Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
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TEMA 2 Tecnología y fabricación de CIs Crecimiento, Preparación y Caracterización de Materiales Electrónicos
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TEMA 2
Tecnología y fabricación de CIs
Crecimiento, Preparación y Caracterización de Materiales
Electrónicos
El primer circuito integrado (CI) fue inventado por Kilby en 1958. Eran osciladores de fase y flip-flops, fabricados en
substratos de germanio y cuyos aislamientos fueron realizados mediante un grabado en el substrato utilizando cera aplicada a mano para realizar las máscaras de las regiones activas.
Otros primeros pasos: Primer transistor bipolar difundido moderno que
utilizó SiO2 como barrera a la difusión de las impurezas.
En 1958 se patentó el uso de uniones p-n como aislamiento de dispositivos
Metalización de aluminio evaporado sobre un óxido para realizar interconexiones (1959).
Desde estos primeros circuitos, los CIs han evolucionado en a circuitos electrónicos complejos que contienen 106 o mas componentes individuales en un único chip (Very Large Scale ofIntegration o VLSI).
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Revisión histórica de la tecnología de SC: VLSI
Primer CI fabricado por Kilby
Chip de 1978. MIT(Massachusets Institute of Technology)
En la actualidad:
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Revisión histórica de la tecnología de SC: VLSI
Chip de 2005. Aplicaciones en robótica
El factor más importante ⇒ continua reducción de las dimensiones del dispositivo (enorme avance de todos los procesos tecnológicos).
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Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Crecimiento de Materiales Electrónicos
Evolución de las ventas de semiconductores en los últimos 15 años y distribución geográfica de la misma
Hoy en día la tecnología que domina el mercado de la industria electrónica es la tecnología digital de circuitos integrados MOS de silicio. Las razones de su uso extendido La facilidad de controlar su óxido SiO2
Otros avances tecnológicos (proceso planar), etc.
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I. Diferentes tecnologías
Mercado de aplicaciones de alta frecuenciaMercado de Circuitos Integrados
GaAs 1%
Si 99%
Año 2000
Circuitos IntegradosComponentes DiscretosDispositivos Optoelectrónicos
Sin embargo para aplicaciones de alta frecuencia y aplicaciones optoelectrónicas, la tecnología de GaAs y dispositivos basados en semiconductores compuestos III-V ha sufrido un gran aumento en el mercado.
Necesidad de conocer los materiales y los procesos utilizados en la fabricación de los dispositivos para visualizar la construcción y comprender las propiedades y las limitaciones tecnológicas de los mismos.
Ventajas del Si Es muy abundante en la naturaleza ⇒ barato
Ejemplo: 200$/Kg de Si por los 1500$/Kg de Ga 6N (99.9999% de pureza) Una oblea de Si de ∅20 cm cuesta 100$ por los 180$ de una oblea de GaAs de ∅10 cm (4
veces menos área) Es un semiconductor elemental (no se descompone en los procesos tecnológicos). El Ge también,
pero su GAP es mucho menor (ni es muy elevado) y sólo permite trabajar a T baja. Posee un óxido propio (fabricación de MOSFETs) Tecnología muy desarrollada
Ventajas del GaAs Posee GAP directo (aplicaciones optoelectrónicas) Mayor movilidad y velocidad de los electrones (dispositivos más rápidos) Permite la fabricación de sustratos semiaislantes (el aislamiento entre dispositivos cercanos es más
sencillo) Versatilidad para fabricar compuestos ternarios controlando el GAP (útil para fabricar dispositivos de
heterounión)
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III. Silicio vs GaAs
Característica velocidad-campo eléctrico del Si y del GaAs a 300 K
Obtención, procesos necesarios y requerimientos de pureza química exigidos por las industrias semiconductoras (concentración de impurezas y cantidad de defectos), tanto para Si como para GaAs.
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IV. Obtención y preparación de obleas de Si
Procesos de fabricación del monocristal
1.- Purificación: obtención del material policristalino El 1er paso Obtener el “silicio de grado metalúrgico”
(MGS) refinar el SiO2 químicamente.
2º paso Obtener el “silicio de grado electrónico” (EGS, de 8N a 11 N) muy puro, libre de defectos procesado químico
2.- Crecimiento de Si monocristalino Formación del monocristal de Si (material orientado y
cristalino) en bloques cilíndricos de gran diámetro (lingotes) Técnicas de crecimiento permiten el crecimiento del cristal
mediante la solidificación de átomos de una fase líquida en una superficie (válidos tanto para Si como GaAs):
La mayoría de los cristales de Si se obtienen mediante el método de Czochralski (CZ).
