Universidad Politcnica de Madrid

Facultad de Informtica

Fundamentos Fsicos y Tecnolgicos de la Informtica

Grupo de Tecnologa de Computadores. DATSI-FI-UPM

Vctor Nieto Llus

Tecnologa de Fabricacin de Semiconductores

Proceso de Fabricacin. FFyTI 2

Proceso de Fabricacin de Semiconductores:

Obtencin de polisilicio en bruto Generacin de lingotes de silicio monocristalino Corte de obleas Pulido de las obleas Crecimiento epitaxial Oxidacin Recubrimiento con fotoresina Creacin de mscaras

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Proceso de Fabricacin de Semiconductores (cont.): Exposicin, Revelado, Ataque cido, Aclarado y

Secado Implante inico Deposicin qumica por vapor (CVD) Deposicin de metal Ataque sobre el metal

Lavado Test de comprobacin y corte de los dados Conexionado de los terminales Encapsulado final

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Esquema general del proceso de fabricacin

Obtencin de polisilicio en bruto

Obtencin de silicio monocristalino

Corte en obleas

Oxidacin Crecimiento epitaxial

Pulido

Recubrimiento con foto-resina

Exposicin

Generacin de mscaras

Revenido

Revelado Ataque del metal

Deposicin de metal

Deposicin qumica por vapor

Implante inico

Ataque cido

Enjuague y secado

Encapsulado Conexionado Test y corte de dados

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Obtencin de Polisilicio

Las barras de polisilicio se obtienen en un horno a partir de la mezcla de triclorosilano (SiHCl3) con gas H2, depositandose sobre espigas metlicas.

Los tubos as obtenidos se someten a un proceso de refinado disolvindolos en cido fluorhdrico (HF) y se obtienen los lingotes de polisilicio.

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Obtencin de lingotes de Silicio Monocristalino

Los lingotes se obtienen por el mtodo de Czochralski

El silicio policristalino es molido e impurificado con elementos del tipo As, B, P o Sb y fundido a 1400C en un crisol de cuarzo en atmsfera de gas inerte (Ar) de alta pureza.

El dimetro del lingote se controla con la temperatura del bao y la velocidad de extraccin.

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Obtencin de lingotes de Silicio Monocristalino

Los equipos de estiramiento se instalan sobre fundamentos de hormign de gran profundidad para prevenir la vibracin

Los mayora de los lingotes son de 150 mm (6) y 200 mm (8), pero tambin pueden ser de 300 mm (12) y 400 mm (16)

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Corte de Obleas

Cara primaria

Cara secundaria

Antes de proceder a cortar los lingotes en finas obleas se hacen unas marcas para especificar la orientacin cristalina

Las obleas se cortan en una sierra circular cuyo borde de corte es el interno para asegurar una mayor precisin y finura

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Esmerilado y Pulido

Las obleas son esmeriladas con un abrasivo para eliminar los defectos superficiales dejados por la sierra y alisar las caras de la oblea

Despus del esmerilado se realiza un ataque qumico con una solucin de cido ntrico (HNO3)/cido actico (CH3COOH) o hidrxido de sodio (NaOH) para eliminar grietas microscpicas derivadas del proceso de esmerilado.

Esmerilado

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Esmerilado y Pulido

Pulido

A continuacin las obleas se someten a una combinacin de pulido qumico y mecnico y es abrillantado con un abrasivo reforzado con slice, agua de alta pureza e hidrxido de sodio (NaOH)

Despus del pulido la oblea se somete a un lavado para eliminar todas las impurezas

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Crecimiento Epitaxial

Este proceso se utiliza para hacer crecer una capa de silicio con una concentracin diferente, generalmente menor, de dopantes en el seno del sustrato.

El triclorosilano (SiHCl3) o el tetracloruro de silicio (SiCl4) y el hidrgeno se combinan con gas de diborano (B2H6) o fosfina (PH3) para actuar como dopante.

