Fabricacion de CI MOS

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Para la fabricación de un Circuito Integrado MOS ( con elementos de canal N de enriquecimiento ) se utiliza un sustrato de Silicio de tipo N.

La figura indica la secuencia de operaciones. El proceso completo se describe:

1.- Oxidación completa de la superficie del sustrato mediante una capa de 120 milimicras de espesor.

2.- Primera operación de fotograbado para crear las zonas del surtidor y del drenador.

3.- Realización del surtidor y del drenador por difusión de elementos impurificantes de tipo P.

4.- Nueva oxidación de la superficie obtenida. Creación de una capa de óxido de 1,4 micras de espesor.

5.- Nueva operación de fotograbado para crear el graduador y las tomas del surtidor y del ordenador. Eliminación de la capa de óxido hasta formar el dieléctrico del graduador 0.1 o 0.2 micras de espesor.

6.- Ultima operación de fotograbado para liberar las zonas que deben analizarse.

El proceso descrito se puso a punto en 1965 por General Instrument para comercializar productos con la sigla MTOS (Metal Thick Oxide Silicon ", es decir, metal, óxido espeso, silicio ).

La comparación del proceso con el seguido en la fabricación de circuitos bipolares permite establecer que:

1. No es preciso crear recintos aislantes que ocupan aproximadamente el 30% de la superficie del sustrato en tecnología bipolar.
2. No se precisa la creación de depósito epitaxiales.
3. No se precisa más que de una sola operación de difusión ( en tecnología bipolar se precisan por lo menos 4 ).

La fabricación de dos MOS dispuestos contiguamente sobre un mismo sustrato puede originar la aparición de un MOS parasito entre ambos.

En efecto, el drenador 1 y el surtidor 2 se solapan con una capa de óxido muy gruesa. Sin embargo, para una tensión especificada, de las metalizaciones que la cubren, puede convertirse en un graduador parásito (tensión del orden de 20 – 30 volt).

En estas condiciones se origina un canal parásito y en consecuencia un MOS indeseado.

Se ha encontrado que para realizar un CI/MOS bastan 38 operaciones, de las cuales 2 se efectúan a elevada temperatura, mientras que un circuito bipolar análogo precisa 130 operaciones de las que 10 se efectúan a elevada temperatura. Las operaciones a altas temperaturas tienden a degradar las características de un CI.

La ganancia de un MOS depende esencialmente de su geometría y no de sus características de difusión. En técnicas bipolares la ganancia se determina por el nivel de dos dopados, y por tanto, depende de la difusión.

EL MOS TETRODO

La realización de un MOS con dos electrodos de mando, el elemento recibe el nombre de MOS con doble graduador o tetrodo ( por sus cuatro electrodos: surtidor, drenador, graduador 1 y graduador 2).

El MOS tetrodo se utiliza frecuentemente en conexión cascodo ( por equivalencia con el circuito cascodo. En estas condiciones, por disminuir la capacidad de reacción se alcanzan frecuencias de trabajo muy elevadas.

FABRICACION DE LOS MOS IMPLANTADOS

Las imperfecciones técnicas del apantallado y de la difusión limitan la frecuencia de trabajo de los MOS tradicionales, ya que es imposible limitar el recubrimiento del surtidor y del drenador por el graduador. El MOS implantado no presenta tales inconvenientes y por lo tanto las capacidades inter- electródicas disminuyen considerablemente, lo que permite reducir el tiempo de conmutación por lo menos la mitad.

Por otro lado, la tensión de umbral de MOS está determinado especialmente por el espesor y la constante dieléctrica del aislante de graduador y por la densidad de carga por unidad de superficie en la zona empobrecida. El umbral puede pues reducirse a valores compatibles con los de los sistemas TTL (1 o 2 Volt ).

Las técnicas de implantación permiten realizar, sobre un mismo sustrato, MOS de enriquecimiento y MOS de empobrecimiento. Esta combinación determina la obtención de puertas para las que el producto potencia conmutada – rapidez de respuesta resulta duplicado respecto a las realizaciones difusas.

En la actualidad, las realizaciones más características en técnicas de haces iónicos son los circuitos LSI. Entre ellos pueden citarse algunos circuitos de Hughes o de la firma Mostek – Sprague y los estudios efectuados en Francia por LETI de Grenoble, los Laboratorios de investigación Sescosem, Thompson CSF y LEP.

Gracias al bordado iónico puede ser implantado el canal y zonas del surtidor y del drenador (Figura ). En ambos casos los electrodos están autoalineados.

