Introdução às Microtecnologias no Sílicio

3. MICROELECTRÓ ICA O SIL�CIO 3.1. A MICROELECTRÓ ICA A indústria dos semicondutores apresenta um elevado crescimento nos últimos quarenta anos. O fabrico de um microchip com algumas funçþes lógicas remonta ao início dos anos sessenta. Pensar na integração de mais de um transístor no mesmo corpo semicondutor era considerado um feito, sendo inconcebível a ideia do fabrico de circuito integrados (CI) ou microchips. Contudo, isto não foi impedimento para aos avanços tecnológicos observados nos últimos anos, os quais actualmente permitem que se possam fabricar microchips complexos com milhþes de transístores.

3.2. A TEC OLOGIA BIPOLAR, CMOS E BICMOS A tecnologia bipolar foi a que surgiu em primeiro lugar e a que dominou durante anos o fabrico de microchips. AtÊ início dos anos oitenta, a tecnologia bipolar impôs-se sobre a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor) devido a limitaçþes de fabrico.

Contrariamente à tecnologia bipolar que sofre difusão em profundidade no substrato de silício e por isso tem um menor perigo de contaminação, a tecnologia CMOS Ê apelidada de bidimensional pois as difusþes são superficiais ou pouco profundas no substrato de silício e baseia-se na deposição de camadas finas sobre o wafer. Nos anos 70 as salas limpas não isolavam totalmente o ambiente da entrada de impurezas (pequenas poeiras) e por isso bastava uma pequena poeira na superfície do wafer para inviabilizar o processo de tecnologia em CMOS. Afim de poder perceber-se com clareza a filosofia por detrås da tecnologia bipolar, as três primeiras imagens da Figura 3.1 ilustram projecçþes em corte utilizadas no fabrico de um transístor NPN. Na projecção (a) pode observar-se o wafer de silício do tipo p com 525 ¾m de espessura; na projecção (b) pode observar-se uma camada de dióxido de silício (SiO2) formado na superfície do wafer, e na projecção (c) observa-se a estrutura final do transístor NPN. A projecção (d) mostra um transístor p-MOSFET e um transístor n-MOSFET e apresenta as camadas de filmes finos depositadas acima da superfície do wafer. O facto notåvel a reter Ê o de todo o processo no fabrico bipolar ser executado abaixo da superfície do wafer. A camada mais profunda que sofre difusão Ê a n-well (com uma profundidade típica de 20 ¾m) que, quando comparada com o observado na tecnologia bipolar, não passa de uma pequena fracção.

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(a)

(b)

Linha de superfície

(c)

(d) Figura 3.1 - Projecção em corte ilustrando (a) um wafer p-sílicio, (b) a deposição de uma camada de dióxido de silício (SiO2) na superfície do wafer, (c) a estrutura final de um transístor bipolar NPN em tecnologia bipolar, (d) vista em corte da estrutura final de um transístor p-MOSFET e de um transístor n-MOSFET em tecnologia CMOS.

Apesar da predominância actual da tecnologia CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor), a bipolar continua a ter aplicações em circuitos analógicos e de microondas. Comparativamente com a tecnologia CMOS, a bipolar apresenta maior velocidade de comutação e maior controlo de corrente por unidade de área, logo maior ganho. Além de apresentar menores níveis de ruído, também opera com maiores larguras de banda. Possuem uma melhor capacidade analógica, podendo alimentar cargas muito capacitivas sem que com isso existam problemas de maior, nomeadamente verifica-se que o atraso é pouco sensível à carga. O facto da tecnologia bipolar possuir uma maior

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Microelectrónica no Silício

velocidade de entrada/saída (I/O - input/output) é particularmente favorável devido ao aumento da importância do limite do encapsulamento em sistemas de alta velocidade.

Contudo, e apesar das vantagens face ao CMOS, não é de desprezar o facto de a tecnologia bipolar apresentar elevada dissipação de potência. A apresentação de menor impedância de entrada implica a necessidade de se utilizarem correntes de comando mais elevadas. Apesar da elevada rapidez de comutação conseguida, normalmente o swing lógico (variação em amplitude entre estados lógicos) é baixo. Em termos de encapsulamento, as baixas densidades conseguidas com a tecnologia bipolar inviabilizam o projecto em VLSI (Very Large Scale Integration, ou integração em muito larga escala).

Outras características adicionais que tornam a tecnologia bipolar interessante são a transcondutância elevada e o produto ganho × largura de banda (ganho × fT [Hz])1 elevado a baixas correntes.

