Técnicas Básicas para obtener un Circuito Integrado
INTRODUCCION
En pocos años, la Microelectrónica ha pasado de ser una curiosidad de laboratorio, a ser una industria próspera y base activa de todo el mercado de la electrónica; además, fuera de éste campo exclusivo interviene cada vez más en la técnica y la economía y contribuye a modelar una nueva civilización.
La microelectrónica acentúa el potente impulso que han dado los transistores a ña segunda revolución industrial; como se sabe, esta tiende a remplazar con las máquinas, no solo la fuerza muscular, sino a la inteligencia.
Por esto, se ha producido en la historia de la técnica un desarrollo tan impetuoso como el que tiene lugar en la actualidad con los circuitos integrados y sus aplicaciones.
Los más favorecidos inicialmente fueron los circuitos integrados numéricos, los cuales se beneficiaron del vasto mercado de las calculadoras. Así como de un prejuicio favorable, y en efecto, pronosticaron que las técnicas analógicas estaban abocadas a su pronta desaparición. Ahora bien, con el paso de los años, los circuitos integrados lineales han irrumpido en el mercado y han sobresalido más.
Actualmente existen dos grandes familias de microestructuras que se fabrican a escala industrial o seudoindustrial:
- Los circuitos Integrados sobre substrato semiconductor (Circuitos Integrados Monolíticos).
- Los circuitos Integrados sobre substrato aislante (Circuitos Hibridos).
En las estructuras híbridas, los elementos activos (transistores) están incorporados en el propio circuito integrado, el cual no contiene entonces los componentes pasivos. Por otra parte los circuitos híbridos se dividen en dos subcategorías:
- Circuitos Híbridos de película gruesa, obtenidos por Serigrafía
- Circuitos Híbridos de película delgada, obtenidos por Evaporación al vacío y Pulverización Catódica.
Por el contrario las estructuras monolíticas se producen simultáneamente todos los componentes, en el curso de un único proceso, y están depositados sobre un substrato de Silicio.
Las dos técnicas se complementan cada vez más en lugar de hacerse competencia, puesto que se fabrican circuitos integrados complejos, múltiples, en montajes híbridos de chips, etc.
VENTAJAS DE LOS CIRCUITOS INTEGRADOS.-
La Integración no constituye simplemente un medio, sino que corresponde a necesidades pr4ecisas. En efecto los circuitos integrados tienen 4 propiedades esenciales:
- Pequeño Volumen.
- Fiabilidad.
- Economía.
- Prestaciones.
Comparando las ventajas que ofrecen los circuitos integrados monolíticos e híbridos.
A) Para circuitos Monolìtics:
En cuanto a ACTIVOS:
- Mayor capacidad.
- Mayor fiabilidad.
- Menor costo en grandes series.
En cuanto a PASIVOS
- No puede ser fabricado cada elemento con las características óptimas.
- Es difícil obtener ciertos elementos pasivos.
- El precio de pequeñas series aumenta.
B) Para circuitos Híbridos
- Se puede componer una vasta gama de componentes pasivos.
- Sus tolerancias pueden ser muy pequeñas o muy estrechas.
- No existen acoplamientos parásitos por el substrato (aislante)
- Los precios de pequeñas series son menores.
EL CIRCUITO INTEGRADO ELEMENTAL MONOLITICO:
Elaboración de un circuito integrado
Destinado a realizar una función determinada, el circuito integrado monolítico constituye un conjunto indivisible de componentes producidos simultáneamente en el curso de un mismo proceso de fabricación.
El material de partida es una pequeña placa monocristalina de silicio de tipo p, llamada substrato, de 3 a 5 cm de diámetro aproximadamente y de 0,25 min de espesor. Sobre ésta son creados sucesivamente todos los elementos de un cierto número de circuitos idénticos cuyas dimensiones se procura reducir por razones evidentes de economía, pero también con el fin de disminuir las capacidades parásitas.
Cada circuito integrado_ está pues elaborado sobre una pequeña parte del substrato, – precisamente sobre un «cristal» de dimensiones comprendidas entre 2 x 2 mm y 0,5 x 0,5 mm.