Así (Figura 3.26) la firma Sprague – Mostek implanta un canal a través de una capa delgada de óxido (la capa espesa detiene los iones de bombardeo), mientras que LETI o Philips sugieren una implantación de surtidor y drenador.

En todo caso se emplea una tecnología mixta en la actualidad, utilizándose a la vez la difusión y la implantación iónica.

Para LETI , las primeras etapas son de la realización de un MOS según la tecnología habitual: difusión, en un sustrato N de dos zonas P, fotograbación y oxidación de graduador, fotograbación de los contactos y metalización.

Sin embargo, la metalización de aluminio sobre el graduador no recubre íntegramente el espacio entre el surtidor y el drenador (3.27). Si ahora se efectúa una implantación en boro a 30 KeV, la región situada bajo el contacto metálico estará protegida y penetrando a través de la capa estrecha de óxido, los iones de boro dopan el sustrato a ras del graduador y de las zonas difundidas de surtidor y drenador.

En consecuencia, la implantación iónica se utiliza aquí como operación complementaria para mejorar las características, pero no modifica sustancialmente la tecnología clásica de fabricación.

Para efectuar la implantaciones se utiliza un acelerador de particulas que posee una fuente a alta frecuencia en la que se ioniza tricloruro de boro. Tras una separación magnética, los iones boro se someten a tensiones electrostáticas perpendiculares de barrido. Lo que permite obtener una zona implantada homogénea en las pastillas de silicio, la cual permanece a temperatura ambiente.

El método Philips resulta casi igual al anterior (figura). En este caso los iones son tambien detenidos por el aluminio del graduador. Según que se desee fabricar un MOS de canal P o de canal N, se utiliza iones boro o iones fósforo. El canal puede reducirse a una longitud de 3 micras, lo que ha permitido fabricar MOS oscilantes a 800 gigahertz.

LA FABRICACION DE UN CI/MOS

Para la fabricación de un CI/MOS de nitruro se realiza un "Sándwich" de nitruro y dióxido de silicio tal como se indica en la figura.

En efecto, él nitruro depositado directamente sobre la lamina ( wafer ) introduce cargas eléctricas no deseadas en las proximidades de la interface.

Este dispositivo presenta además una resistencia de canal reducida en relación con el MOS clásico y, por lo tanto, las constantes de tiempo se reducen y las frecuencias de trabajo aumentan.

Los primeros CI de nitruro de silicio fueron comercializados en 1969 por General Instrument con el nombre de MTNS ( "Metal - Thick – Oxide – Nitride – Silicon "), y posteriormente por GIANT ( "General Instrument Advanced Nitride Technologie " ).

GRADUADOR DEL SILICIO

La tensión de umbral no está únicamente determinada por el espesor del dieléctrico empleado. Otro factor a considerar es la naturaleza del graduador.

En efecto, el potencial de contacto o diferencia entre el trabajo de extracción de un electrón del graduador y del sustrato toma un valor f que influye sobre la tensión de umbral Vth.

FABRICACION DE UN MOS CON GRADUADOR DEL SILICIO

La figura muestra el método de fabricación de un MOS con graduador de silicio según la técnica desarrollada por Fairchild en 1967.

Se parte de un sustrato semiconductor de tipo N sobre el que se deposita una capa gruesa de óxido. Una primera operación de fotograbado abre tantas ventanas como transistores a producir y produce una capa de óxido delgada en esta zona.

A continuación se procede a recubrir toda la superficie de la lamina con una capa de silicio policristalino.

Una nueva operación de fotograbado delimita las zonas del surtidor y del drenador y eventualmente, un primer plano de interconexiones. La capa estrecha de óxido y el silicio policristalino se eliminan excepto en el lugar del graduador, así se delimita con claridad la región de difusión del boro que puede ser efectuada sin más.

Se obtiene una diferencia importante en relación con el proceso clásico; la figura muestra la superposición del graduador de aluminio sobre el drenador y el surtidor desaparece con la presente tecnología. Por ello las capacidades parásitas se reducen notablemente.

La difusión de boro, que se efectúa rápidamente en el silicio sin apenas modificar la capa de óxido, sirve para crear el surtidor y el drenador y también para dopar fuertemente el graduador a fin de que aquellas tenga una resistividad del orden de 1 W .cm. Esta es la única operación de difusión del proceso.

Se procede a una nueva oxidación y a la tercera apertura de ventanas para preparar las tomas del drenador y del surtidor.

Se deposita una capa de aluminio sobre toda la superficie de la lámina y la cuata y última operación de fotograbado sirve para dejar sólo el aluminio en las zonas precisas para crear el segundo plano de interconexiones.

Adriana Gabriela Trujillo

C.I.17863740

EES

SECC. 02