Contrariamente ao transístor MOS (Metal Oxide Semiconductor), um transístor bipolar é essencialmente unidireccional e todo o projecto deve ter esse aspecto em conta.

Comparativamente com a tecnologia bipolar, a CMOS tem como vantagens apresentar menores consumos de potência estática, a par de maiores margens de ruído, ao mesmo tempo que permite maiores densidades de integração com menores custos por dispositivo.

Além das elevadas impedâncias de entrada que decorrem de possuir baixas correntes de controlo analógico é possível ajustar a tensão de limiar de condução. Um transístor MOS, ao permitir a permutação do terminal do drain com o da source, faz com que este seja bidireccional. Este facto, aliado ao corte e condução plena quase perfeitos, faz com que os transístores MOS sejam quase interruptores ideais.

Como pontos fracos refira-se a limitação de fan-out que se traduz em atrasos com elevada sensibilidade à carga. As baixas correntes de saída tornam a tecnologia CMOS particularmente problemática à utilização de cargas capacitivas. Um outro problema grave associado à tecnologia CMOS prende-se com o facto de a transcondutância depender fortemente da tensão de alimentação e o que é pior, da tensão de entrada em andares amplificadores.

A indústria dos semicondutores desenvolveu a tecnologia BiCMOS tirando partido das vantagens da tecnologia bipolar e da tecnologia CMOS. A tecnologia BiCMOS tira partido do ganho dos transístores bipolares e do baixo consumo da tecnologia CMOS. Em rigor, o BiCMOS não é uma nova tecnologia, mas sim a combinação e fabricação optimizada aplicada simultaneamente aos processos bipolar e CMOS. A maior complexidade de processamento intermédio significa que o BiCMOS resulta num processo de fabrico muito mais dispendioso economicamente quando comparado com as tecnologias bipolar e CMOS. Em suma, o BiCMOS permite um melhor controlo das correntes de base nos transístores bipolares ao mesmo tempo que permite optimizar, senão mesmo anular, as correntes e tensões de offset.

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Numa configuração amplificadora de colector (ou drain) comum, fT [Hz], é a frequência para a qual o ganho se torna unitário - ou 0 dB numa escala logarítmica. © LIDEL − Edições Técnicas

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3.3. TEC OLOGIA CMOS Actualmente, a tecnologia CMOS Ê dominante na indústria de semicondutores para fabricação de microchips no silício. Este facto Ê patente sobretudo quando se olha para as aplicaçþes digitais, onde o poder de integração Ê cada vez maior.

3.3.1. I TRODUĂ‡ĂƒO Ă€S TÉC ICAS BĂ SICAS USADAS EM TEC OLOGIA CMOS Como introdução ao estudo da tecnologia CMOS sĂŁo apresentadas algumas tĂŠcnicas bĂĄsicas de litografia com mĂĄscaras. Na Figura 3.2 ĂŠ apresentada uma sequĂŞncia litogrĂĄfica tĂ­pica, onde a regiĂŁo dopada ĂŠ realizada no substrato de silĂ­cio. O ponto de partida ĂŠ mostrado na Figura 3.2(a), onde apenas ĂŠ acrescentada uma camada de Ăłxido na superfĂ­cie do silĂ­cio. Depois, o photoresist ĂŠ espalhado homogeneamente por todo o wafer num disco giratĂłrio (spin coating), segue-se uma cozedura de alguns minutos do wafer no forno de forma a produzir uma superfĂ­cie dura, como se vĂŞ na Figura 3.2(b). O photoresist ĂŠ um polĂ­mero orgânico sensĂ­vel Ă luz, com propriedades similares a um qualquer filme fotogrĂĄfico. A imagem na mĂĄscara ĂŠ projectada opticamente na superfĂ­cie do photoresist durante a exposição aos raios ultravioletas, como mostra a Figura 3.2(c). Em seguida, com um composto quĂ­mico apropriado remove-se a ĂĄrea da camada de photoresist que nĂŁo foi exposta Ă luz (neste caso usou-se photoresist negativo e os raios ultravioletas compactaram o polĂ­mero), como se pode ver na Figura 3.2(d). No caso do uso de photoresist positivo os raios ultravioletas corroĂ­am o polĂ­mero.

O desenho da camada photoresist ĂŠ usado como mĂĄscara para fazer o etching da camada de material. No exemplo, a camada de diĂłxido de silĂ­cio ĂŠ removida usando um processo a seco RIE (reactive-ion etching). Finalmente a camada de photoresist ĂŠ retirada. Isto pode ver-se no desenho da Figura 3.2(e).

