Fabricación de Dispositivos semiconductores

Se comenzó a usar el Si como material semiconductor por sus propiedades: ·       Fácil oxidación, Pasivación. ·       Su oxido puede ser atacado sin atacar al Si. ·       Usando su resistividad se hacen resistencias y las uniones pn pueden actuar como condensadores 1960 Kanhng y Atalla fabrican el primer MOSFET operativo Alrededor de 1968 ya se habían propuesto las estructuras básicas MOS. Desde entonces la mayor parte de los esfuerzos tecnológicos se han dedicado a la miniaturización de los dispositivos con el propósito de aumentar su velocidad y la densidad de integración 1960 SSI (Small Scale Integration) 100 componentes/chip 1966 MSI (Mediun Scale Integration) 100-1000 componentes/chip 1969 LSI (Large Scale Integration)1000-10000 componentes/chip 1975 VLSI (Very Large Scale Integration) mas de 10mil componentes/chip Actualmente ULSI (Ultra Large Scale Integration) mas de 100Millones comp/chip

Etapas para la fabricación de un dispositivo

1. Purificación del substrato (Fabricación de obleas) 2.- Oxidación 3.- Litografía y Grabado 4.- Impurificación 5.- Creación de capas delgadas (Deposición y crecimiento epitaxial). 6.- Colocación de los contactos metálicos

Purificación del substrato (Fabricación de obleas) Obtención de Si puro Materia prima: Sílice o dióxido de Silicio: SiO2 (muy abundante, arena de la playa). 2) Reducción del SiO2 a alta temperatura: Silicio + Carbón a 2000ºC  Silicio metalúrgico, Si al 98%.  3) Si metalúrgico + ClH (Clorhídrico)SiHCl3 TricloroSilano 4) Destilación del SiHCl3  SiHCl3 TricloroSilano puro. 5) Reducción del SiHCl3 SiHCl3 + H2  Si de alta pureza Si Policristalino Concentración impurezas<1 ppmm (1013 cm-3).

El Silicio policristaio o polisilicio esta formado por pequeños cristales de silicio Las obleas para la fabricación de un C.I. Tienen que tener una estructura cristalina Tres tipos de solidos, clasificados por su ordenación atómica: (a) La estructura cristalina y (b) Amorfa son ilustradas con una vista microscopica de sus atomos, mientras (c) la estructura policristalina se muestra de una forma más macroscopica con sus pequeños cristales con distinta orientacion pegados unos con otros.

Dos métodos para obtener Si cristalino a) Método de Czochraiski b) Método de Zona flotante

Método de Czochralski aparato denominado "puller" Es el método empleado en el 90% aparato denominado "puller" (a) Horno Crisol de sílice fundida (SiO2) Soporte de grafito Mecanismo de rotación Calentador (b) Mecanismo de crecimiento del cristal Soporte para la semilla Mecanismo de rotación (sentido contrario). (c) Mecanismo del control de ambiente Una fuente gaseosa (argón) Un mecanismo para controlar el flujo gaseoso Un sistema de vaciado.

Procedimiento Se coloca el Si policristalino en el crisol y el horno se calienta hasta fundirlo. Se añaden impurezas del tipo necesario para formar un semiconductor tipo N (Fosforo, Arsenico, Antimonio) o P (Boro, Aluminio, Galio) con el dopado deseado Se introduce la semilla en el fundido (muestra pequeña del cristal que se quiere crecer) Se levanta lentamente la semilla (se gira la semilla en un sentido y el crisol en el contrario) El progresivo enfriamiento en la interface sólido-líquido proporciona un Si monocristalino con la misma orientación cristalina que la semilla pero de mayor diámetro

Diámetro dependerá de: La temperatura La velocidad de elevación y rotación de la semilla La velocidades de rotación del crisol Efecto de segregación: La concentración de dopante del Si solidificado es inferior a la del Si fundido. La concentración del dopante aumente a medida que la barra de cristal crece. La concentración de impurezas es menor en lado de la semilla que en el otro extremo.

El Silicio fabricado por el método de Czochralski contiene oxigeno, debido a la disolución del crisol de Sílice (SiO2). Este oxigeno no es perjudicial para el silicio de baja resistividad usado en un circuito integrado. Para aplicaciones de alta potencia donde se necesita Si con alta resistividad este oxigeno es un problema. En estos casos se usa el método de Zona Flotante.

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

2) Proceso de Oxidación térmica. 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

En la oxidación térmica parte de la capa de Si se consume La interface Si-SiO2 se introduce en el Si Por cada micra de oxido crecido se consume 0.44 micras de Si 1º Cuando el espesor del oxido formado es pequeño Crecimiento limitado por la reacción en la interface Si-SiO2 Espesor varia linealmente con el tiempo.   2º Cuando el espesor es grande Crecimiento limitado por la difusión de las especies oxidantes Espesor proporcional a la raíz cuadrada del tiempo.  

