CIRCUITE INTEGRATEANALOGICELecture 5

Cap3.Tehnologia circuitelor integrate bipolare si CMOS

3.1 IntroducereCunoasterea procesului de fabricatie necesara pentru: -a arata avantajul economic oferit de procesul planar care permite fabricatia de CI complexe cu pret scazut datorita prelucrarii simultane a unor loturi mari -a cunoaste factorii care influenteaza costul de fabricatie atat de catre proiectant de CI cat si de catre utilizator, in cazul in care acesta doreste un circuit fabricat la comanda - a cunoaste constrangerile relative la cost complet diferite de cele din cazul circuitelor cu componente discrete In acest capitol se prezinta pe scurt : - procesele de baza in fabricatia CI: pregatirea substratelor, difuzia in stare solida, oxidarea, fotolitografia optica, implantarea de ioni, depunerea siliciului policristalin -secventele de realizare a unui CI bipolar si proprietatile dispozitivelor active si pasive care rezulta -secventele de realizare a CI MOS si tipurile de dispozitive care se obtin prin aceasta tehnologie

3.2.Procese fundamentale pentru fabricatia CIFabricatia CI are la baza folosirea siliciului si a procesului planar, utilizat din 1959 pentru fabricarea tranzistoarelor discreteUtilizarea Si se datoreaza propritatilor unice ale SiO2.Rolurile SiO2: -masca pentru realizarea difuziei selective a impuritatilor -strat protector al suprafetei Si -strat izolator , permitand interconectarea dispozitivelor integrate prin metalizari peste stratul izolator de SiO2

3.2.1.Fabricarea substratelor-1Substratele CI sunt plachete subtiri de monocristal de Si usor dopate cu impuritati de tip n sau p. Siliciul folosit pentru substate trebuie: -sa fie foarte pur (concentratia de impuritati nedorite sa fie sub 1 la 1010) -sa fie monocristalin, adica sa aiba o structura cristalina perfect regulata

Lattice Structure

We will focus our discussion on silicon as the base element.Of course it normally has a 3-dimensional structureTetrahedronMuch of the effects can be visualized using the simplified 2-dimensional model.

p

Fabricarea substratelor-2

Fabricarea substratelor foloseste ca materie prima SiO2 si implicaurmatoarele etape:

A.Reducerea SiO2 in prezenta carbonului in reactoare speciale .

SiO2+2C=Si + 2COSi astfel obtinut are o puritate de 98%

Reactor pentru obtinerea Si prin reducerea SiO2 in prezenta C

Si primar obtinut prin reducerea SiO2

Fabricarea substratelor-3B. Purificarea Si in urma careia se obtine Si policristalin de puritatea necesara - Si +3HCl=SiHCl3+H2 la 300-400oCtriclorsilanul-lichid cu Tfirebere=31,8 - purificarea prin distilare a SiHCl3 - obtinerea Si din SiHCl3 SiHCl3+ H2 =Si + 3HCl la 400oC

Fabricarea substratelor-4

C.Obtinerea unui lingou de Si monocristalin prin metoda de tragere de din topitura (Czochralski): se poate adauga in topitura un dopant p sau n

Silicon RodFabricarea substratelor-5Lingourile astfel obtinute au un diametru de 1,5..2m si un diametru de 10..15

Fabricarea substratelor-6D.Taierea sub forma de plachete cu grosimi intre 250 m si 400 mE.Lepuirea (subtierea si slefuirea prin abraziune)

3.2.2.Difuzia in stare solidaConsta in a forta deplasarea atomilor de impuritati de la suprafata plachetei de Si spre volumul sau.In timpul acestui proces atomii de impuritati inlocuiesc atomii de Si din reteaua cristalului, formand zone de tip p sau n.Profilul de impuritati, care determina in mare masura performantele CI, ,se controleaza prin temperatura si timp precum si prin relatia temperatura timp in decursul procesarii.Rezultatul procesului de difuzie este un strat subtire,aflat langa suprafata plachetei de siliciu,de conductivitate opusa plachetei, altfel spus realizarea unei jonctiuni pn.Parametrul electric care caracterizeaza difuzia este R =/Cuptor de difuzie