O modelo do diĂłxido de silĂ­cio ĂŠ agora usado como mĂĄscara para fazer a dopagem das zonas que ficaram tipo n. Na Figura 3.2(f), a superfĂ­cie do wafer ĂŠ exposta na mĂĄquina de difusĂŁo (dopagem do silĂ­cio). As ĂĄreas do silĂ­cio expostas sĂŁo dopadas. O resultado desta dopagem pode ser visto na Figura 3.2(g).

3.3.2. O PROCESSO -WELL CMOS 2.0 ¾M Como exemplo de estudo foi escolhido um processo CMOS 2.0 ¾m n-well, com uma camada de polissilício e duas camadas de metal. Nesta tecnologia podem ser construídos circuitos analógicos, digitais e híbridos. Os parâmetros dos transístores estão ilustrados na Tabela 3.1.

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Microelectrónica no Silício

(a) Substrato inicial

(b) Camada photoresist

(c) Exposição

(d) RIE

(e) Etching

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7. APLICAÇÕES 7.1. I TRODUĂ‡ĂƒO As microtecnologias no silĂ­cio evoluĂ­ram imenso nas Ăşltimas duas dĂŠcadas. A miniaturização dos circuitos electrĂłnicos e a disponibilidade crescente de tecnologias de produção a preços competitivos contribuĂ­ram para o seu sucesso. Estes desenvolvimentos potenciaram a difusĂŁo de aplicaçþes bastante interessantes e integrando microelectrĂłnica, sensores e outros dispositivos. Estes microssistemas aplicam-se em ĂĄreas tĂŁo diversas que vĂŁo desde o controlo industrial, passando pela domĂłtica, pela indĂşstria automĂłvel, pela aeronĂĄutica, pela indĂşstria aeroespacial atĂŠ Ă s aplicaçþes biomĂŠdicas com elevado impacto sĂłcio-econĂłmico.

7.2. CIRCUITOS DE Rà DIO-FREQUÊ CIA EM TEC OLOGIA CMOS PARA OS 5.7 GHZ As bandas de frequência ISM (Industrial, Scientific and Medical) são as mais adequadas para utilização em microssistemas de rådio-frequência (RF) pois não estão ocupadas nem sujeitas a normalização. Estas frequências podem ser usadas livremente, desde que os limites de radiação emitidos estejam abaixo do legislado. Esta flexibilidade de utilização facilitou a selecção dos 5.7 GHz como frequência de operação por causa da possibilidade de construir microantenas de dimensþes que as permitam ser integradas juntamente com a electrónica e com isso reduzir as dimensþes dos microssistemas. Nestes microssistemas integrados, os problemas de adaptação de impedâncias são menores, alÊm disso, a integração simultânea da antena e da electrónica no mesmo die de silício, sistematiza o processo de fabrico, reduzindo os custos finais. As Figuras 7.1 e 7.2 ilustram o diagrama de blocos interno e uma fotografia de um RF CMOS transceiver a 5.7 GHz.

7.3. A TE AS DO TAMA HO DE UM MICROCHIP A solução para obter um microssistema de RF totalmente integrado passa pelo desenvolvimento de uma microantena de dimensþes reduzidas (menores que 10×10 mm2), para integração no microssistema com o resto da microelectrónica. As restriçþes de espaço disponível, condicionadas pelas dimensþes dos circuitos integrados, impuseram a

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RF switch

Antena

necessidade de desenvolver uma microantena com uma geometria e dimensões adequadas à integração em conjunto com circuitos integrados para RF. A Figura 7.3 apresenta dois protótipos de microantenas planares com a antena da Figura 7.3(a) usando um substrato em vidro, esta microantena ocupa uma área de 12×12 mm2. A microantena apresentada na Figura 7.3(b) ocupa uma área de 7.7×7.7 mm2 (para um substrato de silício de alta resistividade, HRS - High Resistivity Silicon).

Figura 7.1 - Arquitectura interna do RF CMOS transceiver a 5.7 GHz.

Figura 7.2 - Fotografia de um RF CMOS transceiver para operação nos 5.7 GHz. Fabricado por J. P. Carmo e P. M. Mendes.

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Aplicações

(a)

(b) Figura 7.3 - Microantena planar: (a) sobre vidro (b) sobre silício de alta resistividade (HRS). Fabricado por P. M. Mendes.

A utilização do conceito de microantena dobrada (multicamada) permite que esta se torne suficientemente pequena para ser integrável num circuito integrado (CI). Além disso, preenchendo a necessidade de reduzir significativamente as dimensões eléctricas de uma antena planar com as características necessárias para integração num CI, tal microantena apresenta também a possibilidade de ser facilmente sintonizável. Isto torna possível a obtenção de microantenas que ocupem áreas de apenas 2×2 mm2 ou 4×4 mm2 consoante o material utilizado como substrato seja o silício de alta resistividade ou o vidro, respectivamente. A Figura 7.4 é um protótipo fabricado em vidro.

