Técnicas de Crecimiento, EPITAXIAL

TEMA 3
Tecnología y fabricación de CIs
Técnicas de Crecimiento,
EPITAXIAL
Tema 3. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Crecimiento EPITAXIAL : Introducción
EPITAXIA: es el crecimiento ordenado de una capa monocristalina que mantiene una
relación definida con respecto al substrato cristalino inferior.
EPI: sobre
TAXIS: ordenación
Substrato de partida
Substrato más
Capa epitaxial
Utilidad del crecimiento epitaxial fabricación de capas semiconductoras de calidad.
Para muchas aplicaciones la oblea es únicamente un soporte mecánico
Sobre ella se crecen una o más capas de un material que preserva la estructura del monocristal y
de conductividad apropiada (epitaxia)
La epitaxia es un modo de controlar de manera precisa el perfil de dopaje para optimizar
dispositivos y circuitos y el grosor de la capa epitaxial puede variar desde 0.1 µm hasta 100 µm
según la aplicación
De menor espesor para aplicaciones de alta velocidad
De mayor espesor para aplicaciones de potencia
Se caracteriza por realizarse a temperatura inferior a la de fusión del material
Ejemplo: crecimiento epitaxial: región p (base del transistor bipolar y región central
del MOSFET)
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Tema 3. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Crecimiento EPITAXIAL : Introducción
EPITAXIA: es el crecimiento ordenado de una capa monocristalina que mantiene una
relación definida con respecto al substrato cristalino inferior.
Substrato de partida
Substrato más
Capa epitaxial
Ejemplo: crecimiento epitaxial: región p (base del transistor bipolar y región central del
MOSFET)
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Tema 3. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Crecimiento EPITAXIAL : Introducción
El crecimiento epitaxial, puede dividirse en dos categorías muy amplias:
Homoepitaxia: la capa que se crece es químicamente similar al substrato:
Es la epitaxia más simple e involucra la extensión de la red del substrato en una red de material idéntico
(autoepitaxia u homoepitaxia),
Si sobre Si
GaAs sobre GaAs.
AlGaAs sobre GaAs: hay una desadaptación de la constante de red del 0.13 % (homoepitaxia)
Heteroepitaxia: la capa que se crece difiere en términos químicos, estructura cristalina, simetría o
parámetros de red con respecto al substrato.
Materiales III-V ternarios o cuaternarios sobre GaAs (AlGaAs sobre GaAs, GaN sobre SiC)
GaAs sobre Si: existe un 4.5 % de desadaptación en la constante de red
Silicon on Insulator (SOI)
Silicon on Shaphire (SOS)
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Tema 3. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Crecimiento EPITAXIAL : Introducción
tecnología
Interés de las técnicas epitaxiales:
El crecimiento epitaxial, es una técnología estandard en la fabricaicón de
dispositivos de Silicio.
Permite la fabricación de dispositivos eléctrónicos y fotónicos
extraordinariamente avanzados.
Tecnología de crecimiento de heteroestructuras láser
Tecnologías de semiconductores para diseño de circuitos integrados
Crecimiento de dispositivos y estructuras semiconductoras
Fotodetectores
Fotodiodos
Transistores de alta frecuencia Permite la fabricación de materiales cristales sobre
película delgada.
El control extremo del espesor en los métodos epitaxiales actuales
permite el estudio de fenómenos químicos y físicos.
Útiles a la búsqueda de nuevos materiales semiconductores: nivel
de investigación
ciencia
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Tema 3. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Crecimiento EPITAXIAL : Introducción
Clasificación de las técnicas de crecimiento epitaxial
Todas ellas basadas en el transporte físico del material semiconductor hacia la
oblea calentada (en fase líquida, en fase de vapor, etc.)