Para aplicaciones optoelectrónicas de Si (fabricación de células solares) se utiliza el método de la zona fundida (Floating Zone, FZ).
1.- Purificación:
Refinado: Obtención de Silicio de grado metalúrgico(MGS) el SiO2 se refina químicamente con carbón en un horno a muy altas
temperaturas (2000º)
(hay un electrodo sumergido que calienta el horno).
Se introducen en el horno: Cuarzita, Cokf,
Pedazos de Madera (C orgánico)
SiO2 + 2C Si + 2 CO2 (gas)
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V. Obtención de Si : refinado
Obtención de MGS
Procesado químico: Debemos obtener Si de calidad electrónica (EGS, de 8N a 11 N): muy puro, libre de defectos (un átomo de impureza por 1 billón de átomos de Si).
Silicio EGS 1 impureza por 109 átomos (un billón) de átomos de Si
0. 000 000 1 % de impurezas
99. 999 999 9 (9 N) de pureza
Como una pelota de tenis en una fila de pelotas de ping-pong colocadas entre la tierra y la luna
Procesado químico: Obtención de Silicio de alta pureza (EGS): Proceso de cloración: Se pulveriza mecánicamente y se hace reaccionar con ácido hidroclorídrico
(HCl) para formar triclorosilano (SiHCl3) que es líquido a temperatura ambiente.
Si (sólido) + 3 HCl (gas) SiHCl3 (gas) + H2 (gas) + calor
Mediante destilación selectiva el triclorosilano es reducido mediante hidrógeno para formar silicio sólido (EGS) de alta pureza: se puede obtener purezas de hasta 6-7 nueves (7N= 99.99999 %).
SiHCl3 (gas) + 3H2 (gas) 2 Si (sólido) + 6 HCl (gas)
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
Proceso químico de obtención del Silicio EGS Columna de destilación
En este punto se obtiene EGS: es silicio policristalino
compuesto por muchos cristales
VI. Obtención de Si : procesado
Mediante el procesado químico hemos obtenido EGS (Silicio de alta pureza): 6-7 N
Hemos obtenido el material depositado en una varilla de Silicio muy pura.
Se eliminan: Todas las impurezas metálicas Algunas de las impurezas con carácter no metálico
Tiene una orientación cristalográfica aleatoria es policristalino compuesto de muchos cristales (de tamaño micrométrico)
Una vez obtenido el material semiconductor con el grado de pureza requerido transformarlo en monocristal. En forma de barras o lingotes Con una orientación determinada de crecimiento Aislante o con un tipo de dopaje
Crecimiento de Si monocristalino Método de Czochralski o crystall pulling (CZ). (90 % de
todos los cristales de silicio) Método de fusión por zonas o zona fundida (FZ)
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Silicio Policristalino
VI. Obtención de Si : procesado
Silicio Monocristalino
2.a. Método Czochralski (CZ): Históricamente:
Czochralski en 1918 ideó esta técnica para determinar la velocidad de crecimiento de cristales
Fue en 1950 cuando en la Bell (Teal y Little) se realizaron las modificaciones para obtener el primer monocristal de Si con alto grado de pureza química y densidad de defectos cristalinos razonables (1952)
Hoy día es una técnica similar en esencia, con mejoras como automatización, control informático, mejoras de pureza de la atmósfera.
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIsVII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ
Características: Se obtienen velocidades de crecimiento de 50-100mm/hr, con diámetros de hasta 30 cm.
Un pequeño cristal (denominado semilla) se introduce, se rota y se retira de la mezcla de silicio de gran pureza para de ese modo dar lugar a un cristal cilíndrico.
El cristal crece mediante un proceso en el que hay implicada una transformación desde un líquido (fundente) al sólido (cristal) CRISTALIZACION. La principal diferencia entre el fundente y el cristal radica en la estructura geométrica, esto es, en el líquido no existe estructura cristalina.