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Figura 7.4 - Microantena do tipo microtira enrolada sobre vidro e respectivo modelo simulado para estudar o seu funcionamento. Fabricado por P. M. Mendes.

7.4. MICROESPECTRÓMETROS PARA A LUZ VIS�VEL (SI TO IZà VEL E EM ETALO!) As microestruturas móveis são interessantes para utilização em aplicaçþes ópticas onde pequenos deslocamentos mecânicos são suficientes para interromper e/ou desviar um feixe luminoso sem as submeter a forças elevadas. Estas microestruturas móveis são de construção simples, dimensþes mínimas, leves, råpidas (possuindo frequências de ressonância muito elevadas), robustas e de custo económico baixo quando produzidas em massa.

AlÊm disso, a possibilidade da integração no mesmo microdispositivo, dos sistemas microoptomecânicos com os circuitos electrónicos de interface e/ou de condicionamento de sinal abre boas perspectivas para o fabrico de microespectrómetros para a luz visível em silício de boa qualidade e resolução óptica. Equipamento para anålise espectral de luz tem aplicação tanto na indústria como em laboratórios de anålises e de investigação.

Microssistemas ópticos como os microespectrómetros integrados com electrónica prometem novas aplicaçþes.

Tirando partido das vantagens atrĂĄs enunciadas, fabricaram-se dois tipos de microespectrĂłmetros, um sintonizĂĄvel (por varrimento Ăłptico) e outro baseado numa matriz de etalons (cavidade Ăłptica sĂłlida) sobre a matriz de fotodĂ­odos fabricados em tecnologia CMOS (que servem de fotodetectores). Ambos os microespectrĂłmetros

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Aplicações

utilizam filtros ópticos baseados em interferómetros Fabry-Perot. Os dois microespectrómetros foram fabricados usando os processos convencionais para fabrico de circuitos integrados e técnicas de micromaquinagem para o espectrómetro sintonizável. O espectrómetro de matriz depois do fabrico standard da microelectrónica em tecnologia CMOS precisa de um módulo para fabrico da cavidade óptica Fabry-Perot (neste caso a cavidade é um filme fino de SiO2). Foram usados espelhos metálicos, pois exibem alta reflectividade na parte visível do espectro electromagnético. Em termos de fabrico, a deposição de uma única camada metálica para espelho é preferível à deposição de uma multicamada de materiais dieléctricos. Espelhos de prata com superfícies anti-rugosas e planares foram realizados.

Para melhor compreensão do princípio de funcionamento dos microespectrómetros, introduz-se o conceito de interferómetro Fabry-Perot. De acordo com a Figura 5.5(a), um microinterferómetro Fabry-Perot consiste numa estrutura composta por dois espelhos, cujo espaço que os separa pode ser preenchido por ar ou por um sólido, por exemplo. filme-fino. Esta estrutura vai fazer com que haja interferência entre a luz transmitida para a cavidade e a luz reflectida internamente. O resultado final é a luz transmitida através dos espelhos possuir comprimento de onda, λt [m]. O comprimento de onda onde ocorre o pico de transmissão é dado por qλt=2nd, onde n é o índice de refracção do meio, d [m] é a distância que separa os espelhos e q é um número inteiro positivo e designa a ordem de interferência. Refira-se que para o espectro visível (380-780 nm) os microinterferómetros são projectados para q=1. Para o caso particular apresentado na Figura 7.5(a), os espelhos estão fixos e por isso as propriedades ópticas de transmissão também são fixas. Todavia, é possível fabricarem-se estruturas sintonizáveis desde que um dos espelhos seja móvel.

Para além da introdução de um grau de liberdade ao sistema de sintonização deve-se garantir que os espelhos são altamente reflectores e perfeitamente paralelos entre si. Além disso, os espelhos devem ser muito planos e mecanicamente estáveis.

A Figura 7.5(b) ilustra o comprimento de onda de transmissão, λt [m], em função do espaçamento dos dois espelhos. A zona a sombreado representa a parte visível do espectro para os comprimentos de onda transmitidos. Desta Figura, fica claro que para o primeiro modo (q=1) e a gama visível, o espaçamento, d [m], entre os espelhos deve situar-se entre os 190 nm e aos 390 nm. Note-se que para o espectro visível, o espaçamento dos espelhos é compatível com o que as técnicas de micromaquinagem podem oferecer.

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