3) Proceso de 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

Litografía Litografía con luz ultravioleta Litografía con rayos X Haces de electrones Diferentes fuentes de luz Litografía con luz ultravioleta Es la más utilizada Para una buena resolución  (longitud de onda de la luz) tiene que ser lo suficientemente pequeña para evitar efectos de difracción Litografía con rayos X Menor longitud de onda  Mayor resolución Problemas mascaras difíciles de fabricar Radiación puede dañar el dispositivo Litografía con haces de electrones No necesita mascara Buena resolución Problema proceso muy lento

Litografía Tipos de mascaras Para una oblea entera Para un solo Chip

Litografía Stepper

Grabado Húmedo y Seco (a) Húmedo: (b) 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

Reactive Ion Etching (RIE) (1) El proceso comienza con la formación de los reactivos (2) Los reactivos son transportados por difusión a través de una capa gaseosa de estaño hacia la superficie. (3) La superficie adsorbe a los reactivos. (4) Se produce la reacción química de los reactivos con la especies de la superficie, junto con efectos físicos (bombardeo iónico). (5) Los materiales resultados de la reacción química o bombardeo físico son repelidos por la superficie y eliminados por un sistema de vacío.

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

Implantación iónica Se ionizan las impurezas Se aceleran y adquieren alta energía Se introducen en el Si con el ángulo adecuado Annealing: se somete la oblea a un recocido para reordenar al estructura Mejor control de la difusiones profundidad y dopado

5) Formación de capas delgadas (Deposiciones y Epitaxia) Se puede depositar diferentes tipos de material como óxidos, polisilicio, metal y semiconductor con estructura cristalina (en este caso el proceso se llama epitaxia)

Chemical vapour deposition (CVD) Creación de una capa de Si Las obleas de silicio se introducen en un recipiente sobre un soporte de grafito, En el recipiente se introduce la fuente gaseosa, típicamente tetracloruro de silicio (SiCl4 ) y se calienta todo a una temperatura de 1200 ºC, dándose la reacción: Pero además se produce también la reacción siguiente: Si la concentración de tetracloruro de silicio (SiCl4 ) es demasiado elevada, predominará la segunda reacción, por lo que se producirá una eliminación de silicio del substrato en vez del crecimiento de la capa epitaxial.

Distintos tipos de hornos La capa epitaxial puede crecerse con un cierto dopado. El dopante se introduce a la vez que el SiCl4 en la mezcla gaseosa. Como dopante tipo p se utiliza el diborano (B2 Cl4 ), mientras que la arsina (AsH3 ) y la fosfina (PH3 ) se utilizan como dopantes tipo n. Distintos tipos de hornos

Creación de una capa de oxido A bajas t (300 a 500 ºC) las películas se forman al reaccionar silano y oxígeno. A altas t (900 ºC) al reaccionar diclorosilano, SiCl2 H2 con óxido nitroso a bajas presiones: a medida que mayor es la temperatura mejor es la calidad del óxido Creación de una capa de polisilicio se utiliza un reactor LPCVD a una temperatura entre 600 y 650º C donde se produce la pirolisis del silano:

Molecular Beam epitaxy MBE Recipiente al vacío Distintos materiales en crisoles se calientan las partículas evaporadas son dirigidas a la muestra bajas temperaturas (400 a 800 ºC) Control preciso del perfil del dopado. Crecimiento de múltiples capas monocristalinas con espesores atómicos. No hay reacción química

6) Metalización Phisical vapour deposition Se evapora el metal con calor a depositar en una cámara de alto vacío Se condensa en la superficie de la oblea al enfriarse. La energía de los átomos de vapor suele ser baja lo cual pueden resultar capas porosas y poco adherentes

Varias técnicas para evaporar el metal Filamento de tungsteno. De cada espira del filamento se cuelga un pequeño trozo de aluminio. En un crisol de nitruro de boro se calienta el Al mediante inducción RF. Evaporación por haces de electrones. Un filamento suministra un haz de electrones que son acelerados por un campo eléctrico y conducidos hacia la superficie del metal donde al chocar con éste producen la evaporación del mismo.

Sputtering (Salpicado) El material a depositar se arranca cargándolo negativamente al bombardearlo con iones positivos Argon Los átomos de Al desprendidos se dirigen y depositan sobre al oblea Más uniformidad Mejor control del espesor

Fabricación de 4 diodos

Fabricación de un MOSFET