El proceso de fabricación del transistor CMOS

Hubo una época en la que los ordenadores tenían un tamaño tan descomunal que para instalarlos se necesitaba fácilmente el espacio de una habitación. Pero hoy en día están tan evolucionados que incluso podemos llevarlos como ordenadores portátiles con facilidad. La innovación que hizo esto posible fue el concepto de Circuitos Integrados. En Circuitos integradosun gran número de circuitos activos y elementos pasivos junto con sus interconexiones, se desarrollan sobre una pequeña oblea de silicio, normalmente de 50 por 50 milímetros de sección transversal. Los procesos básicos que se siguen para la producción de estos circuitos incluyen el crecimiento epitaxial, la difusión de impurezas enmascaradas, el crecimiento de óxido y el grabado de óxido, utilizando la fotolitografía para hacer el patrón.

Los componentes sobre la oblea incluyen resistencias, transistores, diodos, condensadores, etc. El elemento más complicado de fabricar sobre los CI son los transistores Los transistores son de varios tipos como CMOS, BJT, FET. Elegimos el tipo de tecnología de transistores que se va a implementar en un CI en función de los requisitos. En este artículo vamos a familiarizarnos con el concepto de Fabricación de CMOS (o) fabricación de transistores como CMOS.

Fabricación de CMOS

Para una menor necesidad de disipación de energía Tecnología CMOS se utiliza para implementar los transistores. Si necesitamos un circuito más rápido, los transistores se implementan sobre IC utilizando BJT. Fabricación de Transistores CMOS como CI se puede hacer en tres métodos diferentes.

La tecnología N-well / P-well, en la que la difusión de tipo n se realiza sobre un sustrato de tipo p o la difusión de tipo p se realiza sobre un sustrato de tipo n, respectivamente.

El Tecnología de pozos gemelos, donde Transistor NMOS y PMOS se desarrollan sobre la oblea por difusión simultánea sobre una base de crecimiento epitaxial, en lugar de un sustrato.

El proceso de silicio sobre aislante, en el que en lugar de utilizar el silicio como sustrato se utiliza un material aislante para mejorar la velocidad y la susceptibilidad al latch-up.

Tecnología de pozos N y P

El CMOS se puede obtener integrando ambos Transistores NMOS y PMOS sobre la misma oblea de silicio. En la tecnología de pozos N, un pozo de tipo n se difunde sobre un sustrato de tipo p, mientras que en los pozos P es viceversa.

Pasos de la fabricación del CMOS

El Proceso de fabricación del CMOS flujo se lleva a cabo mediante veinte pasos básicos de fabricación mientras se fabrica con la tecnología de pozos N/pozos P.

Fabricación de CMOS mediante pozos N

Paso 1: Primero elegimos un sustrato como base para la fabricación. Para el pozo N, se selecciona un sustrato de silicio tipo P.

Paso 2 - Oxidación: La difusión selectiva de las impurezas de tipo n se realiza utilizando SiO2 como barrera que protege partes de la oblea contra la contaminación del sustrato. SiO₂ se realiza mediante un proceso de oxidación que consiste en exponer el sustrato a oxígeno e hidrógeno de alta calidad en una cámara de oxidación a aproximadamente 1000⁰c

Paso 3 - Crecimiento de la fotorresistencia: En esta etapa, para permitir el grabado selectivo, la capa de SiO2 se somete al proceso de fotolitografía. En este proceso, la oblea se recubre con una película uniforme de una emulsión fotosensible.

Paso 4 - Enmascaramiento: Este paso es la continuación del proceso fotolitográfico. En este paso, se realiza un patrón de apertura deseado utilizando una plantilla. Esta plantilla se utiliza como máscara sobre la fotorresistencia. El sustrato se expone ahora a Los rayos UV la fotorresistencia presente bajo las regiones expuestas de la máscara se polimeriza.

Paso 5 - Eliminación de la fotorresistencia no expuesta: Se retira la máscara y se disuelve la región no expuesta de fotorresistencia mediante el revelado de la oblea con un producto químico como el tricloroetileno.

Paso 6 - Grabado: La oblea se sumerge en una solución de grabado de ácido fluorhídrico, que elimina el óxido de las zonas por las que se van a difundir los dopantes.

Paso 7 - Eliminación de toda la capa fotorresistente: Durante el proceso de grabado, las partes de SiO2 que están protegidas por la capa fotorresistente no se ven afectadas. La máscara fotorresistente se retira ahora con un disolvente químico (H2SO4 caliente).