Una vez terminado el proceso «físico» de fabricación, se corta la placa original a fin de obtener los circuitos elementales. Entonces comienza la- segunda fase de fabricación, el montaje, o encapsulacíón: cada circuito integrado se monta en su caja o cápsula y es provisto de sus conexiones. Desde luego, estas diferentes etapas se obtienen por una serie de manipulaciones.
EL SUBESTRATO P:
El fabricante produce un cristal p de varias pulgadas de largo y de 1 a 2 de diámetro que se corta en delgadas obleas. Un lado de estas obleas se empareja y pule hasta obtener una superficie libre de imperfecciones. La oblea resultante se denomina el subestrato p y se empleará como chasis para los componentes integrados.
TECNICA EPITAXIAL:
Enseguida, las obleas se colocan en un horno donde una mezcla de gases de silicio y de átomos pentavalentes circula sobre ellas. En esta forma, se obtiene una capa delgada de semiconductor tipo n sobre la superficie caliente del subestrato (esta capa delgada se denomina capa epitaxial. La capa epitaxial tiene entre 0.1 y 1 mil de espesor.
Consiste en crear por el proceso de crecimiento y partiendo de una fase de vapor sobre la superficie de un monocristal calentado hasta una alta temperatura átomos que se colocan ordenadamente de acuerdo a la estructura del monocristal.
El substrato monocristalino y el depósito constituyen entonces un cristal único. La capa epitaxial tiene un espesor comprendido entre 6 y 15 micrómetros aproximadamente y su resistividad es función de las impurezas de dopado del orden de 0,5 ohm * cm.
La reacción química que conduce a la creación de la capa epitaxial, se efectúa en un cilindro horizontal de cuarzo, llamado: «reacto»,el cual se calienta por inducción de alta frecuencia.
LA CAPA DE AISLAMIENTO
Para prevenir que la capa epitaxial se contamine, se sopla oxígeno puro por la superficie de la oblea. Los átomos de oxígeno se combinan con los átomos de silicio y forman una capa de dióxido de silicio (SiO2) Esta capa, parecida al vidrio, de Si02 sella la superficie y evita posteriores reacciones químicas; este tipo de sellado de la superficie se conoce por el nombre de inactivación.
BASES DE INTEGRADO
Cada una de estas áreas se separa después que la oblea se corte en cuadrados. Antes que la oblea sea cortada, el fabricante ha producido cientos de circuitos en ella. Este sistema de producción masiva en forma simultánea es la razón del bajo costo de los circuitos integrados.
LA FORMACIÓN DE UN TRANSISTOR
Esta es la forma como se realiza un transistor de circuito integrado: una parte de la capa de SiO2 SC remueve dejando expuesta la capa epitaxial; luego, la oblea se introduce en el horno y se difunden átomos trivalentes al interior de la capa epitaxial. La concentración de átomos trivalentes es bastante grande como para cambiar la capa epitaxial expuesta de tipo n a tipo p. Por tanto, se obtiene una isla de material semiconductor tipo n debajo de la capa de SiO2.
De nuevo, se hace circular oxígeno sobre la oblea para formar la capa completa de Si02, donde se abre una nueva abertura en el centro de la capa de SiO2; la cual expone solamente una parte de la capa epitaxial tipo n. La abertura se denomina una ventana y se observa a través de ella lo que construirá el colector del transistor.
Para obtener la base se introducen átomos trivalentes de dicha ventana los cuales difundirán en la capa epitaxial tipo n, invirtiendo las características de ésta y formando una isla de material tipo p. Posteriormente, la capa de Sio2 es regenerada al hacer circular oxígeno por la superficie de la oblea
Para formar el emisor se abre una nueva ventana en la capa de S'02 y se expone parte de la isla p. Difundiendo átomos pentávalentes al interior de la capa p, se forma una pequeña isla n. Finalmente, se inactiva la superficie de la estructura haciendo pasar oxígeno sobre la superficie de la oblea.
Para obtener un circuito integrado tenemos siete técnicas básicas. Dichas técnicas son:
MASCARA
El layout esta compuesto por diferentes materiales: metales, polisilicio, áreas activas (P o N)… a cada uno le corresponde una mascara. En el proceso de fabricación trabajamos solo en una mascara cada vez hasta completar todas las correspondientes al layout.
La mascara es un material transparente, de vidrio, cristal o cuarzo, cubierto de un material opaco, el cromo, que es eliminado sucesivamente. Podemos generar copias de un mismo circuito integrado a partir de la mascara maestra, a partir de esta podremos reproducirla en la oblea en cada lugar que nos interese.
