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Tema 1 Fabricaci de Dispositivo

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Tema 1 Fabricaci de Dispositivo Powered By Docstoc
					Tema 1:
Fabricación de Dispositivos
semiconductores



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1.1.- Evolución histórica de la
tecnología electrónica.




                                  2
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 -



                                                                                         4
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,.                                       5
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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15
Procesador 4004 de Intel




                           16
Procesador Pentiun II




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18
1.2: Etapas para la fabricación
   de un dispositivo




                                  19
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).
                                                                        21
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.
                                                                      24
  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
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
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.




                                                                      27
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
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
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


                                                                                       30
  Tipos de Hornos
                    Horno vertical



Horno horizontal




                                     31
    • 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  t
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.
                                                                   Espesor  t
                                                                                 32
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
                                                                            33
   Litografía
                                    • Luz Ultravioleta
      Diferentes fuentes de luz     • 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
Litografía

Tipos de mascaras

             Para una oblea entera




                                     Para un solo Chip




                                                         35
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
                                                                37
 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
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
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
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
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
 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
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
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
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
  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
           Varias técnicas para evaporar el metal




Filamento de tungsteno. De     En un crisol de nitruro     Evaporación por haces de
cada espira del filamento se   de boro se calienta el Al   electrones.
cuelga un pequeño trozo de     mediante inducción RF.      Un filamento suministra un haz
aluminio.                                                  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
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
Fabricación de 4
diodos




                   50
Fabricación de un MOSFET




                           51
52

				
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