Técnica VPE: epitaxia en fase de vapor
Su forma más genérica es la CVD (chemical vapor deposition) que no sólo sirve para
realizar el crecimiento del monocristal sino también para depositar otro tipo de películas
(aislantes y conductoras)
LPE (liquid phase epitaxy): epitaxia desde la fase líquida
MBE (molecular beam epitaxy): epitaxia de haces moleculares
Desabsorción del precursor
Desabsorción de los
productos de la reacción
Transporte en superficie
absorción del precursor
diffusion superficial
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nucleation y
crecimiento de islas
Crecimiento de
escalones
Tema 3. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Crecimiento EPITAXIAL : Introducción
La calidad de la capa epitaxial, depende de la difusividad de la superficie y
de una serie de factores experimentales (limpieza de la superficie,
velocidad de deposición, Tª, etc)…
Baja movilidad superficial
amorphous
Alta movilidad superficial
island growth
Amorfo a
cristal
step growth
Isla a crecimiento
de escalones
Temperatura de crecimiento
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II. Crecimiento EPITAXIAL : Liquid Phase Epitaxy (LPE)
Históricamente: es la epitaxia más antigua y la más simple
Fue utilizada por primera vez por H. Nelson (1963) para el crecimiento de uniones p-n de GaAs.
Se utiliza principalmente para crecer materiales compuestos (ternarios y cuaternarios) muy
uniformes, delgados y de elevada calidad.
Involucra el crecimiento de capas epitaxiales sobre substratos cristalinos por precipitación directa
desde la fase líquida. Cristalización de las fases a partir de una solución.
Se basa en la SOLUBILIDAD de un soluto en un disolvente a una
Tª dada.
El substrato (la oblea donde se quiere crecer la capa) de pone en
contacto con una solución:
Con un solvente previamente escogido saturada del material
semiconductor
A una Temperatura apropiada
En condiciones próximas al equilibro entre la disolución y el
substrato, se puede crecer el semiconductor sobre el substrato de
manera lenta y uniforme.
Las velocidades de crecimiento típicas son de 0.1- 1
µm/minuto.
El crecimiento se controla mediante un enfriamiento de la mezcla.
Puede producirse un dopaje mediante la adición de dopantes.
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II. Crecimiento EPITAXIAL : Liquid Phase Epitaxy (LPE)
Sistema LPE
Es necesario partir del diagrama de fases del GaAs relación
entre la composición de las fases líquida y sólida a diferentes
Temperaturas.
Es característico que a la composición de la fase sólida
siempre la corresponde un 50 % de átomos de cada grupo 50 % Ga y 50 % As.
líquido
GaAs + líquido
GaAs + líquido
Montaje experimental
Un contenedor de gráfico dentro de un tubo de cuarzo
que se introduce en un horno.
El horno permite calentar la solución hasta la
temperatura deseada: T0.
Se hace circular H2 (hidrógeno purificado) Para
eliminar las películas de óxido del material solvente
(óxido de Galio)
Dos regiones para depositar el substrato y la mezcla
Al alcanzar T0 el horno se inclina y la fase líquida
cubre al substrato
Después se reduce la Tª y como consecuencia, crece la
capa epitaxial sobre la superficie del substrato.
El proceso termina cuando el horno regresa a la posición
inicial, y la fase líquida se retira de la superficie del
substrato
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Diagrama de fases del GaAs
Tema 3. Tecnología y Fabricación de CIs
II. Crecimiento EPITAXIAL : Liquid Phase Epitaxy (LPE)
Caso particular del GaAs (procedimiento de Nelson) para el crecimiento de una capa de GaAs
PASO nº 1: SATURACIÓN DEL FUNDIDO. preparó una solución saturada de As en Ga (Tª saturación: 850º C) (punto a del diagrama)
poniendo en
contacto el Ga fundido y unos cristales de GaAs.
A la solución de Ga sólo pasa la cantidad de átomos de As que corresponda a la solubilidad de As en el Ga a una
Tª dada El nº de átomos de As = nº de moléculas de GaAs que pasan a formar parte de la fase líquida.
Si la solución se enfría lentamente (paso de el punto (a) al punto (b)) unos pocos grados (∆T=5-20ºC)
La mezcla se vuelve supersaturada (demasiados átomos de As para esa Tª).
