Técnicas de fabricación de semiconductores. Física 4. Ing. Christian Aldaco.

Un poco de historia. El primer transistor creado fue el de puntas de contacto en 1947 por John Bardeen

1948 Shockley propuso el transistor bipolar de unión (npn pnp)

1948 Shockley propuso el transistor bipolar de unión (npn pnp) Zona de trabajo Directa-Inversa… Activa Directa-Directa…Saturación Inversa-Inversa…Corte Inversa-Directa… Activa inversa

1951 Teal, Spark y Buehler construyeron el primer transistor de union bipolar con posibilidades de comercio

Etapas de la fabricación

Etapas. 1. Purificación del substrato (Fabricación de obleas) 2.- Oxidación 3.- Litografía y Grabado 4.- Impurificación

Purificación del substrato

El primer paso en la fabricación de un dispositivo semiconductor es obtener materiales semiconductores, como germanio y silicio, del nivel de impurezas deseado. Los niveles de impurezas de menos de una parte en mil millones (1 en 1.000.000.000) se requiere para la mayor parte de la fabricación de semiconductores de hoy día. silicio Germanio.

La materia prima se somete primero a una serie de reacciones químicas y a un proceso de refinación de zona para formar un cristal poli cristalino del nivel deseado de pureza. Los átomos del cristal poli cristalino se acomodan al azar, mientras que en el cristal deseado los átomos se acomodan en forma simétrica, uniforme, con estructura geométrica en enrejado.

La operación final antes de que la fabricación del semiconductor se lleve a cabo es la formación de un solo cristal de germanio o silicio. Esto se puede lograr usando la técnica de Czochralski o la de zona flotante, la última es la que se ha diseñado recientemente. El aparato empleado en la técnica de Czochralski se muestra en la siguiente diapositiva.

a) Método de Czochraiski Este método es utilizado para la obtención de silicio monocristalino mediante un cristal semilla depositado por un baño de silicio. Es de amplio uso en la industria electrónica para la obtención de wafers u obleas, destinadas a la fabricación de transistores y circuitos integrados.

a) Método de Czochraiski El método consiste en tener un crisol (generalmente de cuarzo) que contiene el semiconductor fundido, por ejemplo germanio. La temperatura se controla para que esté justamente por encima del punto de fusión y no empiece a solidificarse. En el crisol se introduce una varilla que gira lentamente y tiene en su extremo un pequeño monocristal del mismo semiconductor que actúa como semilla. Al contacto con la superficie del semiconductor fundido, éste se agrega a la semilla, solidificándose con su red cristalina orientada de la misma forma que aquella, con lo que el monocristal crece. La varilla se va elevando y, colgando de ella, se va formando un monocristal cilíndrico. Finalmente se separa el lingote de la varilla y pasa a la fusión por zonas para purificarlo.

Proceso de la creación de los cristales

Crisol usado en el proceso Crisol después del proceso

Lingote de silicio monocristalino

Método de zona flotante. El proceso parte de un cilindro de silicio policristalino Se sostiene verticalmente y se conecta uno de sus extremos a la semilla Una pequeña zona del cristal se funde mediante un calentador por radio frecuencia que se desplaza a lo largo de todo el cristal desde la semilla El Si fundido es retenido por la tensión superficial entre ambas caras del Si sólido Cuando la zona flotante se desplaza hacia arriba, el silicio monocristalino se solidifica en el extremo inferior de la zona flotante y crece como una extensión de la semilla

Cristal de silicio en el inicio del proceso de crecimiento

Crecimiento del cristal de silicio

La estructura del cristal simple producida puede cortarse en obleas algunas veces tan delgadas como 1/1000 (ó 0.001) de pulgada

Oxidación.

Las obleas de Si se montan en un carrete de cuarzo Este se mete dentro de un tubo de cuarzo situado dentro de un horno de apertura cilíndrica calentado por resistencia T entre los 850 y 1100ºC

Dos tipos de oxidación: Seca y húmeda Oxidación Húmeda Se introduce vapor de agua en el horno Si(s) +2H2O(g) → SiO2(s) + 2H2(g) Es mucho mas rápida y se utiliza para crear óxidos gruesos Oxidación seca Se introduce gas de oxigeno puro Si(s) + O2(g) → SiO2(s) + 2H2(g) Se consiguen óxidos de mayor calidad pero es más lenta Esta técnica no es apropiada para la creación de óxidos gruesos ya que se puede producir una redistribución de las impurezas introducidas en los anteriores procesos

Tipos de Hornos Horno vertical Horno horizontal

Litografía y grabado.

Se cubre la oblea con una fotoresina + o - Se hace incidir luz U.V. a través de una mascara Se ablanda (+) o se endurece (-) la resina expuesta Se elimina la fotoresina no polimerizada con tricloroetileno Grabado: se ataca con HCl o HF y se elimina el SiO2 no protegido por la fotoresina Se elimina la fotoresina con un disolvente Sulfúrico SO4H2

(a) Húmedo: (b) Seco: Grabado Húmedo y Seco Baño de ácido fluorhídrico o clorhídrico que ataca SiO2 no protegido, pero no ataca al Si. Gran selectividad Problema: ataque isotrópico igual en todas las direcciones (b) Seco: Se usa un plasma con un gas ionizado Grabado Físico o químico Ataque anisótropo Menor selectividad

Impurificación.

4) Impurificación (adición de dopantes) Dos métodos: Difusión e implantación iónica Difusión Se colocan las obleas en el interior de un horno a través del cual se hace pasar un gas inerte que contenga el dopante deseado. T entre 800º y 1200º C Para Si tipo P el dopante más usual es el Boro y para tipo N se usa el Arsénico y Fósforo. Tienen una alta solubilidad en silicio en el rango de temperatura de difusión. Se puede distinguir entre dos formas al realizar la difusión:

a) Con fuente ilimitada: cuando se mantiene la misma concentración de impurezas durante el proceso b) Con fuente limitada: se parte de una concentración inicial y no se añaden mas dopantes Normalmente se usan los dos métodos uno seguido del otro. La profundidad de la difusión dependerá del tiempo y de la temperatura. La concentración de dopante disminuye monótonamente a medida que se aleja de la superficie. La técnica de difusión tiene el problema de que las impureza se difunden lateralmente