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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,

1913 Meissner patentara su aplicación como oscilador.

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

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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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

Actualmente ULSI (Ultra Large Scale Integration) mas de 100Millones comp/chip

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Procesador 4004 de Intel

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Procesador Pentiun II

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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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1. Purificación del substrato (Fabricación de obleas)

Obtención de Si puro

1) 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).

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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.

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

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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 grafitoMecanismo 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 horizontal

Horno vertical

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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.  

• 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

2º Cuando el espesor es grande Crecimiento limitado por la difusión de las especies oxidantes Espesor proporcional a la raíz cuadrada del tiempo.  

tEspesor

tEspesor

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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

Diferentes fuentes de luz

• Luz Ultravioleta

• Rayos X

• Haces de electrones

Litografía con luz ultravioleta Es la más utilizada

Litografía con rayos X • Menor longitud de onda Mayor resolución

• Problemas mascaras difíciles de fabricar

• Radiación puede dañar el dispositivo

Para una buena resolución (longitud de onda de la luz) tiene que ser lo suficientemente pequeña para evitar efectos de difracción

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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GrabadoHúmedo 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 deestaño 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 sonrepelidos 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)

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)

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

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 polisilicio

se utiliza un reactor LPCVD a una temperatura entre 600 y 650º C donde se produce la pirolisis del silano:

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

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Molecular Beam epitaxy MBE

Recipiente al vacío

No hay reacción química

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.

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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

En un crisol de nitrurode boro se calienta el Al mediante inducción RF.

Filamento de tungsteno. De cada espira del filamento se cuelga un pequeño trozo de aluminio.

Evaporación por haces de electrones.Un filamento suministra un haz de electrones que son aceleradospor un campo eléctrico y conducidos hacia la superficie del metal donde al chocar conéste 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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