Cuptor de difuzie

Diffusion Oven

3.2.3.OxidareaProcesul prin care moleculele de oxigen dintr-un gaz aflat la suprafata plachetei de Si determina cresterea unui strat de SiO2 pe suprafata acesteia.Viteza de crestere a SiO2 depinde de concentratia de O2 si de temperaturaStratul de SiO2 actioneaza ca o bariera pentru difuzia impuritatilor, adica impuritatile separate de suprafata Si de catre stratul de SiO2 nu vor mai putea difuza in siliciu. Deci pentru a realiza intr-o zona a plachetei o jonctiune se creste mai intai un strat de oxid pe intreaga suprafat,se indeparteaza oxidul din zonele unde urmeaza sa se realizeze jonctiunea si apoi se face difuzia.

3.2.4.FotolitografiaProcesul prin care se indeparteaza selectiv, deci din anumite zone, un strat subtire depus initial pe intreaga suprafata a plachetei.Exemplu: indepartarea SiO2din zonele unde urmeaza a se realiza jonctiuni pn.

Etapele procesului de fotolitografieOxidarea plachetei de SiAcoperirea cu fotorezitExpunere fotorezitDevelopare fotorezitCorodare SiO2Indepartare fotorezit

Acoperirea cu fotorezist

Resist Coating

Masca de lumina

3.2.5.Cresterea epitaxialaCresterea epi consta in formarea pe suprafata plachetei de Si a unui strat de Si monocristalin astfel incat structura monocristalina sa fie continua la interfata.Concentratia de impuritati din stratul epi poate fi controlata independent de concentratia substratului (< , > sau opusa)Cresterea stratului se face la temperaturi inalte pornind de la un compus al Si Ex: SiH4=Si + 2H2

Epitaxial Layer

3.2.5.Cresterea epitaxialaDispozitivele CI bipolare se realizeaza intr-un strat epitaxial.Se mai utilizeaza in unele procese CMOS si in majoritatea proceselor BiCMOS

3.2.6.Implantarea de ioniEste o metoda alternativa de impurificare prin introducerea directa a atomilor de impuritati in placheta de Si folosita cu precadere in tehnologia MOSPlacheta aflata in vid estebombardata cu ionii de impuritati accelerati in prealabil.Apoi placheta este mentinuta un timp la o temperatura moderata pentru ca ionii sa se aseze la locurile potrivite in reteaAvantaje: cantitatea de impuritati introdusa poate fi cat de mica si controlata foarte precis, adancimea de patrundere este uniforma pe toata placheta (0,1-0.6 m) Dezavantaje:deteriorari ale suprafetei cristalului

1sursa de ioni, 2 sistem de focalizare, 3 spectrometru de masa, 4 pompe de vid, 5 accelerator de ioni, 6 sistem de baleiaj, 7 recuperator ioni neutralizati, 9 suport pentru plachete, 10 plachete de Si

3.2.7. Depunerea siliciului policristalinStraturile de polisiliciu se folosesc in special in tehnologiile MOS (electrozi de poarta,rezistoare, unele trasee de interconectare).

Depunerea acestor straturi se face prin aceleasi metode ca cele folosite pentru obtinerea straturile epitaxiale. Deoarece depunerea se realizeaza peste un strat de oxid, stratul care se obtine nu mai este o continuare a plachetei monocristaline ci are o structura granulara sau policristalina.

R a straturilor de polisiliciu poate fi controlata prin dopare ca si a siliciului monocristalin fiind cuprinsa intre 20/ si valori foarte mari

Definirea traseelor de polisiliciu se face prin fotolitografie.

