Semiconductores

Figura 1.1.2: Pasos para la fabricación de una oblea

Nos centraremos en explicar el proceso de fabricación de una oblea de Si.

1.1.1 Purificación del substrato (obtención de Si puro) (UA 2)

Se parte de la cuarcita (SiO2) forma relativamente pura de arena. Esta se coloca en un horno junto con varias formas de carbón (hulla, coke, astillas de madera), dando lugar a la reacción siguiente:

SiC(sólido) + SiO2(sólido) → Si(sólido) + SiO(gas) + CO(gas)

Esta reacción produce silicio metalúrgico (MGS) con una pureza del 98%. Este silicio no es todavía lo suficientemente puro para poder utilizarlo en la fabricación de circuitos electrónicos. Por tanto es necesario un proceso de purificación. Para llevar a cabo tal proceso, el silicio es pulverizado y tratado con cloruro de hidrógeno para obtener triclorosilano (SiHCl3 ), de acuerdo con la reacción:

SiO2(sólido) + 3HCl(gas) → SiHCl3(gas) + H2(gas)

A temperatura ambiente el triclorosilano es un líquido. La destilación fraccionada de este líquido permite eliminar las impurezas indeseadas. A continuación, el triclorosilano se reduce con hidrógeno para obtener silicio electrónico (EGS : Electronic Grade Silicon):

SiHCl3(gas) + H2(gas) → Si(sólido) + 3HCl(gas)

Esta reacción tiene lugar en un reactor que contiene una barra de silicio caliente que sirve para que el silicio electrónico se deposite sobre ella. El EGS es un silicio policristalino de alta pureza (concentración de impurezas en una parte por mil millones) y es el elemento de partida para crear silicio monocristalino.

Clasificación un material sólido según su ordenación atómica:

(a) Estructura cristalina

(b) Estructura amorfa

(c) Estructura policristalina

La estructura cristalina (a) y la amorfa (b) son ilustradas con una vista microscópica de sus átomos, mientras que la estructura policristalina (c) se muestra de una forma más macroscópica con sus pequeños cristales con distinta orientación pegados unos con otros

1.1.2 Crecimiento en volumen

Una vez que se ha conseguido silicio de alta pureza o EGS (Electronic grade Silicon). Para la fabricación de un CI se requiere Silicio con estructura cristalina. Para conseguir un cristal de Si se pueden utilizar varias técnicas. Las más importantes son:

a) El método de Czochralski

b) El método de Zona Flotante

(a) Método de Czochralski. (Unidad de aprendizaje 3)

El método de Czochralski es el método empleado en el 90% de los casos para obtener silicio monocristalino a partir de silicio policristalino (EGS). Este método utiliza para el crecimiento de cristales un aparato denominado ‘puller’, que consta de tres componentes principales como muestra la Figura 1.1.3

(a) Un horno, que incluye un crisol de sílice fundida (SiO2 ), un soporte de grafito, un mecanismo de rotación (en el sentido de las agujas del reloj) un calentador y una fuente de alimentación.

(b) Mecanismo de crecimiento del cristal, que incluye un soporte para la semilla (muestra patrón del cristal que se pretende crecer) y un mecanismo de rotación (en el sentido contrario al de las agujas del reloj).

(c) Mecanismo del control de ambiente. Incluye una fuente gaseosa (argón por ejemplo), un mecanismo para controlar el flujo gaseoso y un sistema de vaciado.

Figura 1.1.3: Esquema de un Puller. Fuente:Libro VLSI technology de Sze

El proceso de crecimiento se detalla a continuación:

• El silicio policristalino (EGS) se coloca en el crisol y el horno se calienta a una temperatura superior a la de fusión del silicio obteniéndose el material fundido (MELT).

Figura 1.1.4: Silicio policristalino en un crisol de cuarzo. Fuente: http://www.sumcosi.com/laboratory/laboratory1.html

• Se suspende sobre el crisol una muestra pequeña del tipo

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