Materiales semiconductores

Con la invención de un amplificador de Estado Sólido en 1947, por Shockley, Bardeen, and Brattain, la posibilidad del aumento en la integración en el mismo cristal es una realidad. En las últimas décadas, y hoy en día se aumenta el numero de componentes que se introducen en el mismo cristal. Esta industria es altamente rentable, pero las inversiones en desarrollo son también muy altas, lo que hace que las inversiones sean a la largo plazo. Lo que hace que la industria microelectrónica sea rentable es que su procesos de fabricación (Batch Processing), funcione correctamente. Esto hace que en cada chip sea de 8mm de lado, que hace que en cada oblea tengamos de 120-130 circuitos. Cada oblea es tratada de forma que todos los circuitos se hacen a la vez, pasando por el mismo proceso en el mismo instante. Aunque hay procesos como el encapsulado y el testéo, que se deben hacer individualmente.

-¿Qué semiconductores son aptos para hacer dispositivos electrónicos ?
Los elementos del tipo IV (Columna del Silicio), son los más indicados para utilizarlos como semiconductores. Aunque para que funcionen como tal deben de tener un gap comprendido, entre 0.5 y 1 eV aproximadamente. Aunque como bien se sabe ya el Gap de un semiconductor se puede variar añadiendo impurezas a este.
Pero no solo los elementos de la columna IV, son candidatos a buenos semiconductores, sino la combinación de los elementos de las columnas de al lado la III y la V, también lo son. P.e. GaAs
Ga Ge As
También otros dos elementos que se combinan como buenos semiconductores, es el GaP. Los elementos del grupo IV-VI, también se combinan formando semiconductores de Gap muy pequeños, pero de enorme importancia en el ámbito militar, y en la detección de infrarrojos.
P.e. PbSe (Galena)
De todas maneras, son pocos los elementos, los cuales los podemos hacer crecer como cristales.
Ahora vamos a hacer una breve historia de los dispositivos electrónicos :
1904- Primer detector de Ondas de Radio (Unión metal-PbSe)
1940-1945 Se desarrollan en Alemania. Detectores de radiación (Térmica)
Aplicación en la detección de aviones.
1547 Transistor Bipolar (Germanio)
1959 Circuitos Integrados
1961 Tecnología planar desarrollada por Fairchild Semiconductor
1963 MOSFET- Aunque la idea era anterior, por problemas tecnológicos no se pudo desarrollar ( Creación de el óxido semiconductor)
-Conceptos Industriales de Producción de CI
Custom : El fabricante lo hace todo hasta la última máscara, y los transistores con su colocación y conexión.
ASIC : Circuitos muy específicos que el fabricante no hace, por no tener asegurado un mercado (Es una relación entre cliente y fabricante, mucho más directa y las inversiones empresariales son mucho menores).
Tamaño mínimo 0.4 m, esto viene dado porque la longitud de onda de la luz utilizada para las máscaras oscila entre 0.3 y 0.7 m m. y se producen fenómenos de difracción óptica, proceso que impide la buena realización fotolitográfica.
-Los procesos de introducción de dopantes ha pasado por 4 tipos de fabricación básicamente:
Aleación:
El dopante que queremos introducir se pone en contacto con el semiconductor, a los cuales se le pone a una temperatura alta para poderse producir la aleación.
El dispositivo ocupa un 1% del espesor total de la oblea, por tanto hay un 99% que no se aprovecha, esta zona "muerta" además da problemas de funcionamiento del dispositivo.
.-Problemas:
*No se controla la introducción de dopantes
*Se tiene que reducir la zona muerta.
Difusión:
La física del proceso es la misma, que en el caso anterior, pero tenemos un control mucho mayor sobre él. En este caso el dopante está en forma gaseosa, para introducirlo en las zonas que queremos dopar.
.-Problemas:
*Interconexiones entre los dispositivos.
*Sigue existiendo zonas muertas.
*El control debería ser mayor sobre las zonas a dopar.
Difusión Planar-Epitaxial:
Partimos de un cristal fuertemente dopado, al cual se le hace crecer una capa epitaxial, de semiconductor con un dopado menor. Posteriormente se oxida el Si, de forma que obtenemos SiO2. Se abren huecos en el óxido para que las impurezas entren donde nosotros queremos:
El dopante se introduce en todas las direcciones de forma que no es igual el área de la superficie a la proyectada. Con este proceso hemos resuelto el problema de la zona muerta.
.-Problemas:
*Difusión lateral
Si las dimensiones se reducen la difusión lateral puede hacer que tengamos una unión en los dispositivos.

Implantación Iónica
El proceso es totalmente análogo al anterior pero cambiamos la tecnología utilizada en la introducción de los dopantes. Las impurezas se aceleran utilizando potenciales de 100000 V. Pudiendo controlar perfectamente variando la energía de los iones los lugares donde queremos introducirlos.

