4.2.1 Fabricación de un inversor CMOS
Al ser éste un texto introductorio, presentaremos un proceso de fabricación de circuitos CMOS simplificado. Puesto que las máscaras utilizadas en este proceso son básicamente las mismas que en procesos CMOS más sofisticados o realistas, la comprensión del proceso aquí presentado es suficiente desde el punto de vista del diseñador de circuitos integrados. Como ejemplo de referencia tomaremos el caso de la fabricación de un inversor, aunque, como veremos, las conclusiones que se obtendrán son perfectamente generalizables a cualquier circuito CMOS.
El primer inconveniente a
remarcar para fabricar transistores PMOS y NMOS de forma conjunta
reside en que los transistores NMOS necesitan de un sustrato de tipo P
mientras que los transistores PMOS lo necesitan de tipo N. Luego si por
ejemplo el sustrato es de tipo P la primera operación en un
proceso CMOS es crear una zona suficientemente grande de tipo N
(denominada pozo) donde alojar los transistores PMOS. La
solución simétrica también es posible:
comenzar con un sustrato tipo N y crear un pozo de zona de tipo P donde
alojar los transistores NMOS. En el primer caso diremos que utilizamos
tecnología CMOS de pozo N y en el segundo diremos que
utilizamos tecnología CMOS de pozo P.
Figura 4.7 Tecnologías CMOS de pozo N (a) y de pozo P
(b)
Al ser la movilidad de los portadores una función decreciente con el dopado resulta que utilizar pozo N o pozo P tiene consecuencias sobre el comportamiento eléctrico de los transistores fabricados. Como el pozo tiene un dopado mayor que el sustrato la movilidad de los portadores queda más degradada en el canal de un transistor situado dentro del pozo que en el que no lo está. Así en el caso de pozo N los transistores PMOS están dentro del pozo, luego la movilidad de los huecos se verá más reducida por efecto del dopado que la movilidad de los electrones en los transistores NMOS. Como la movilidad de los electrones, a igual dopado, es mayor que la de los huecos la consecuencia global es que esta diferencia de movilidades se ve incrementada. Un razonamiento parecido conduce a que en el caso de utilizar tecnología de pozo P la diferencia de movilidades entre electrones y huecos disminuye.
En la fabricación de nuestro inversor utilizaremos como referencia la tecnología CMOS de pozo N. Las figuras siguientes esquematizan todo el proceso, y se representa la evolución de la sección vertical del dispositivo conforme avanza el proceso. Simultáneamente se presenta a la derecha de la figura la vista superior de las máscaras utilizadas. Por último, encima de cada sección del dispositivo se muestra una sección de la máscara con sus zonas opacas y transparentes.
El primer paso del proceso
es, como se ha indicado más arriba, crear el pozo N. Esto
suele hacerse mediante implantación seguida de
difusión. Para ello es necesaria una máscara que
delimite la situación del pozo.
Una vez creado el pozo y tras
una oxidación posterior, es preciso delimitar la zona
activa, es decir, el área de la oblea en la cual
estarán situados los transistores. La máscara
utilizada a tal efecto se denomina de zona activa o "thinox".
Tras delimitar la zona activa, mediante oxidación seca se crece sobre ésta el óxido de puerta (este óxido apenas se nota donde ya estaba el óxido de campo). A continuación se deposita el polisilicio, habitualmente dopado N+, que constituirá la puerta de los transistores.
Mediante una etapa de
fotolitografía, utilizando la máscara que
denominaremos de polisilicio, se delimitan las puertas de los
transistores atacando el polisilicio y el óxido fino
subyacente en todas partes menos en las ubicaciones indicadas por la
mencionada máscara. La situación tras este ataque
se puede observar en la figura siguiente.
En este punto del proceso se
procede a crear mediante implantación los surtidores y
drenadores de todos los transistores (tanto NMOS como PMOS). Para ello
basta con una sola máscara, denominada de
implantación. Utilizando esta máscara se implanta
de tipo N+ realizando así los drenadores y surtidores de los
transistores NMOS y utilizando su complementaria, o bien la misma con
la resina contraria, se implantan los drenadores y surtidores de los
transistores PMOS. Procesos CMOS más complejos utilizan dos
máscaras diferentes (una para cada tipo de
implantación).
Se denomina óhmico al contacto entre metal y semiconductor que permite el paso de la corriente en los dos sentidos sin provocar caídas resistivas (el caso opuesto se denomina contacto Schottky o rectificador y es una situación a evitar aquí). En general la condición para que el contacto sea óhmico es que el semiconductor esté fuertemente dopado, como es el caso de los drenadores y surtidores de un transistor MOS. Las etapas finales del proceso consisten en, tras recubrir todo con óxido depositado, abrir agujeros en éste para poder realizar contactos, es decir, delimitar las zonas donde el metal debe establecer contacto con el silicio. Para ello se utiliza una nueva máscara denominada de contactos.
Un aspecto complementario que
merece ser comentado es el siguiente: los drenadores y surtidores de
los transistores NMOS son zonas N+ sobre sustrato tipo P; si la
implantación N+ tiene lugar sobre el pozo N, lo que se
consigue es una zona fuertemente dopada sobre la que es posible
establecer contactos óhmicos con el pozo.
Análogamente si la implantación P+ tiene lugar
sobre el pozo N se generan los drenadores y surtidores de los
transistores PMOS y si dicha implantación se realiza sobre
el sustrato P lo que se consigue es tener una zona fuertemente dopada a
través de la cual es posible establecer un contacto
óhmico con el sustrato. Por último el metal es
depositado sobre toda la oblea y eliminado mediante grabado en donde no
es necesario. Esto se consigue mediante una última
máscara, denominada de metal.
Las etapas finales del proceso pueden repetirse para obtener sucesivas capas de pistas de metal separadas por óxido y contactarlas donde sea necesario; así, cuando se desea realizar un conexionado complejo suelen utilizarse dos o más niveles de metal. Para ello son necesarias dos máscaras adicionales: una segunda de contactos y otra segunda de metal.