Crecimiento del monocristal (método CZ)
2.a. Método Czochralski (CZ):
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIsVII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ
Detalles del crecimiento del monocristal(método CZ)
2.a. Método Czochralski (CZ) Realización práctica ( I )
La mezcla fundida (polisilicio) se dispone en el crisol y se funde, mediante bobinas conectadas a
una tensión de RF, a Tª superior a 1420 ºC en atmósfera inerte
El crisol es de cuarzo no reactivo con el fundente
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIsVII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ
El sistema no está al vacío, permite entrada de gases
(se suele utilizar una atmósfera de gas inerte como el
Argón para el crecimiento del Si).
La semilla del semiconductor (cristalográficamente 100,
111, etc) está suspendida sobre él.
Se pone en contacto el cristal semilla y se espera a que
se suelde al fundente.
El cristal crece por enfriamiento cuando lentamente se
extrae la semilla, ambos girando en sentidos contrarios.
La formación del cuello es la etapa mas delicada.
2.a. Método Czochralski (CZ) : ( II )
El diámetro de los lingotes cilíndricos se controla mediante:
La velocidad de extracción y la temperatura
Para aumentar el diámetro del cristal se reduce el ritmo de tirado o se disminuye la temperatura del fundente.
Una vez se alcanza el diámetro deseado, se controla el proceso
Velocidad de crecimiento: 0,1-0,2 cm/min
El coste en la producción de cristales mediante el método CZ es debido: Material, maquinaria, personal... El crisol de cuarzo es monouso (dado que se contamina
con impurezas y sufre grietas al enfriarse)
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIsVII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ
Contaminación: El crisol actúa como fuente de impurezas (O2,C)
Oxígeno (impureza aceptora profunda no deseada) que proviene de la corrosión de Si (SIO2)
Problema: La concentración de impurezas en la fase líquida (CL) es diferente a la concentración de impurezas de la fase sólida (CS)
Coef. de segregación de impurezas k0= CS / CL
k0 no depende de la concentración de impurezas, sino del tipo de impureza (Ver tabla)
k0 en Boro, es el más alto (próximo a 1)
En general k0 <1 CS < CL Luego en Si: la fase líquida se vuelve más rica en dopantes a medida que el cristal crece la impureza prefiere estar en la fase líquida.
2.a. Método Czochralski (CZ) (III)
Pueden añadirse las impurezas (deseadas) para cada tipo de semiconductor en la mezcla fundida. En el caso del Silicio: Tipo P (Boro) Tipo N (P, Sb, As…)
Sin embargo, el proceso de incorporación de dopantes es complicado debido a la segregación de dopantes:
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIsVII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ
Dopantes del Si k0
Ejemplo nº 2: Supongamos k0=0.1
X=0 CS/ CM=0.1 Indica que cuando comienza a crecer el lingote, la concentración en el sólido es 10 veces menor que en la muestra inicial. pasa a la fase sólida únicamente el 10 % del total de dopantes
X=0.5 CS/ CM=0.186
X=0.9 CS/ CM=0.794 (pueden llegar al 79 % al final)
Ejemplo nº 3: Supongamos k0=0.72 Boro X=0 CS/ CM=0.72 (comienzan en el 72 %)
X=0.5 CS/ CM=0.87
X=0.9 CS/ CM=1.71 las impurezas de B se incorporan rápidamente a medida que se crece el lingote de Silicio
2.a. Método Czochralski (CZ) (IV)
Ejemplos de la segregación de dopantes:
Supongamos una mezcla fundida con una concentración inicial de impurezas en la mezcla igual a CM (1/m3)
Ejemplo nº 1: Sb (k0 =0.02) las impurezas de Sb se incorporan difícilmente a la muestra
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIsVII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ
Con este método se realizan los cristales más puros conocidos hasta el momento
Es utilizado para aplicaciones optoelectrónicas de Si (fabricación de células solares)
NOTA: Para aplicaciones optoelectronicas se debe evitar que no haya trampas en el centro del gap (impurezas no controladas). Toda la energía solar genere pares electrón-hueco.
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIsVIII. Obtención de Si : Floating Zone (FZ) (I)
2.b. Métodos de refinado por zonas, zona fundida (Float Zone, FZ).
Sirven para purificar cristales y se conocen desde hace más de 50 años.
Se basan en el cambio en la concentración de las impurezas debido a los mecanismos de segregación de la transición sólida a líquida.
En 1952 Pfann ideó el método de Zona Fundida donde el lingote se sitúa en horizontal dentro de un crisol o barquilla donde está apoyado para fundirse para realizar una purificación o refinamiento por zonas.