PASO nº 2: INTRODUCCIÓN DEL SUSTRATO. Se gira el sistema para que la disolución líquida “moje”
a la oblea de GaAs sobre la que queremos hacer el crecimiento (T<1238ºC, luego la oblea no se funde).
PASO nº 3. CRECIMIENTO DEL MONOCRISTAL .
Al mojar la oblea, los átomos de As se incorporan al GaAs y lógicamente el
disolvente pierde átomos de As
La solución se vuelve más rico en Ga (movimiento (b) a (c) hacia la izda)
y disminuye su punto de fusión.
Si se reduce la Temperatura lentamente se crece una capa de
monocristal de GaAs sobre la semilla
El proceso termina cuando el horno regresa a la posición inicial, y la
fase líquida se retira de la superficie del substrato
(a)
(c)
NOTA: Este sistema servía para realizar crecimientos epitaxiales de
una sola capa.
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(b)
GaAs + Ga (liquido)
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II. Crecimiento EPITAXIAL : Liquid Phase Epitaxy (LPE)
Para obtener crecimientos epitaxiales de
diferentes capas se utiliza LPE: SISTEMA
HORIZONTAL:
El montaje contiene un bote de grafito de tipo
panal. Se compone de dos partes: tronco y
deslizador
El tronco (fijo) en cuyas cavidades se alojan las
fases líquidas de diferentes composiciones (con
GaAs, con AlGaAs, etc.)
El deslizador tiene una cavidad en la cual se
deposita el substrato, y se desliza en relación con
el tronco
Este sistema se mueve de modo que el substrato
se pone en contacto con cada una de las fases
líquidas contenidas en las cavidades.
La composición de la capas epitaxiales
cristalizadas depende de la Tª y composición de
las fases líquidas
Es necesario conocer los diagramas de fase, ya
sean soluciones ternarias o cuaternarias.
El espesor de las capas puede regularse
variando el intervalo de la Tª en el que se
realiza el proceso de cristalización o variando el
volumen de la fase líquida.
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II. Crecimiento EPITAXIAL : Liquid Phase Epitaxy (LPE)
Características de las capas crecidas
Ventajas LPE
Las capas crecidas mediante este método se caracterizan por tener un tiempo de vida media de
minoritarios elevados (pocas impurezas profundas): se utiliza mucho en la realización de
dispositivos optoelectrónicos: láseres de heteroestructuras de capas múltiples de GaAs y AlGaAs
El control del crecimiento de la capa desde la fase líquida puede realizar mediante un enfriamiento
controlado de la disolución o mezcla Las velocidades de crecimiento LPE son extremadamente
bajas
La introducción de impurezas se reduce fuertemente.
Se puede realizar un dopaje mediante un añadido de impurezas a la disolución.
Es un método utilizado principalmente para el crecimiento de materiales SC compuestos III-V en los
cuáles el Ga o In son el elemento tipo III, dado que estos metales forman soluciones a temperaturas
bajas.
Es un proceso simple que requiere un equipo modesto Se puede realizar en condiciones
normales de laboratorio
Menos costosa y mayor velocidad de crecimiento que la MBE
Baja concentración de defectos
Excelente control de la estequiometria
Desventajas LPE
Las condiciones de solubilidad restringen en gran manera al número de materiales a los cuales
es aplicable esta técnica.
El control de la morfología (orientación cristalina) es muy difícil
La calidad superficial es pobre
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II. Crecimiento EPITAXIAL : Liquid Phase Epitaxy (LPE)
Ejemplos industriales de técnica LPE:
Modelo: LPE_3750/4750:
Este reactor utiliza una técnica de una barquilla sobre grafito para producir
semiconductores de alta calidad a velocidades relativamente elevadas.
Un sistema automático de control proporciona uniformidad al proceso de “run” a “run”.
Un PC utiliza un Display Gráfico para desarrollar procesos de procedimientos y
técnicas de crecimiento.
El tubo del proceso puede ser entonces enfriado rápidamente, mediante un sistema
especial de enfriamiento para aumentar la velocidad.
Un sistema especial, mantiene una sobrepresión, asegurando un proceso libre de
contaminación ambiental.
