Tema 1: Fabricacin de Dispositivos semiconductores

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Tema 1 Fabricación de Dispositivos
semiconductores
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1.1.- Evolución histórica de la tecnología
electrónica.
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Definición de Electrónica   "Electrónica es la
rama de la Ciencia y la Tecnología que se ocupa
del estudio de las leyes que rigen el tránsito
controlado de electrones a través del vacío, de
gases o de semiconductores, así como del estudio
y desarrollo de los dispositivos en los que se
produce este movimiento controlado y de las
aplicaciones que de ello se deriven".
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  Era del tubo de vacío Abarca la primera mitad
del siglo XX 1905 A.Fleming inventa la primera
válvula de vació, el diodo termoiónico   Estos
dispositivos aprovecharon la observación previa
de T.A. Edison (1881) de que, para que pase
corriente entre un electrodo (ánodo) y un
filamento (cátodo), es necesario que el electrodo
sea positivo respecto al filamento. Esta
propiedad fue estudiada por W.Preece en 1885 y el
propio Fleming entre 1890 y 1896 y fue explicada
mediante la teoría de la emisión termoiónica de
Richardson
Ánodo
Cátodo -
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1907 Lee de Forest propone el tríodo, primer
amplificador
1912 el perfeccionamiento alcanzado por los tubos
de vacío hizo posible que F.Lowenstein patentara
el tríodo como amplificador , aumentando el grado
de vacío en su interior, 1916 Hull y Schottky
introducen la rejilla pantalla entre la de
control y el ánodo para disminuir capacidades
dando lugar al tetrodo 1928, cuando B.Tellegen
introdujo una nueva rejilla proponiendo un nuevo
dispositivo el pentodo. Esta última rejilla,
llamada supresora, está conectada cerca del ánodo
y tiene como misión eliminar la emisión
secundaria de electrones,.
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1922 Estaba generalizado el uso de tubos
electrónicos en múltiples aplicaciones
Comunicaciones radio y teléfono
Rectificadores de potencia, Amplificadores de
potencia,  Convertidores DC-AC, (corriente
continua a alterna)  Controladores de motores,
hornos de inducción, etc.  Informática
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1946 Eckert y Mauchly construyen el primer
ordenador electrónico (ENIAC) Diseñado para
calcular tablas balísticas. Utilizaba unos 18000
tubos de vacío. Ocupaba una habitación de 100m2
, pesaba 40Tm, consumía 150kW Trabajaba a una
frecuencia de reloj de 100kHz.. Multiplicación en
2.8mseg
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Problemas de la válvula de vacío    Consumo de
potencia elevado. Fiabilidad. Costo de
fabricación. Tamaño.
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1.1.1   Electrónica de Estado Sólido El gran
avance de la Electrónica, que ha permitido
alcanzar el nivel de desarrollo actual, fue la
sustitución de los tubos de vacío por los
dispositivos semiconductores La utilización de
contactos entre materiales sólidos diferentes
para controlar la corriente eléctrica fue
relativamente temprana 1874, Braun hizo notar la
dependencia de la resistencia de una unión
metal-semiconductor con respecto a la polaridad
de la tensión aplicada y las condiciones de las
superficies de contacto 1904 se utilizó un
dispositivo de puntas de contacto como
rectificador (Diodo) 1920 se había generalizado
el uso comercial de rectificadores cobre-óxido de
cobre o hierro-selenio Intento de primer
transistor de estado solido 1926, J.E.
Liliendfeld patentó cinco estructuras que
corresponden a dispositivos electrónicos
modernos La primera, en 1926, es el "MESFET", La
segunda estructura, en 1928, incorpora un
aislante entre el metal de puerta y el
semiconductor, por tanto se trata de un MISFET o
MOSFET de deplexión
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Primer transistor 1947 En los laboratorios de la
Bell Telephone Shockley Bardeen y Brattain
inventan el Transistor de puntas de contacto.
Consiguieron Nobel en 1956
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1948 Shockley propuso el transistor bipolar de
unión (npn pnp)
1951 Teal, Spark y Buehler construyeron el primer
transistor bipolar de unión con posibilidades
comerciales inmediatas
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1953 Dacey y Ross fabricaron primer transistor de
efecto campo operativo, el FET de unión (JFET).
  1955 I.M.Ross describio la estructura MOSFET
de enriquecimiento tal como se conoce hoy día, es
decir, con uniones p-n en la fuente y el
drenador. A pesar de ser la idea del MOSFET más
antigua que la del BJT, fueron los avances
tecnológicos producidos en el desarrollo del
transistor bipolar los que hicieron viable al de
efecto campo. No obstante habría que esperar a
que se perfeccionara la tecnología para poder
aprovechar toda la potencia del MOSFET   1955
Nacimiento del Silicon Valley en Palo Alto
(California) Hewlett y Packard ,Shockley
Transistor Corporation, Fairchild Semiconductor
Corporation, Texas Instruments
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1958 Kilby de Texas Instruments idea de circuito
integrado, patentó un flip-flop realizado en un
cristal de germanio con interconexiones de
oro 1959 Noyce de Fairchild patentó la idea de
circuito integrado de silicio utilizando en 1960
la tecnología planar para definir, mediante
fotolitografía, transistores y resistencias
interconectados usando líneas delgadas de
aluminio sobre el óxido de pasivación
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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 Actualm
ente ULSI (Ultra Large Scale Integration) mas de
100Millones comp/chip
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(No Transcript)
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Procesador 4004 de Intel
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Procesador Pentiun II
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(No Transcript)
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1.2 Etapas para la fabricación de un
dispositivo
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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
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• 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 impurezaslt1 ppmm (1013 cm-3).

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

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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.
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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

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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
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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
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Tipos de Hornos
Horno vertical
Horno horizontal
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• 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.  
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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
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Litografía

• Luz Ultravioleta
• 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

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Litografía
Tipos de mascaras
Para una oblea entera
Para un solo Chip
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Litografía
Stepper
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Grabado
Húmedo y Seco

• (a) Húmedo
• 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

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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.
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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
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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
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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
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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)
Podemos distinguir entre dos tipos de deposición
según se produzca en el proceso una reacción
química o física

• 1) Chemical vapour deposition (CVD)
• Atmospheric pressure CVD
• Low-pressure CVD
• Plasma-enhanced CVD
• 2) Physical vapour deposition (PVD)
• Evaporation technology
• Sputtering
• Molecular Beam Epitaxy (MBE)

Las técnicas de CVD se suelen usar para depositar
aislante y polisilicio La técnica de CVD y MBE
para depositar semiconductores cristalinos
(Epitaxia) Las técnicas Físicas de evaporación y
Sputtering para metalizaciones
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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.
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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
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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
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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
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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
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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.
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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

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Fabricación de 4 diodos
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Fabricación de un MOSFET
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(No Transcript)