Crecimiento epitaxial

Crecimiento epitaxial
El crecimiento epitaxial o epitaxia es uno de los procesos en la fabricación de circuitos integrados.
A partir de una cara de un cristal de material semiconductor se hace crecer un substrato con la misma
estructura cristalina; el sustrato debe poseer dos condiciones esenciales. La primera es que debe tener sitio de
nucleación donde los átomos a depositar pierdan su energía y lleguen a formar parte de la estructura cristalina
del sólido. La segunda es que el sustrato debe poseer una temperatura tal que, una vez alcanzada la superficie
por los átomos que contribuirán al crecimiento, estos puedan moverse fácilmente hasta situarse en un lugar de
la red cristalina .
Mediante esta técnica se puede controlar de forma muy precisa el nivel de impurezas en el semiconductor, que
son los que definen su carácter (N o P). Para hacer esto se calienta el semiconductor hasta casi su punto de
fusión y se pone en contacto con el material de base para que, al enfriarse, recristalice con la estructura
adecuada. La capa crecida se extiende sobre toda la superficie del sustrato no de forma localizada como en la
difusión.
TIPOS DE EPITAXIA
Según sea el material que vamos a crecer sobre el sustrato:
• HOMOEPITAXIA
Consiste en la deposición de un material sobre el mismo material
Ej. Si sobre Si Se obtiene mayor control del dopado y mejor calidad de la red cristalina
• HETEROEPITAXIA
Aquí la deposición de un material se hace sobre otro material
Ej: Si sobre Ge(4%); AlGaAs sobre GaAs (1%o)
La heteroepitaxia presenta algunos problemas:
−−Generación de tensiones(entre las diferentes capa)
−−Aparición de un espesor critico
Estos problemas requieren un mayor control de las condiciones de crecimiento
Dependiendo de la forma de transportar el material a crecer desde la fuente hasta el substrato existen tres
técnicas fundamentales de crecimiento epitaxial.
• Crecimiento epitaxial en fase líquida (LPE).
• Crecimiento epitaxial por haces moleculares (MBE).
• Crecimiento epitaxial en fase vapor (VPE).
• Crecimiento epitaxial en fase líquida (LPE).
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La epitaxia en fase liquida es el crecimiento de capas epitaxiales sobre sustratos cristalinos por precipitación
de un solido directamente desde una fase liquida. Es un proceso muy utilizado en compuestos III−V y II−VI,
pudiendo realizarse estructuras multicapa con composiciones y dopajes homogeneos y bien controlados.
Para la obtención de estructuras que contengan varias capas con diferentes composiciones, en la actualidad se
utiliza una tecnica llamada barquilla deslizante. Esta barquilla se compone de dos partes: el tronco y el
deslizador como se observa en la figura2.
El tronco generalmente no se mueve y tiene unas cavidades hechas sobre un bote de grafito de alta pureza
donde se alojan las fases líquidas de diferentes composiciones. Cada una de estas composiciones posee los
elementos necesarios y los dopantes que originan las capas epitaxiales.
El deslizador tambien de grafito tiene una cavidad en la cual se deposita el substrato, éste se desliza en
relación con el tronco y de esta manera el substrato se pone en contacto con cada una de las fases líquidas
contenidas en las cavidades del tronco.
Un termopar es introducido en el interior de la barquilla para indicar exactamente la temperatura existente en
el sustrato, dato que debe ser perfectamente conocido y controlado.
El conjunto esta colocado en un tubo cerrado de cuarzo, por ambos lados y calentado por un horno que
permite saltos de temperatura de forma controlada.
Durante la epitaxia un flujo de H2 purificado recorre el tubo eliminando el oxigeno y el vapor de agua que
pudiera contaminar el proceso.
Si al mismo tiempo se baja la temperatura del horno, entonces sobre la superficie del substrato se van a
cristalizar capas epitaxiales; la composición de estas capas depende de la temperatura y de las composiciones
de las fases líquidas.
El espesor de algunas de las capas se puede regular variando el intervalo de la temperatura en el que se realiza
el proceso de cristalización o bien variando el volumen de la fase líquida.
Cabe señalar que la epitaxia por fase líquida, desde el punto de vista técnico, es bastante sencillo, económica,
y no usa gases tóxicos, pero es difícil hacer una producción masiva con ella.
• Crecimiento epitaxial por haces moleculares (MBE).
El termino Molecular Beam Epitaxy ( MBE ), describe el crecimiento epitaxial de laminas delgadas de
semiconductores compuestos mediante la reacción de haces moleculares térmicos de los elementos
constituyentes con la superficie de un sustrato cristalino, mantenido a temperatura adecuada y en condiciones
de ultravacío.
Consiste en la evaporación de fuentes sólidas de manera que se producen haces moleculares y se dirigen sobre
un sustrato caliente sobre el cual se deposita el material.
Es una técnica habitual en el crecimiento de heteroestructuras de semiconductores por la gran perfección
cristalina que alcanza. Los haces moleculares inciden sobre un sustrato y diversas reacciones químicas
ocasionan la deposición de monocapas sucesivas. Mediante el adecuado control de las especies químicas de
los haces se puede variar la composición de las capas epitaxiales.
Esta técnica, se ha de realizar en condiciones de ultravacío, ya que cualquier impureza dañaría nuestra capa.
Además, los materiales a epitaxial han de ser de gran pureza. Dentro de las ventajas de este método se
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encuentran las siguientes:
• Control de espesores con muy alta precisión
• Baja temperatura de crecimiento
• Posibilidad de fabricar estructuras complicadas
Inconvenientes:
• Se ha de realizar en cámaras de vacío
• Complejidad de instalación y uso
• Alto coste
• Epitaxia en fase de vapor (VPE)
La VPE es un proceso en el que el material es trasportado al sustrato en forma de vapor, generalmente
formado por compuestos. Estos, una vez alcanzado el sustrato se descomponen, y se incorporan a su
superficie.
Es hoy en DIA el proceso mas ampliamente utilizado.
El equipo empelado, es un tubo rodeado de unas bobinas de inducción. Los sustratos de silicio están
colocados sobre una cesta de grafito, la cual es calentada por las bobinas de inducción hasta una temperatura
próxima a los 1200 ºC.
Al calentarse a esta temperatura, un flujo de gases atraviesa el tubo en el que queda encerrado todo el
conjunto, siendo la composición de estos gases muy controlada mediante válvulas.
En el interior del tubo se produce la siguiente reacción:
Si Cl4 Si (sólido) + 4 Cl H
En este caso, es el Si en estado sólido el que se deposita en nuestro sustrato. Esta reacción se tiene que
producir muy lentamente, ya que si no se depositaria silicio policristalino en lugar de el silicio buscado.
Horno usado para la VPE
Por ultimo se muestra una tabla en la que se comparan algunos de los parámetros de las distintas técnicas
usadas en el mundo industrial.
PARAMETROS
LPE
espesores min.
0,2 µm
vel de crecimiento
0,1 a 1 µm/h
versalitidad de dopajes no
MBE
fisico, evaporación y
absorción
10 amstrongs
1 µm / h
si
tipo de proceso
fisico, cambio de fase
atm en que se realiza
H2
vacío
si
si, cambiando la fuente si, combinando los gases
posibilidad de
multicapas
numero y tamaño de
sustratos
con barquilla, deslizamiento
oblea entera
de un cm
VPE
cinética de gases + reacción
química
2 µm
0,1 a 1 µm/h
no
gases portadores de la
sustancia
oblea entera
3
utilidad industrial
coste
poca
muy bajo
media
alto
muy alta
bajo
4