Tema 1: Fabricación de Dispositivos semiconductores

Transcripción

1 Tema 1: Fabricación de Dispositivos semiconductores 1

2 1.1.- Evolución histórica de la tecnología electrónica. 2

3 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". 3

4 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 - 4

5 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 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,. 5

6 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 6

7 1946 Eckert y Mauchly construyen el primer ordenador electrónico (ENIAC) Diseñado para calcular tablas balísticas. Utilizaba unos tubos de vacío. Ocupaba una habitación de 100m 2, pesaba 40Tm, consumía 150kW Trabajaba a una frecuencia de reloj de 100kHz.. Multiplicación en 2.8mseg 7

8 Problemas de la válvula de vacío: Consumo de potencia elevado. Fiabilidad. Costo de fabricación. Tamaño. 8

9 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 metalsemiconductor 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 9

10 1947 En los laboratorios de la Bell Telephone Shockley Bardeen y Brattain inventan el Transistor de puntas de contacto. Consiguieron Nobel en

11 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 11

12 1953 Dacey y Ross fabricaron primer transistor de efecto campo operativo, el FET de unión (JFET) 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 12

13 1958 Kilby de Texas Instruments idea de circuito integrado, patentó un flipflop 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 13

14 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) componentes/chip 1969 LSI (Large Scale Integration) componentes/chip 1975 VLSI (Very Large Scale Integration) mas de 10mil componentes/chip Actualmente ULSI (Ultra Large Scale Integration) mas de 100Millones comp/chip 14

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16 Procesador 4004 de Intel 16

17 Procesador Pentiun II 17

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19 1.2: Etapas para la fabricación de un dispositivo 19

20 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 20

21 1. Purificación del substrato (Fabricación de obleas) Obtención de Si puro 1) Materia prima: Sílice o dióxido de Silicio: SiO 2 (muy abundante, arena de la playa). 2) Reducción del SiO 2 a alta temperatura: Silicio + Carbón a 2000ºC Silicio metalúrgico, Si al 98%. 3) Si metalúrgico + ClH (Clorhídrico) SiHCl 3 TricloroSilano 4) Destilación del SiHCl 3 SiHCl 3 TricloroSilano puro. 5) Reducción del SiHCl 3 SiHCl 3 + H 2 Si de alta pureza Si Policristalino Concentración impurezas<1 ppmm (10 13 cm -3 ). 21

22 El Silicio policristalino 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. 22

23 Dos métodos para obtener Si cristalino a) Método de Czochraiski b) Método de Zona flotante 23

24 Método de Czochralski Es el método empleado en el 90% (a) Horno Crisol de sílice fundida (SiO2) Soporte de grafito Mecanismo de rotación Calentador aparato denominado "puller" (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. 24

25 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 25

26 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. 26

27 El Silicio fabricado por el método de Czochralski contiene oxigeno, debido a la disolución del crisol de Sílice (SiO 2 ). 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. 27

28 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 28

29 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 29

30 Dos tipos de oxidación: Seca y húmeda Oxidación Húmeda Se introduce vapor de agua en el horno Si(s) +2H 2 O(g) SiO 2 (s) + 2H 2 (g) Es mucho mas rápida y se utiliza para crear óxidos gruesos Oxidación seca Se introduce gas de oxigeno puro Si(s) + O 2 (g) SiO 2 (s) + 2H 2 (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 30

31 Tipos de Hornos Horno vertical Horno horizontal 31

32 En la oxidación térmica parte de la capa de Si se consume La interface Si-SiO 2 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-SiO 2 Espesor varia linealmente con el tiempo. Espesor t 2º Cuando el espesor es grande Crecimiento limitado por la difusión de las especies oxidantes Espesor proporcional a la raíz cuadrada del tiempo. Espesor t 32

33 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 SiO 2 no protegido por la fotoresina Se elimina la fotoresina con un disolvente Sulfúrico SO 4 H 2 33

34 Litografía Diferentes fuentes de luz Luz Ultravioleta Rayos X Haces de electrones 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 34

35 Litografía Tipos de mascaras Para una oblea entera Para un solo Chip 35

36 Litografía Stepper 36

37 Grabado Húmedo y Seco (a) Húmedo: Baño de ácido fluorhídrico o clorhídrico que ataca SiO 2 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 37

38 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. 38

39 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: 39

40 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 40

41 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 41

42 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 42

43 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. 43

44 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 44

45 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: 45

46 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 46

47 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 47

48 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. 48

49 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 49

50 Fabricación de 4 diodos 50

51 Fabricación de un MOSFET 51

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