Consta de numerosos sensores y monitores limitadores para proporcionar un apagado
en caso de cumplirse las condiciones específicas de operación.
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III. Crec. EPITAXIAL: Vapour Phase Epitaxy (VPE)
Se utiliza actualmente para Si y GaAs
Es un proceso en el que una capa sólida delgada se sintetiza partiendo de una fase
gaseosa mediante una reacción química.
El propósito de la epitaxia es crecer una capa de Silicio de grosor uniforme y en la cuál
se puedan controlar las propiedades eléctricas y proporcionar un substrato perfecto en el
procesado del dispositivo para cada tipo de aplicación.
Este tipo de epitaxia tiene lugar a alta temperatura
Características:
Diferentes especies químicas que van a formar la capa epitaxial (Si, Ga, As, también pueden
transportar dopantes) se transportan en forma de vapor (fase gaseosa) a través de compuestos
químicos gaseosos (normalmente por H2) a la Tª de reacción, hacia la oblea
En la oblea se depositan en la superficie del material para formar la capa epitaxial mediante la
correspondiente reacción química
Estos compuestos se depositan ordenadamente siguiendo la cristalografía del substrato o de la
oblea
Puede llevarse a cabo a presión atmosférica, evitando la necesidad de realizar un
sistema de vacío y reduciendo la complejidad
Tasas de crecimiento elevadas
Veremos la epitaxia de Silicio
La de GaAs no la vamos a estudiar debido a su mayor complejidad.
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III. Crec. EPITAXIAL: Vapour Phase Epitaxy (VPE)
La técnica VPE en Silicio
Tiene lugar en reactores como los que se observan en la Figuras inferiores.
El corazón de un epi-reactor es la cámara de reacción, fabricada típicamente en cuarzo
Dentro de la cámara hay un crisol en forma de barquilla que sirve de apoyo de los substratos (grafito recubierto
de carburo de silicio).
Se calienta hasta 900-1250 ºC (no se alcance el punto de fusión del Si).
Tiene entradas y salidas de gases de modo que puedan fluir en su interior. Estos gases contienen compuestos
de silicio volátiles y algunos compuestos dopantes.
Todos los productos son gaseosos y las reacciones tienen lugar aproximadamente a 1200ºC. Esta alta
temperatura es necesaria par que los átomos de dopantes adquieran la energía suficiente para moverse y
formar los enlaces covalentes.
La geometría del reactor se utiliza según la manera de sujetar las obleas. Fundamentalmente dos:
El disco (tarta, o tipo de oblea único) las obleas están dispuestas horizontalmente..
El de forma piramidal (o tipo de barril) las pirámides truncadas
mantienen las obleas dentro de cavidades situadas en sus caras prácticamente
verticales Tiene la ventaja de procesar un gran número de obleas al mismo tiempo.
Configuraciones de reactores de crecimiento
epitaxial: reactor horizontal (a), reactor
vertical (b), y reactor en barril (c)
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III. Crec. EPITAXIAL: Vapour Phase Epitaxy (VPE)
La técnica VPE en Silicio: El proceso de
crecimiento es muy simple:
Desde el punto de vista químico:
Se utiliza un gas para depositar el material :
silano (SiH4), tetracloruro de Si (SiCl4),
triclorosilano (SiHCl3).
Se utiliza un segundo gas para el dopaje) las
fuentes: fosfina (PH3), diborano (B2H6), arsina
(SbH3 )
Durante la deposición epitaxial, los átomos
dopantes se descomponen y forman parte de la
capa.
La epitaxia proporciona una manera de controlar
precisamente el perfil de dopaje para optimizar
dispositivos y circuitos.
Desde el punto de vista de la cinética: la
velocidad de crecimiento y el dopaje son
proporcionales al flujo de gas.
Desde el punto de vista estructural: se deposita
una fina película en toda la superficie de la
oblea.
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Materiales fuentes de Silicio
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III. Crec. EPITAXIAL: Vapour Phase Epitaxy (VPE)
La técnica VPE en Silicio: En general, los diferentes pasos que ocurren en un proceso VPE
son:
Transporte de especies gaseosas hacia la superficie de crecimiento.