Crecimiento de Cristales
El primer problema que tenemos es conseguir Si con un alto grado de pureza, para poder fabricar Si cristalino. La densidad efectiva de átomos debe ser 10 23, para el purificado se hace reaccionar con clorhídrico en fase vapor, y después de varias reacciones (Destilación fraccionaria), obtenemos lo que se llama Si electrónico. Una vez conseguido esto ya podemos darle una estructura cristalina.

Método Czochralski
En una atmósfera controlada e inerte, tenemos una cubeta de grafito o cuarzo (que funden a temperaturas 3000 ºC En la cubeta se introduce Si electrónico . El cilindro está rodeado de una bobina de alta frecuencia y alta
corriente, con esto se funde el Si (1240 ºC). Se introduce en el Si fundido una pértiga con una semilla de Si cristalino, el cual por capilaridad se une a la semilla, formándose Si cristalino alrededor de la semilla, de forma que tirando y girando la pértiga hacemos crecer el cristal. (5 a 6 pulgadas de diámetro).
Este método así realizado tiene un problema y es que las paredes de cuarzo o de grafito, introducen impurezas en el Si cristalino que se forma, porque al estar toda la cubeta a una temperatura alta se producen deterioros en esta. Para evitar esto se va utilizar el método de la zona flotante, en el cual la bobina no está en todo el cristal sino únicamente en una zona muy concreta alrededor de la semilla, esta bobina es móvil y según movemos la semilla la bobina la acompaña. El problema que tenemos ahora es que hay un alto número de dislocaciones debido al gradiente térmico. El lingote de Si cristalino se corta en obleas, perdiéndose en el proceso la mitad del Si. Luego viene un proceso de redondeado y de pulido.

Implantación Iónica
Es un proceso de alto vacío en el cual introducimos dopantes en un sólido a partir de haces de iones, fuertemente acelerado, de la impurezas que queramos usar.
-Hay procesos de colisión , con lo cual hay desviaciones en los iones. También se produce el efecto contrario que es la rotura de los átomos de la red en la zona de impacto, generando vacantes en la estructura cristalina.
-El perfil de dopado de las impurezas dentro del cristal cumple una ley gaussiana de probabilidad, de tener una concentración en un lugar geométrico x,y,z.
-Una vez obtenido el perfil hay que reordenar la red mediante un recocido para que los iones de la red se coloquen en sus posiciones originales, y de vez en cuando un ion implantado se coloque en la posición de un ion de la red. (Si la concentración de dopantes fuera análoga a la del semiconductor tendríamos una aleación.

-Ventajas de la Implantación Iónica :
Separación de masas : No tenemos dopantes que no deseamos, dado que separamos muy bien los iones, como luego se verá en el montaje del sistema.
Como tenemos un entorno de vacío, tenemos ausencia de contaminantes.
Como el proceso lo realizamos a baja temperatura evitamos la redistribución de las impurezas, cosa que nos haría perder nuestros perfiles de dopado, y mantenerlos todo lo abruptos que queramos.

-Inconvenientes de la Implantación Iónica :
Dañado : El ion implantado destruye la red cristalina, y por tanto necesitamos recocidos de recristalización (RTA). Esto tiene un problema y es que pueden producir redistribuciones en las impurezas, esto no ocurre si el tiempo del recocido y el coeficiente de Difusión de las impurezas dentro del semiconductor no es demasiado alto. Por eso se utilizan hornos que alcanzan alta temperatura en un intervalo de tiempo muy corto.
Costo del equipamiento.
Oxidación Térmica, Litografía y Grabado
Oxidación Térmica:
Consiste en el crecimiento de una capa de SiO 2 sobre una superficie de Si a expensas de este.
Hay dos tipos de hacer este óxido, en atmósfera seca O 2 o húmeda (H 20) a una temperatura elevada ( ~1000 ºC)
La oxidación seca es bastante lenta pero produce un óxido de excelente calidad, que es muy usado en las tecnologías MOS para el óxido de puerta.
La oxidación húmeda es bastante más rápida pero produce un óxido de mucha peor calidad, con porosidades, el cual solo sirve para procesos de enmascaramiento.

Aplicaciones del SiO 2 :
Máscara de protección para procesos de dopado=>Dopados Selectivos.(0.3 m m de espesor aproximado)
Óxido de puerta en estructuras MOS
Óxido de Aislamiento en tecnologías LOCOS (Local Oxidation Silicon )
Pasivación eléctrica de superficies

Modelo Elemental del Proceso de Oxidación :
La atmósfera oxidante se satura de manera que la concentración de oxidante en la superficie de SiO 2 es la de máxima solubilidad N 0.
El oxidante se difunde a través del SiO 2 formado y llega a la interfase SiO 2 -Si en concentración N 1<>