TEMA 2 - OCW Usal

TEMA 2
Tecnología y fabricación de CIs
Crecimiento, Preparación y
Caracterización de Materiales
Electrónicos
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Revisión histórica de la tecnología de SC: VLSI
El primer circuito integrado (CI) fue inventado por
Kilby en 1958.
Otros primeros pasos:
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.
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 of
Integration o VLSI).
Chip de 1978. MIT
(Massachusets Institute of Technology)
[email protected]
Primer CI fabricado por Kilby
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Revisión histórica de la tecnología de SC: VLSI
En la actualidad:
Chip de 2005. Aplicaciones en robótica
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Crecimiento de Materiales Electrónicos
El factor más importante ⇒ continua reducción de las dimensiones del dispositivo (enorme
avance de todos los procesos tecnológicos).
25
60
America
Europa
Japón
Resto
50
Distribución Geográfica (%)
Ventas de Semiconductores (Billones de $)
20
15
40
30
20
10
Evolución de las
ventas de
semiconductores
en los últimos 15
años y distribución
geográfica de la
misma
0
10
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
00
01
Año
5
0
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
Año
[email protected]
94
95
96
97
98
99
00
01
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Diferentes tecnologías
Hoy en día la tecnología que domina el mercado de la industria electrónica es la
tecnología digital de circuitos integrados MOS de silicio. Las razones de su uso
extendido
La facilidad de controlar su óxido SiO2
Otros avances tecnológicos (proceso planar), etc.
Año 2000
Sin embargo para aplicaciones de
alta frecuencia y aplicaciones
optoelectrónicas, la tecnología de
GaAs y dispositivos basados en
semiconductores compuestos III-V ha
sufrido un gran aumento en el
mercado.
Necesidad de conocer los materiales
y los procesos utilizados en la
fabricación de los dispositivos para
visualizar la construcción y
comprender las propiedades y las
limitaciones tecnológicas de los
mismos.
[email protected]
Circuitos Integrados
Componentes Discretos
Dispositivos Optoelectrónicos
Mercado de Circuitos Integrados
Si 99%
GaAs 1%
Mercado de aplicaciones de alta frecuencia
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
III. Silicio vs GaAs
Ventajas del Si
Es muy abundante en la naturaleza ⇒ barato
Ejemplo: 200$/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)
Característica velocidad-campo
eléctrico del Si y del GaAs a 300 K
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
IV. Obtención y preparación de obleas de Si
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.
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).
[email protected]
Procesos de fabricación del
monocristal
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
V. Obtención de Si : refinado
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)
Obtención
de MGS
SiO2 + 2C Si + 2 CO2 (gas)
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 pingpong colocadas entre la tierra y la luna
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
V. Obtención de Si : refinado
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
VI. Obtención de Si : procesado
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)
En este punto se
obtiene EGS: es silicio
policristalino compuesto por
muchos cristales
Proceso químico de obtención del Silicio EGS
[email protected]
Columna de destilación
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
VI. Obtención de Si : procesado
Mediante el procesado químico hemos obtenido EGS
(Silicio de alta pureza): 6-7 N
Tiene una orientación cristalográfica aleatoria es
policristalino compuesto de muchos cristales (de
tamaño micrométrico)
Silicio Policristalino
Una vez obtenido el material semiconductor con el
grado de pureza requerido transformarlo en
monocristal.
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
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)
[email protected]
Silicio Monocristalino
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
VII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ
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.
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)
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
VII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ
2.a. Método Czochralski (CZ):
Detalles del crecimiento del monocristal
(método CZ)
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
VII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal 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
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.
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
VII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ
2.a. Método Czochralski (CZ) : ( II )
El diámetro de los lingotes cilíndricos se controla mediante:
El coste en la producción de cristales mediante el método
CZ es debido:
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
Material, maquinaria, personal...
El crisol de cuarzo es monouso (dado que se contamina
con impurezas y sufre grietas al enfriarse)
Contaminación:
El crisol actúa como fuente de impurezas (O2,C)
Oxígeno (impureza aceptora profunda no deseada) que
proviene de la corrosión de Si (SIO2)
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
VII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ
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:
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.
[email protected]
Dopantes del Si
k0
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
VII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ
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
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
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
VIII. 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.
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.
[email protected]
Método CZ
Método FZ
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
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)
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
[email protected]
Realización experimental del crecimiento del
monocristal mediante el método FZ
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
VIII. Obtención de Si : Floating Zone (FZ) (III)
2.b. Métodos de refinado por zonas, zona fundida (Float Zone, FZ).
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
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).
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.
[email protected]
Realización experimental del
crecimiento del monocristal
mediante el método FZ
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
IX. Obtención de GaAs (I)
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
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.
líquido
GaAs + líquido
GaAs + líquido
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.
[email protected]
Diagrama de fases del GaAs
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
IX. Obtención de GaAs (II)
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.
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 GaAs
es lenta y controlada (muchas horas) al
pasar por el gradiente de temperatura.
Se obtiene GaAs policristalino ⇒ material
de partida del monocristal.
Horno de gradiente horizontal y
perfil típico de temperatura para el
crecimiento de GaAs
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
IX. Obtención de GaAs (III)
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.
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)
Horno de crecimiento de GaAs
mediante el método CZ
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
II. Preparación de las obleas de Si y GaAs
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.
torneado
Identificación de
los biseles en una
oblea de Silicio
cortado
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
II. Preparación de las obleas de Si y GaAs
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.
[email protected]
cortado
perfilado
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
II. Preparación de las obleas de Si y GaAs
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.
[email protected]
Tema 2. Tecnología y Fabricación de CIs
II. Preparación de las obleas de Si y GaAs
CARACTERIZACIÓN:
inspección de defectos
Defectos: Las dislocaciones se revisan
mediante un sistema de procesado de imagen
Si
GaAs
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
[email protected]
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