Unele aplicatii pot avea pana la 3 straturi de polisisiliciu separate intre ele prin straturi de SiO2.

3.3. Tehnologia circuitelor integrate bipolare3.3.1. Considerente generale 1Reprezinta o dezvoltare a procesului planar folosit initial pentru realizarea tranzistoarelor discrete

Principala problema care apare: izolarea electrica a tranzistoarelor

3.3.1. Considerente generale -continuareCea mai raspandita metoda este izolare prin diode (metoda monolitica) =realizarea fiecarui element de circuit intr-o insula de material semiconductor (de obicei n) situata intr-un semiconductor cu cu conductivitate opusa (de obicei p)Izolarea se realizeaza prin polarizarea inversa a jonctiunilor pn care inconjoara fiecare insula.

3.3.1. Considerente generale -continuareDispozitivele care se pot realiza prin aceasta tehnologie sunt: 1.tranzistoare bipolare npn 2.tranzistoare bipolare pnp 3.rezistoare 4.capacitoare 5.diode 6.diode Zener 7.tranzistoare cu efect de camp cu jonctiune JFET (in unele tehnologii)

Caracteristicile acestor dispozitive integrate sunt determinate de procesul tehnologic, acelasi pentru toate, si ca urmare domeniul de valori posibile este limitat comparativ cu circuitele cu aceleasi dispozitive, dar discreteProcesul tehnologic implica o succesiune de procese de mascare (minim 7) si de difuzie (minim 4)Procesul tehnologic este destinat obtinerii tranzistorului npn. Realizarea celorlalte elemente de circuit trebuiesa fie compatibila cu cea a tranzistorului npn

3.3.2. Procesul tehnologic de realizare a CI bipolare-1Se porneste de la o placheta de Si usor dopat cu impuritati de tip p pe care se creste un strat de SiO2 si apoi un strat de fotorezistMasca nr 1- deschiderea unor ferestre in SiO 2 pentru realizarea stratului ingropatDifuzia stratului ingropat de tip n+ - reducerea rc la tranzistoare npn rb la tranzistoare pnpIndepartarea oxiduluiCresterea stratului epitaxial de tip n ( 2-15 m) colectorul tranzistoarelot npn baza tranzistoarelor pnpOxidarea Masca nr 2 -deschiderea unor ferestre in Si O2 pentru realizarea difuziei de izolareDifuzia de izolare de tip p+ pentru a compartimenta stratul epitaxial adancaOxidareaMasca nr 3 -deschiderea unor ferestre in SiO2 pentru realizarea difuziei de bazaDifuzia de baza de tip p baza tranzistoarelor npn emitorul si colectorul tranzistoarelor pnpOxidareaMasca nr 4-deschiderea unor ferestre in SiO2 pentru realizarea difuziei de emitorDifuzie de emitor de tip n+ emitorul tranzistoarelor npn puturi de contactare a colectorului

Structura unui tranzistor npn integratEu, fig 2.2.6

Procesul tehnologic de realizare a CI bipolare-2OxidareaMasca nr 5- deschiderea unor ferestre in SiO 2 in dreptul ariilor de contactareDepunerea unui strat subtire metalic pe intreaga suprafata a plachetei

High Vacuum Deposition

Procesul tehnologic de realizare a CI bipolare-2

Masca nr 6 indepartarea selectiva a metalului pentru realizarea traseelor de interconectare

Pasivarea intregei suprafete a placheteiMasca nr 7 -deschiderea ferestrelor de contactare (paduri) in vederea atasarii chipului la terminalele metalice ale capsulei

Structura unui tranzistor npn integrat prevazut cu trasee metalice pentru interconectare

Placheta de siliciu dupa procesare

Placheta de siliciu dupa procesare

Amplificatoare operationale din diverse generatii

3.3.2. Procesul tehnologic de realizare a CI bipolare

Testarea la nivel de placheta

Sudarea firelor de aur prin termocompresiune cu bila (ball bonding)