FOTOLITOGRAFIA
La fotolitografía es una tecnología que nos ayuda a transferir la información de la mascara sobre la oblea, separando las zonas donde queramos que este. El proceso se basa en cuatro apartados:
- Cubrir la oblea con un material fotosensible (resina).
- Colocar la mascara encima de la oblea.
- Proyectar haces de luz ultravioleta para cambiar la resina.
- Atacar con disolventes, según la resistencia de la resina, esta desaparecerá o no.
La resina define las zonas de actuación. Se graba en el SiO2 que no esta protegido. Al comernos la resina con la luz sabemos que puntos del SiO2 hemos conservado. Existen dos tipos de resinas:
- Positiva: no soluble pero con la luz pasa a serlo. Es poco sensible pero obtenemos buena resolución, obtenemos bien la forma deseada.
- Negativa: soluble pero con la luz pasa a no serlo.
Según la proyección las mascaras de dividen en:
- Mascaras de proyección: se sitúan a una cierta distancia de la oblea sin tocarla. Tienen el inconveniente de que el coste del equipo de fabricación es muy elevado y tenemos problemas de difracción.
- Mascaras de contacto: se sitúan encima de la oblea, obteniendo menor difraccion y por lo tanto mayor resolución. Tiene el inconveniente de que se deterioran rápidamente.
Para solucionar algunos de los problemas podemos utilizar diversas alternativas:
- Utilizar rayos de luz de frecuencia mas elevada, por ejemplo rayos X.
- Técnica "Electron-Bean", barrido de electrones. Obtenemos mas precisión y podemos prescindir de la mascara, pero es una técnica muy lenta en ejecución y tiene un coste muy elevado.
OXIDACION
La oxidación sirve para hacer crecer o depositar una capa de silicio (SiO2). Esta tiene diversas utilidades:
- Para mascara para el proceso de difusión.
- Capa de oxido grueso, de campo, que sirve como aislante.
- Capa de oxido delgado, de puerta, como dieléctrico.
Para conseguir hacer crecer el silicio utilizamos la técnica de oxidación térmica, la cual presenta otras dos:
- Oxidación húmeda. Para ello se utiliza vapor de agua sobre la oblea a una temperatura de 900 a 1000 grados. Es un proceso rápido, crece 1 um de SiO2 cada 2 horas. Tenemos mínimo control sobre el crecimiento, por lo tanto la utilizaremos para oxido de campo.
- Oxidación seca. Utilizamos una atmósfera rica en oxigeno, entre 1100 y 1200 grados. Es un proceso lento, crece 1 um de SiO2 en 40 horas. Obtenemos mas precisión y más control del grueso, útil para determinar exactamente la altura del oxido.
Durante la oxidación se produce una reacción química, y una difusión de O2 a través del SiO2. Cuando aplicamos la oxidación a la superficie del silicio, esta consume parte del silicio, aproximadamente un 4% del grosor final del SiO2. También se utiliza esta técnica para igualar etapas anteriores.
Los crecimientos selectivos se realizan dopando con Si3N4, nitruro de silicio. Este crecimiento se produce en todas las direcciones, apareciendo el "pico de pájaro", para este efecto tenemos que aplicar factores de corrección.
DEPOSITACION:
La deposición se trata de depositar una capa fina de una substancia encima de la oblea, después eliminarla selectivamente con el proceso fotolitografico y de oxidación. Se recorta el material para obtener el layer. El proceso se basa en introducir substancias en estado gaseoso a baja presión. Existen dos tipos de procesos:
- Physical Vapor Deposition (LPPVD). No tenemos reacción química durante el deposito. Ejemplo: aluminio.
- Chemical Vapor Deposition (LPCVD). Diferentes substancias externas reaccionan para producir el material depositado. Ejemplo: polisicio, SiO2, Si3N4.
No hay reacciones químicas con el substrato y la composición química del layer es independiente de la del substrato, por lo tanto no tenemos consumo sobre dicho substrato. Permite hacer depósitos de una gran variedad de materiales, por lo tanto su utilización es elevada. El layer refleja la tipología del substrato, nos muestra espesores no uniformes y rompimientos, cosa que nos provoca una distribución no uniforme de la densidad de corriente.