El método que se utiliza en la actualidad es método de la zona flotante
El lingote se sitúa en vertical y la zona fundida se hace suficientemente corta
No hay crisol (fuente de impurezas)
La zona fundida se mantiene unida por tensión superficial a las partes superior e inferior que están sólidas.
Método CZ Método FZ
En que consiste FZ:
Dentro de una cámara con atmósfera inerte, se coloca
una barra de semiconductor policristalino en posición
vertical y se rota.
Una pequeña zona de la barra se mantiene “fundida”
mediante un calentamiento por señales de RF
La zona fundida se mueve a lo largo de la longitud de la
muestra las impurezas segregadas de la zona
fundida van desplazadas hacia los extremos del lingote.
Como k0= CS/CL<1 , las impurezas tienden a ir a la
zona fundida
Para ayudar a una cristalización inicial se coloca un
cristal semilla que sirve de modelo de crecimiento
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
Realización experimental del crecimiento del monocristal mediante el método FZ
VIII. Obtención de Si : Floating Zone (FZ) (II)
2.b. Métodos de refinado por zonas, zona fundida (Float Zone, FZ).
Es un método que permite tanto la formación del monocristal como el refinado de un material crecido mediante la técnica CZ (para purificarlo o refinarlo más)
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIsVIII. Obtención de Si : Floating Zone (FZ) (III)
2.b. Métodos de refinado por zonas, zona fundida (Float Zone, FZ).
Se puede calcular (al igual que se hizo en el método CZ) el CS/CM como el que se muestra en la Figura (after normal feezing).
Además este método, tiene la posibilidad de la múltiple repetición del proceso ⇒ cristales muy puros = intrínsecos (r muy elevadas).
Al realizar varias “pasadas” (sucesivas de la señal rf) que hacen que se aumente la diferencia (de impurezas) entre CS y CM.
Podemos ver en la figura como se reduce enormemente la concentración de impurezas en la fase sólida después de realizar el proceso FZ varias veces.
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
Realización experimental del crecimiento del monocristal
mediante el método FZ
VIII. Obtención de Si : Floating Zone (FZ) (IV)
2.b. Métodos de refinado por zonas, zona fundida (Float Zone, FZ).
Las principales ventajas de este método: El Si no está en contacto con ningún crisol, solo tiene dos puntos de unión, por lo que se reduce
enormemente el contenido de oxígeno.
Se crecen materiales de mayor pureza mas alta (menor número de impurezas) ⇒ coste más elevado (aplicaciones optoelectrónicas: aumento de la vida media de los portadores).
Para la síntesis del GaAs policristalino, partimos de: Ga es un material escaso (subproducto de la industria del aluminio: purificando la germanita) As es abundante y se encuentra en sulfuros, arseniuros y en la arsenopirita ⇒ extracción por
fusión a 700ºC. Ambos son purificados por separado hasta obtener calidades de hasta 7 N.
El comportamiento de la mezcla de ambos viene regulado por el correspondiente diagrama de fases
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIsIX. Obtención de GaAs (I)
Relación las distintas fases (s, l y g) y la composición de ambos componentes en función de Tª).
Es necesario combinar ambos elementos para obtener GaAs, en una reacción exotérmica que se lleva a cabo con violencia.
Es importante que exista una sobrepresión de As para formar GaAs con la estequiometría correcta (50 % de As) y evitar su descomposición. En caso contrario, dada la diferencia de la presión de
vapor del Ga y del As, hay una pérdida de la sustancia más volátil: Arsénico, mientras que el líquido se vuelve rico en Galio).
Debemos contemplar los dos procesos: 1. Obtención de GaAs policristalino: Método horizontal
de Bridgman. 2. Obtención de GaAs monocristalino: LECz.
líquido
GaAs + líquido
GaAs + líquido
Diagrama de fases del GaAs
1. Método Horizontal de Bridgmann o gradiente térmico (HGF) . Este método tiene lugar en un horno de cuarzo con las siguientes características:
Está sellado al vacío y precintado (evitar pérdidas de As).
Se aumenta la temperatura del horno con dos regiones de temperaturas diferentes: 600-620 ºC y 1240-1200 ºC (ésta última mayor que el punto del fusión del GaAs= 1238 ºC).
En cada una de las regiones, hay una barquilla de cuarzo que contiene el Arsénico y el Galio, respectivamente.