Procesos superficiales: absorción, difusión en superficie, incorporación en cluster de islas o en kinks.
Deabsorción de los reactivos desde la superficie de deposición y transporte de las mismas de nuevo a
la fase gaseosa.
La dependencia con la temperatura de la velocidad de crecimiento tiene un comportamiento general,
que se establece dependiendo de cual de los pasos previamente comentados es el paso determinante.
A bajas temperaturas es la cinética de
la reacción el paso que limita la
velocidad de crecimiento, dando lugar
a velocidades de crecimiento que
dependen fuertemente de la
temperatura.
A temperaturas elevadas, el
transporte de gases es el que marca
la velocidad.
Para temperaturas intermedias,
depende fuertemente del tipo de gas
utilizado y del tipo de la configuración
geométrica del reactor.
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Representación esquemática de la Epitaxia de Silicio.
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III. Crec. EPITAXIAL: Vapour Phase Epitaxy (VPE)
Modelo UHV-CVD-5000: (Vacío ultra alto_ CVD) Utilización para procesado multi-oblea de capas
epitaxiales dopadas, incluyendo materiales como Si y SiGe.
Aplicaciones: componentes de SiGe (amplificadores de RF y microondas, conmutadores, HBTs discretos, MMICs de
bajo ruido) utilizados en aplicaciones de comunicaciones sin hilos: como teléfonia móvil, pagers, reces de área local
(LAN), telemetría y sensores.
Características:
El reactor de horno interior de fuente térmica consiste en un sistema de calor con tres regiones controlado por
precisión. Se obtienen rangos de temperatura de 1050 ºC.
Las líneas de proceso de gas incluyen válvulas de aislamiento con tubos especiales.
El sistema de control consiste en un sistema automático controlado por ordenador con una capacidad de control
manual: capacidad de modificar las variables del sistema (flujo de canales, región de la reacción, temperatura, presión
del reactor, etc.), mostrar el estado del sistema en tiempo real, etc.
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IV. Crec. EPITAXIAL: Molecular Beam Epitaxy (MBE)
v La técnica Molecular Beam Epitaxy (MBE)
El esquema del sistema epitaxial MBE puede observarse en la figura, está compuesto por:
Hoy en día es la técnica más prometedora, sobre todo en el área de heteroestructuras (crecimiento
epitaxial) donde se requiere un control preciso sobre impurezas múltiples y de deposición de capas
muy delicadas.
Válida para Si y GaAs
Las “celdas de efusión” contienen los
materiales a ser depositados o crecidos
epitaxialmente.
La oblea:
se mantiene a una Tª controlada (400 ºC900 ºC, temperatura baja)
Se bombardea por los haces de los
materiales que están en las “celdas de
efusión” de manera que las moléculas que
la alcanzan puedan crecer sobre la
superficie con la orientación cristalográfica
del substrato
Gira constantemente para conseguir
capas uniformes.
La cámara presenta condiciones de vacío
extremo (10 –10 torr.) y está llena de nitrógeno
para impedir la contaminación e interacciones
entre compuestos
La velocidad de crecimiento es
aproximadamente 1nm/sec (es muy baja) lo
que permite la variación gradual de la
composición del material
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Características
generales de un
sistema MBE típico
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IV. Crec. EPITAXIAL: Molecular Beam Epitaxy (MBE)
Las “celdas de efusión” contienen los materiales a ser depositados
o crecidos epitaxialmente, donde se realiza su evaporación térmica
controlada:
Son pequeños crisoles, generalmente fabricados en cuarzo, o Nituro de
Boro Pyrolitico (PNB) o Grafito Pyrolitico(PG).
Tienen uno o dos filamentos arrollados junto con termopares de modo que
están sujetos a unos controles exhaustivos de temperatura.
Materiales MBE III-V Standard son: Al, Ga, In.