Nailhead Bonding

Cap de sudura

Bonding Head

Chip procesat cu firele de aur lipite

3.3.3. Proprietatile dispozitivelor active si pasive obtinute prin tehnologia CI bipolare

Se numeste vertical deoarece emitorul, baza si colectorul sunt asezate unul peste altul pe verticalaPrincipalele deosebiri ale tranzistorului npn integrat fata de cel discret: - tranzistorul pnp parazit - contactul de C coplanar cu B si E cresterea rezistentei rc necesitatea stratului ingropat= 50200, fT=500 MHzTranzistorul npn

Dispozitive integrate realizate in tehnologia bipolara

Tranzistoare pnp-structuri compatibile cu tehnologia de realizare a tranzistorului npn

Se numeste lateral deoarece cele trei regiuni (emitorul, baza si colectorul) sunt asezate una langa cealalta Fata de structura verticala: grosimea bazei mai mare, aria bazei mai greu de controlat, regiunile de baza si emitor au acelasi profil de impuritati Caracteristici mai slabe decat ale tranzistoarelor npn = 520, fT= 110 MHz Tranzistorul pnp vertical Utilizeaza substratul drept colector,stratul epi drept baza si difuzia p drept emitorAu performante mediocreRestrictie in utilizarea in circuit?Tranzistorul pnp lateral

Tranzistoare pnp-structuri compatibile cu tehnologia de realizare a tranzistorului npn

Se numeste lateral deoarece cele trei regiuni (emitorul, baza si colectorul) sunt asezate una langa cealalta Fata de structura verticala: grosimea bazei mai mare, aria bazei mai greu de controlat, regiunile de baza si emitor au acelasi profil de impuritati Caracteristici mai slabe dacat ale tranzistoarelor npn = 520, fT= 110 MHz Tranzistorul pnp vertical sau de substratUtilizeaza substratul drept colector,stratul epi drept baza si difuzia p drept emitorAu performante mediocreRestrictie in utilizarea in circuit-se pot folosi doar in configuratia CCTranzistorul pnp lateral

Valori tipice pentru parametrii tranzistoarelor bipolare integrate

Rezistoare integrate: -fie trasee epitaxiale, fie trasee difuzate( baza sau emitor) - liniare in raport cu tesiunea - R= R N unde N-numarul de patrate

Rezistoare de baza - folosesc difuzia de baza - sunt cele mai folosite (R =convenabil) - se adauga un contact pe stratul epi pentru a pre- intampina polarizarea directa a jonctiunii BC care se va conecta la V+ -valoarea R se poate mari prin ingustare. Se foloseste in acest scop difuzia de emitor rezistor de baza ingustat (pinch resistor)

Capacitoare integrateCele mai folositeSe formeaza intre difuzia n+, un strat foarte subtire de SiO2 si un strat subtire metalic Au performante buneImplica o etapa de mascare suplimentara necesara ferestrei pentru stratul subtire de SiO2, care reprezinta dielectricul capacitoruluiCapacitoare cu jonctiuniFolosesc capacitatea jonctiunilor BE sau BC, in polarizare inversaRegiunea saracita de purtatori formeaza dielectricul,iar regiunile n si p de o parte si de alta -armaturileLimitari: -necesita polarizarea inversa a jonctiunilor -grosimea stratului golit depinde de tensiunea inversa aplicatacapacitatea depinde neliniar de aceasta tensiune -tensiunea inversa care poate fi aplicata limitata de tensiunea de strapungere a jonctiunii Capacitoare MOS

Capacitoare integrate la 5 V polarizare inversa

Diode integrateSe bazeaza pe: - utilizarea jonctiunilor BE (iC=0) sau BC (iE=0) a tranzistoarelor npn sau pnp - utilizarea tranzistoarelor npn sau pnp in conexiune de dioda (vBC=0 sau vBE=0 )