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
Horno de gradiente horizontal y perfil típico de temperatura para el
crecimiento de GaAs
IX. Obtención de GaAs (II)
Bajo condiciones de alta presión y mediante el movimiento del horno se forma el GaAs cristalizado sobre la semilla (se transporta vapor de As hacia el Ga).
La conversión (solidificación) en GaAses lenta y controlada (muchas horas) al pasar por el gradiente de temperatura.
Se obtiene GaAs policristalino ⇒ material de partida del monocristal.
2. Método LEC (liquid encapsulated Czochralski):
Utiliza una capa de líquido inerte: B2O3 (óxido bórico) que es químicamente estable, tiene una
presión de vapor baja al punto de fusión del GaAs (1238 ºC) y además es transparente
ópticamente.
Densidad del GaAs: 5.71 g/cm3
Densidad del B2O3: 1.5 g/cm3
Esta capa cubre la mezcla fundida de GaAs en el crisol
sin mezclarse con él para evitar la descomposición del GaAs.
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
Horno de crecimiento de GaAsmediante el método CZ
IX. Obtención de GaAs (III)
A 460ºC el óxido bórico se funde y forma una capa
gruesa (de entre 5 y 10 mm) de líquido viscoso que
cubre la mezcla y también el crisol (encapsulando el SC).
Conjuntamente con la presión en el sistema, impide la
sublimación del elemento más volátil (arsénico)
Los diferentes procesos que se aplican a los lingotes para obtener las obleas: acabado, cortado, pulido y caracterización. ACABADO:
Inspección visual de los lingotes del monocristal: perfección cristalina, sus propiedades mecánicas (tamaño, irregularidades y masa) y examinar su resistividad, este proceso suele representar una pérdida del 50 % del lingote.
Torneado de la superficie del lingote para definir el diámetro del material
Realización de un corte principal denominado bisel o flat (situar mecánicamente la oblea en los equipos de procesado). Un segundo bisel de menor longitud se utiliza para identificar la orientación y la conductividad del material.
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
II. Preparación de las obleas de Si y GaAs
Identificación de los biseles en una
oblea de Silicio cortado
torneado
CORTADO:
Cortado del lingote en obleas circulares con una sierra de diamante de alta velocidad ⇒ equipos de precisión
Se utilizan las sierras de hilos para cortar una gran cantidad de obleas con elevada calidad lo que se traduce en una alta productividad y una eficiencia de coste.
PULIDO: Para producir las obleas lo más planas posibles sobre las
cuáles se fabricarán los dispositivos (sin dañar la estructura cristalina) se llevan a cabo 4 distintos procesos (mecánicos y químicos ):
Nivelado de la oblea: se utiliza una maquina de nivelado mediante rotación junto con una resina de óxido de aluminio.
Esto aplana la superficie, la hace más paralela y reduce defectos mecánicos.
Grabado de la Oblea. Las obleas se introducen en un disolvente (disolución de ácido nítrico y acético) para disolver daños superficiales del nivelado.
Posteriormente este ácido se elimina mediante una serie de baños de agua de gran pureza.
cortado
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II. Preparación de las obleas de Si y GaAs
perfilado
PULIDO: Pulido de la oblea: Las obleas se pulen en una
combinación de procesos de pulido mecánico químicos.
Envuelve usualmente dos o tres pasos diferentes con un abrasivo progresivamente mas fino.
Limpieza de la oblea. La mayoría de los fabricantes utilizan un método final de tres pasos que se desarrolló en 1970 y que elimina:
Impurezas orgánicas, óxidos nativos, impurezas metálicas y partículas de la superficie de la oblea.
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II. Preparación de las obleas de Si y GaAs
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
II. Preparación de las obleas de Si y GaAs
Defectos: Las dislocaciones se revisan mediante un sistema de procesado de imagen
CARACTERIZACIÓN:
inspección de defectos
Si Casi exclusivamente CZ Lingotes de hasta 400Kg y ∅30cm Dislocaciones: Casi inexistentes (<100cm-2) Resistividad: Máximo de 500Ω·cm (limitado
por las impurezas de C del crisol) Geometría (interferometría laser)
Grosor 200-2500 ± 25 µm Rugosidad < 5Å Deformación < 5 µm
GaAs LEC para circuitos integrados HGF para
aplicaciones ópticas (menos defectos) Lingotes de hasta 20Kg y ∅15cm Dislocaciones: LEC ⇒ 102-103cm-2 Resistividad: Máximo de 108Ω·cm (sustrato
semi-aislante SI) Similar
