TEMA 2. Tecnología y fabricación de CIs. Crecimiento, Preparación y Caracterización de Materiales Electrónicos

Transcripción

1 TEMA 2 Tecnología y fabricación de CIs Crecimiento, Preparación y Caracterización de Materiales Electrónicos

2 I. Revisión histórica de la tecnología de SC: VLSI El primer circuito integrado (CI) fue inventado por Kilby en 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 SiO 2 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). Primer CI fabricado por Kilby Desde estos primeros circuitos, los CIs han evolucionado en a circuitos electrónicos complejos que contienen 10 6 o mas componentes individuales en un único chip (Very Large Scale of Integration o VLSI). Chip de MIT (Massachusets Institute of Technology)

3 I. Revisión histórica de la tecnología de SC: VLSI En la actualidad: Chip de Aplicaciones en robótica

4 I. Crecimiento de Materiales Electrónicos El factor más importante continua reducción de las dimensiones del dispositivo (enorme avance de todos los procesos tecnológicos). Ventas de Semiconductores (Billones de $) Distribución Geográfica (%) Año America Europa Japón Resto Evolución de las ventas de semiconductores en los últimos 15 años y distribución geográfica de la misma Año 00 01

5 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 SiO 2 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. Circuitos Integrados Componentes Discretos Dispositivos Optoelectrónicos 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. Mercado de Circuitos Integrados Si 99% GaAs 1% Mercado de aplicaciones de alta frecuencia

6 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 ( % 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

7 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 SiO 2 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). Procesos de fabricación del monocristal

8 V. Obtención de Si : refinado 1.- Purificación: Refinado: Obtención de Silicio de grado metalúrgico (MGS) el SiO 2 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) SiO 2 + 2C Si + 2 CO 2 (gas) 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 10 9 átomos (un billón) de átomos de Si % de impurezas (9 N) de pureza Como una pelota de tenis en una fila de pelotas de pingpong colocadas entre la tierra y la luna

9 V. Obtención de Si : refinado

10 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= %). SiHCl 3 (gas) + 3H 2 (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 Columna de destilación

11 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 Silicio Policristalino 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) Silicio Monocristalino

12 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 mm/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)

13 VII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ 2.a. Método Czochralski (CZ): Detalles del crecimiento del monocristal (método CZ)

14 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.

15 VII. Obtención de Si : Crecimiento monocristal CZ 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) Contaminación: El crisol actúa como fuente de impurezas (O 2,C) Oxígeno (impureza aceptora profunda no deseada) que proviene de la corrosión de Si (SIO 2 )

16 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 (C L ) es diferente a la concentración de impurezas de la fase sólida (C S ) Dopantes del Si k 0 Coef. de segregación de impurezas k 0 = C S / C L k 0 no depende de la concentración de impurezas, sino del tipo de impureza (Ver tabla) k 0 en Boro, es el más alto (próximo a 1) En general k 0 <1 C S < C L 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.

17 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 C M (1/m 3 ) Ejemplo nº 1: Sb (k0 =0.02) las impurezas de Sb se incorporan difícilmente a la muestra Ejemplo nº 2: Supongamos k 0 =0.1 X=0 C S / C M =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 C S / C M =0.186 X=0.9 C S / C M =0.794 (pueden llegar al 79 % al final) Ejemplo nº 3: Supongamos k 0 =0.72 Boro X=0 C S / C M =0.72 (comienzan en el 72 %) X=0.5 C S / C M =0.87 X=0.9 C S / C M =1.71 las impurezas de B se incorporan rápidamente a medida que se crece el lingote de Silicio

18 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. Método CZ Método FZ

19 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 k 0 = C S /C L <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 Realización experimental del crecimiento del monocristal mediante el método FZ

20 VIII. Obtención de Si : Floating Zone (FZ) (III) 2.b. Métodos de refinado por zonas, zona fundida (Float Zone, FZ).

21 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 C S /C M 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 C S y C M. 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. Realización experimental del crecimiento del monocristal mediante el método FZ

22 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. 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

23 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: ºC y 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

24 IX. Obtención de GaAs (III) 2. Método LEC (liquid encapsulated Czochralski): Utiliza una capa de líquido inerte: B 2 O 3 (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 B 2 O 3 : 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

25 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

26 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. cortado 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. perfilado

27 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.

28 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 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 ± 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 cm -2 Resistividad: Máximo de 10 8 Ω cm (sustrato semi-aislante SI) Similar