CMOS - us](https://reader030.fdocuments.es/reader030/viewer/2022012700/61a3142d3f7f4546471c882d/html5/thumbnails/46.jpg)
Deposición de fotorresina
Girado a alta velocidad Girado a alta velocidad (5000 rpm) durante 30 segundos
![Page 47: Procesos de fabricación CMOS - us](https://reader030.fdocuments.es/reader030/viewer/2022012700/61a3142d3f7f4546471c882d/html5/thumbnails/47.jpg)
Recalentado
Objetivo: Objetivo: endurecer la fotorresina
90-100 ºC 25 minutos
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Alineación y exposición
![Page 49: Procesos de fabricación CMOS - us](https://reader030.fdocuments.es/reader030/viewer/2022012700/61a3142d3f7f4546471c882d/html5/thumbnails/49.jpg)
Máscara
Fabricadas en cromo y cuarzo
Coste aprox. 800 €/máscara/máscara
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Alineación
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Alineación de doble cara
![Page 52: Procesos de fabricación CMOS - us](https://reader030.fdocuments.es/reader030/viewer/2022012700/61a3142d3f7f4546471c882d/html5/thumbnails/52.jpg)
Errores en la alineación
![Page 53: Procesos de fabricación CMOS - us](https://reader030.fdocuments.es/reader030/viewer/2022012700/61a3142d3f7f4546471c882d/html5/thumbnails/53.jpg)
Revelado
![Page 54: Procesos de fabricación CMOS - us](https://reader030.fdocuments.es/reader030/viewer/2022012700/61a3142d3f7f4546471c882d/html5/thumbnails/54.jpg)
Eliminación de fotorresina● Eliminación seca (plasma)
Eliminación húmeda● Eliminación húmeda
● Descumming en el revelado, con plasma
![Page 55: Procesos de fabricación CMOS - us](https://reader030.fdocuments.es/reader030/viewer/2022012700/61a3142d3f7f4546471c882d/html5/thumbnails/55.jpg)
Indice
● Introducción
● Preparación
● Deposición
● Fotolitografía
● Pruebas y medicionesmediciones
● Encapsulado
![Page 56: Procesos de fabricación CMOS - us](https://reader030.fdocuments.es/reader030/viewer/2022012700/61a3142d3f7f4546471c882d/html5/thumbnails/56.jpg)
Pruebas y mediciones
Perfil● Perfil
● Conductividad
● Espesores de capas
● Microscopía
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Profilómetro
● Medida del perfil
● Profilómetro de aguja. La dimensión de la aguja impone la característica mínima característica mínima que es posible medir
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Conductividad
● Método de los cuatro puntosMétodo de los cuatro puntos
● Mide la resistividad. Para la resistencia hay que proporcionar el espesor
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Espesor
● Método óptico, basado en la reflectividad.Método óptico, basado en la reflectividad.
● Mide el espesor de la capa superior, sabiendo cuáles son las inferiores.
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Elipsómetro
● Medida de espesorMedida de espesor
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Microscopía óptica
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Microscopía electrónica (SEM)
Scanning Electron Microscope (SEM)
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Microscopía electrónica (TEM)
Transmission Electron Microscope Transmission Electron Microscope (TEM)
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Imágenes SEM
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Cortado de obleas
● Proporciona los dispositivos finales, a falta de Proporciona los dispositivos finales, a falta de encapsular
● Cortado con diamante
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Indice
● Introducción
● Preparación
● Deposición
● Fotolitografía
● Pruebas y medicionesmediciones
● Encapsulado
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Encapsulado