Precizari:rb=100, rc=3, BVEB0|npn=6- 8V, BVCB0|npn=50V

Cea mai folosita conexiune vBC=0 deoarece ofera cea mai mica rezistenta serie si cea mai redusa cadere de tensiune in polarizare directa

Tranzistor npn in conexiune de dioda (vBC=0)Schema rezistentele rb si rc s-au desenat ca elemante exterioare tranzistorului desi de fapt sunt incluse in structura tranzistorului.

vD= vBE +iBrb= vBE +( iC/ ) rb vBE +( iF/ ) rb Rezistenta serie efectiva a diodei este rb/ , foarte mica, de numai cativa ohmivD vBE Inconvenient : tensiunea de strapungere e limitata la 6-8 V, BVD= BVEB0|npn=6-8V

3.4. Tehnologia circuitelor integrate CMOS3.4.1. Recapitulare structuri de tranzistoare MOS

Sectiune printr-un tranzistor MOS cu canal NDispozitiv cu 4 terminale: sursa S, drena D, poarta sau grila G, bulk-ul B

Comentarii tranzistor NMOS

Bulk-ul sau body trebuie sa aiba cel mai mic potential pentru a asigura polarizarea inversa a jonctiunilor pn (nu trebuie sa curga curent de la sursa sau drena spre bulk)

vGS>VTN, VTN >0 se induce un canal n (aria albastra) dintre drena si sursa. Se mai numeste strat inversat

Aria alba regiune saracita de purtatori(depletion layer)

Pentru vDS >0 intre drena si sursa curge un curent

Deoarece tranzistorul MOS este un dispozitiv simetric, este necesara definirea sursei si drenei. La un tranzistor NMOS potentialul sursei este intotdeauna mai mic decat al drenei.

Structura unui tranzistor MOS cu canal P

Sectiune printr-un tranzistor MOS cu canal P

Tranzistoare MOS de acelasi fel integrate

3.4.2. Considerente generale privind tehnologia CMOSDispozitivele care se pot realiza prin aceasta tehnologie sunt: 1.tranzistoare MOS cu canal N (NMOS) 2.tranzistoare MOS cu canal P(PMOS) 3.rezistoare 4.capacitoare 5.diode 6.tranzistoare bipolare npn 7.tranzistoare bipolare pnp

Dintre tehnologiile MOS, tehnologia CMOS ofera maximum de flexibilitate in proiectare, datorita faptului ca permite obtinerea dispozitivelor complementare NMOS si PMOS

Pentru realizarea tranzistoarelor NMOS si PMOS se folosesc puturi (wells) sau vane care reprezinta difuzii largi , cu nivel de dopare redus, de conductivitate opusa plachetei de siliciu. Aceste puturi se folosesc drept substrat pentru unul din cele doua tipuri de tranzistoare MOS

Exemplu de sectiune printr-un chip realizat in tehnologie CMOSSubstratul de tip n de mare rezistivitate este folosit pentru realizarea tranzistoarelor PMOSPuturile difuzate de tip p se folosesc pentru realizarea tranzistoarelor NMOS

Considerente generale privind tehnologia CMOS-continuare-Procesul tehnologic este astfel condus incat optimizeaza performantele tranzistoarelor MOS (N sau P) pe seama performantelor mai slabe ale tranzistoarelor bipolareDiodele si tranzistoarele bipolare sunt deseori considerate elemente de circuit parazite. Se pot identifica in figura o serie diode si de tranzistoare pnp si npn. Exista un numar limitat de aplicatii in care aceste diode si tranzistoare pot fi utilizate de proiectant.De obicei capacitoarele se obtin dintr-un strat subtire de SiO2 cuprins intre doua straturi de polisiliciu. Nu depind de temperatura.Rezistoarele se obtin din trasee de polisillciu de geometrie adecvata. Se mai pot obtine prin difuzia sau implantarea unui strat la suprafata substratului

Exemple de rezistoare realizate in tehnologie MOS

T H A N K Y O U !