Paso 8 - Formación del pozo N: Las impurezas de tipo n se difunden en el sustrato de tipo p a través de la región expuesta, formando así un pozo N.

Paso 9 - Eliminación del SiO2: Ahora se elimina la capa de SiO2 con ácido fluorhídrico.

Paso 10 - Deposición de polisilicio: La desalineación de la puerta de un Transistor CMOS provocaría una capacitancia no deseada que podría dañar el circuito. Por eso, para evitarlo, se prefiere el "proceso de puerta autoalineada", en el que las regiones de puerta se forman antes de la formación de la fuente y el drenaje mediante la implantación de iones.

El polisilicio se utiliza para la formación de la compuerta porque puede soportar la alta temperatura superior a 8000⁰c cuando una oblea se somete a métodos de recocido para la formación de la fuente y el drenaje. El polisilicio se deposita utilizando Proceso de deposición química sobre una fina capa de óxido de puerta. Este fino óxido de puerta bajo la capa de Polisilicio impide el posterior dopaje bajo la región de puerta.

Paso 11 - Formación de la región de puerta: Excepto las dos regiones necesarias para la formación de la puerta para Transistores NMOS y PMOS la parte restante de polisilicio se desprende.

Paso 12 - Proceso de oxidación: Se deposita una capa de oxidación sobre la oblea que actúa como un escudo para la posterior procesos de difusión y metalización.

Paso 13 - Enmascaramiento y difusión: Para hacer las regiones para la difusión de las impurezas de tipo n mediante el proceso de enmascaramiento se hacen pequeños huecos.

Mediante el proceso de difusión se desarrollan tres regiones n+ para la formación de terminales de NMOS.

Paso 14 - Eliminación del óxido: Se elimina la capa de óxido.

Paso 15 - Difusión de tipo P: De forma similar a la difusión de tipo n para formar los terminales del PMOS se realiza la difusión de tipo p.

Paso 16 - Colocación del óxido de campo grueso: Antes de formar los terminales metálicos, se coloca un óxido de campo grueso para formar una capa protectora para las regiones de la oblea donde no se necesitan terminales.

Paso 17 - Metalización: Este paso se utiliza para la formación de terminales metálicos que pueden proporcionar interconexiones. El aluminio se extiende por toda la oblea.

Paso 18 - Eliminación del exceso de metal: Se retira el exceso de metal de la oblea.

Paso 19 - Formación de los terminales: En los huecos formados tras la eliminación del exceso de metal se forman los terminales para las interconexiones.

Paso 20 - Asignación de los nombres de los terminales: Los nombres se asignan a los terminales de Transistores NMOS y PMOS.

Fabricación de CMOS con tecnología de pozos P

El proceso de pozos P es similar al proceso de pozos N, salvo que aquí se utiliza un sustrato de tipo n y se realizan difusiones de tipo p. Por simplicidad, se suele preferir el proceso de pozos N.

Fabricación de tubos gemelos de CMOS

Mediante el proceso de tubo doble se puede controlar la ganancia de los dispositivos de tipo P y N. Hay varios pasos que intervienen en el fabricación del CMOS con el método de los tubos gemelos son las siguientes

• • Se toma un sustrato ligeramente dopado de tipo n o p y se utiliza la capa epitaxial. La capa epitaxial protege el problema de latch-up en el chip.

• • Se cultivan las capas de silicio de alta pureza con el grosor medido y la concentración exacta de dopante.

• • Formación de tubos para el pozo de P y N.

• • Construcción de óxido fino para proteger de la contaminación durante los procesos de difusión.

• • La fuente y el drenaje se forman mediante métodos de implantación de iones.

• • Se realizan cortes para hacer porciones de contactos metálicos.
  • Se realiza la metalización para dibujar los contactos metálicos

Diseño de CI CMOS

La vista superior de un CMOS fabricación y diseño se ofrece. Aquí se pueden ver claramente varios contactos metálicos y difusiones de pozos de N.

Por lo tanto, se trata de Técnicas de fabricación de CMOS. Consideremos una oblea de 1 pulgada cuadrada dividida en 400 chips de superficie de 50 mil por 50 mil. Se necesita una superficie de 50 mil2 para fabricar un transistor. Por tanto, cada CI contiene 2 transistores, por lo que hay 2 x 400 = 800 transistores fabricados en cada oblea. Si se procesan 10 obleas en cada lote, se pueden fabricar 8000 transistores simultáneamente. ¿Cuáles son los distintos componentes que has observado en un CI?