En una deposición (CVD) de Si monocristalino sobre un substrato de Si monocristalino, tenemos epitafia en la deposición cuando la estructura del cristal que crece es idéntica a la del substrato. Utilizamos diferentes materiales: monocristalinos, policristalinos y amorfos. Util poder hacer crecer un Si con la misma estructura que la del substrato, pero tenemos el inconveniente de que es muy sensible a defectos y a la contaminación, la cual cosa implica un aumento de los defectos.
GRABADO:
El grabado sirve para no tener la oblea cubierta con todo el material, para eliminar los brazos de las zonas donde no queremos que haya material. Atacamos el material eliminandolo donde no haya mascara, resina en general. Esta técnica es muy selectiva, solo ataca aquello que queremos, y presenta un alto grado de emisotropia, puede atacar sobre una o varias direcciones. Existen tres tipos de grabados:
- Químico. Eliminamos el material por reacción química, disolución. Muy selectivo y presenta isotropia, ataca en todas las direcciones.
- Físico. Bombardeo de iones a altas energías. Poco selectivo y presenta anisotropia, solo ataca en una dirección.
- Quimico-Fisico. El material es eliminado al bombardeo con iones que reaccionan químicamente con el.
Grabado húmedo. Es un proceso isotópico que ataca con agentes químicos en estado liquido. Presenta una deformación lateral del material respecto a la mascara deseada, y las zonas protegidas por la resina no se disuelven.
Grabado seco. Es un proceso anisotropico y selectivo que ataca con gases a bajas presiones. Combina las aventajas de los grabados químicos y físicos. Obtenemos las capas perfectamente definidas, sin protección y se come el SiO2. Los resultados son similares a la de la mascara. Util para fabricar dispositivos de geometría fina.
DIFUSION:
La difusión permite a los átomos moverse dentro de un sólido introduciendo en estos substratos diferentes, por ejemplo introducimos de los tipos N dentro del P o viceversa. Si introducimos un dopaje del tipo N en grandes cantidades, el substrato se convierte en P.
Sirve para introducir impurezas en el Sí: boro para obtener zonas tipo P y fósforo, arsénico o antimonio para N. Requiere altas temperaturas, entre 900 y 1100 grados, y la concentración de impurezas no se presenta uniformemente. Contra mas tiempo estemos introduciendo el dopaje mas dopado se presentara el metal. Las altas temperaturas después de la difusión pueden provocar una redistribución de las impurezas.
Difusión selectiva. Se utiliza el SiO2 como mascara, y presenta un bajo coeficiente de difusión de las impurezas. Se produce difusión lateral obteniendo una región más grande que la mascara, teniéndolo en cuenta en el diseño, y hace una distribución creciente de las impurezas, dependiendo de la temperatura y del tiempo. La unión PN se produce en la concentración de impurezas igual a la existente en el substrato.
Difusión con fuente de dopaje constante. La oblea se recubre con una concentración constante de impurezas. Los átomos se difusionan hacia el interior del Sí, la concentración a la superficie se mantiene. La temperatura y el tiempo determinaran el numero de impurezas que se transfieren al Si.
Difusión en dos fases. Primero difusionamos con una fuente de dopaje constante. Luego eliminamos la fuente de dopantes a través de un grabado que elimina el dopante sobre la superficie, o sino con el crecimiento de oxido entre el Si y dopante. Después se redistribuye las impurezas introducidas. No introducimos mas átomos, estos se difusionan porque separamos la fuente de dopaje.
IMPLANTACION:
La implementación se basa en el bombardeo con iones dopados. Las ventajas de esta técnica son que es un proceso a bajas temperaturas y obtenemos mas precisión con las impurezas, reduciendo el crecimiento lateral y introduciendo el dopaje a mayor profundidad. Tenemos gran variedad de material por mascara: SiO2, polisilicio, metales, resines… Solo hace falta que tengan un gran grosor.
La concentración mas alta no esta necesariamente sobre la superficie, la parte menos profunda. Es un proceso más controlable que la difusión, pero deteriora la estructura del Si, degradando las propiedades del cristal de Si. No obstante hace falta un proceso térmico para redistribuir las impurezas y reparar los defectos de la estructura cristalina.
Autor:
Alejandro Tapia Islas