Se diseñan para la evaporación de compuestos y la sublimación en rangos de
temperatura de 200 ºC hasta 1400 ºC
También puede utilizarse como una fuente de dopantes (Si o Be)
Se puede mantener una presión de vapor fija para cada uno de los materiales
Tienen una pequeña abertura de cara a la oblea.
Para definir interfaces químicas, los haces atómicos pueden ser obturados
on/off a gran velocidad.
Celdas de efusión
dentro de una
cámara de vacío
dirigiendo haces
de Al, Ga, As y
dopantes hacia
un substrato de
GaAs
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IV. Crec. EPITAXIAL: Molecular Beam Epitaxy (MBE)
Las mayores ventajas de la técnica MBE son :
La versatilidad y simplicidad de su principio de operación.
El entorno de vacío ultra-alto (UHV) da lugar a que los haces de átomos o moléculas sean
direccionados hacia el cristal del substrato donde se forma la capa cristalina.
Este entorno de UHV hace posible que puedan aplicarse:
Técnicas de medida y caracterización “in situ” (espectroscopía de masas, espectroscopía de
electrones Auger (AES), espectroscopia de masa de iones secundarios (SIMS), microscopía de
visualización electrónica (SEM), difractómetros, etc.) para estudiar los procesos fundamentales
que tienen lugar en el crecimiento del cristal.
Monitorización y herramientas de diagnóstico.
Realización de un grabado por chorro de iones (limpieza “in situ” ) previamente a la
realización del crecimiento epitaxial, etc.
Posibilidad de introducir gran variedad de dopantes y gran control de su perfil de dopado.
No hay reacciones químicas complejas.
Gran calidad de los substratos obtenidos.
Los inconvenientes de la técnica MBE:
Elevado coste del equipo y su complejidad.
Bajas velocidades de crecimiento
Sólo es posible realizar el crecimiento de
una única oblea cada vez.
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IV. Crec. EPITAXIAL: Molecular Beam Epitaxy (MBE)
MBE posee diferentes sistemas de monitorización y caracterización de la capa epitaxial.
Sistema de difracción de reflexión de electrones muy energéticos (RHEED)
Informa acerca de la limpieza de la superficie del substrato.
Se generan un haz de electrones que se hacen incidir en la muestra en diferentes ángulos con energías
típicamente de 5 –15 keV.
Inicialmente, la superficie es lisa y las condiciones de difracción se satisfacen por lo que aparecen picos
elevados en las señales de la difracción.
Para crecer una capa completa debemos ir cubriendo una capa en el cuál existe un gran desorden
superficial lo cual da lugar a una reducción en el máximo de las intensidades de las difracciones.
La amplitud de las oscilaciones decrece con el número de capas crecidas: se puede calibrar el grosor del
material crecido.
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IV. Crec. EPITAXIAL: Molecular Beam Epitaxy (MBE)
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IV. Crec. EPITAXIAL: Molecular Beam Epitaxy (MBE)
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IV. Crec. EPITAXIAL: Molecular Beam Epitaxy (MBE)
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V. Defectos
La perfección cristalina de la capa epitaxial
nunca supera la del substrato y normalmente es
inferior.
Defectos comunes que ocurren en capas
epitaxiales:
(1) representación esquemática de una dislocación
inicialmente presente en el substrato y que se
extiende dentro de la capa epitaxial.
(2) Los precipitados de impurezas en la superficie
del substrato son una clase de defecto superficial
que da lugar una “stacking fault”
(3) Precipitado de impurezas por contaminación
causado por la continuación del proceso epitaxial
(4) Crecimiento de montículos, pirámides y otras
formas de crecimiento pueden estar relacionadas al
proceso o al proceso de finalización del crecimiento
de la oblea
(5) “stacking fault” en una intersección de la
superficie del substrato y que se extiende hacia la
capa epitaxial
Fotografía de los defectos en obleas actuales:
(1) Dislocaciones como grabados circulares
(agujeros) en una región de deslizamiento de una
oblea (100)
(2) “stacking fault” epitaxial
(3) Dislocaciones en una oblea (111)
(4) Crecimiento de un montículo en una oblea (111)
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