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Oxidacin

Se crea una fina capa de SiO2 sobre la superficie por exposicin a una mezcla de O2 e H2 de alta pureza a 1000 C

El xido se utiliza como aislante ( en torno a 1500 ) y como xido de puerta (entre 200 y 500 )

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Recubrimiento con fotoresina La fotoresina es un material fotosensible que se aplica sobre la oblea en estado lquido en pequeas cantidades

La oblea se hace girar a 3000 r.p.m. extendiendo el material en forma de una capa uniforme de entre 2 y 200 m de espesor.

La fotoresina positiva se adapta mejor a las exigencias de la tecnologa moderna en cuanto a alcanzar menores dimensiones, las cuales se encuentran por debajo de 1,0 m y puede llegar a 0,15 m.

Hay dos tipos de fotoresinas: negativa y positiva

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Generacin de patrones

Durante la fabricacin de semiconductores se pueden requerir hasta 50 capas diferentes. Cada una de ellas requerir un patrn que est contenida en una mscara o retculo.

Los patrones son generados con herramientas CAD y son transferidos al retculo (recubierto con cromo virgen y una capa de fotoresina) por uno de los dos mtodos: generacin por lser o por haz de electrones

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Generacin de patrones por lser Toma los datos proporcionados por el software y, por medio de lentes, divisores de haces, obturadores y espejos controlados por ordenador, expone las reas especficas de la fotoresina a la luz UV.

Generacin de patrones

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Generacin de patrones

Tambin interpreta los datos proporcionados por el software pero utiliza una serie de imanes, cortinas y obturadores controlados por ordenador para exponer la fotoresina a un haz de electrones de alta intensidad.

Generacin de patrones por haz de electrones

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Generacin de patrones

La fotoresina expuesta (cida) es eliminada con una solucin base, dejando al descubierto la parte del cromo que se quiere eliminar. El cromo es atacado con una solucin cida de nitrato crico de amonio, (NH4)2[Ce(NO3)6].

Para tecnologa mayor de 1,5 m

Contiene la imagen de toda la oblea

Para tecnologa menor de 1,5 m

Contiene la imagen de un slo dispositivo

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Exposicin por etapas (litografa)

La aplicacin y exposicin de la fotoresina para generar una capa sobre la oblea es similar a la utilizada en la generacin de las mscaras.

En la actualidad se utiliza una mquina denominada escalonador litogrfico.

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Exposicin por etapas (litografa)

Los rayos UV multibanda:

para tecnologa de hasta 2,0 m

para tecnologa de hasta los 0,25 m

La luz UV de una sola longitud de onda:

Las longitudes tpicas son:

436 m (lnea G)

405 m (lnea H)

365 m (lnea I)

248 m (UV profunda)

196 m (actualmente en prueba)

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Revelado y revenido

Despus de la exposicin, la oblea es revelada tanto con una solucin cida como una base para eliminar las zonas de la fotoresina expuestas.

Una vez eliminada la parte expuesta, la oblea es sometida a un revenido suave (a baja temperatura) para endurecer la fotoresina remanente.

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Ataque qumico

Para eliminar el material de las reas seleccionadas de la oblea se utilizan diversos tipos de soluciones cidas, casticas y bases. Por la peligrosidad inherente a estas sustancias, los trabajos se realizan en cubas especiales de inmersin.

La solucin con cido fluorhdrico (HF) mezclado con fluoruro de amonio (NH4F), permite eliminar el dixido de silicio sin afectar a la capa inferior de silicio o polisilicio. El cido fosfrico (H3PO4) se emplea para atacar las capas de nitruro de silicio (Si3N4), el cido ntrico (HNO3) se utiliza para atacar a los metales y el cido sulfrico (H2SO4) se utiliza para eliminar la fotoresina.

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Centrifugado, Aclarado, Secado

A pesar de todas las precauciones las obleas deben ser constantemente limpiadas. Para ello se utiliza un dispositivo especial denominado SRD (Centrifugador, enjuagador y secador). El SRD limpia la oblea con agua RO/DI y lo seca con nitrgeno de alta pureza.

Siempre que sea posible se utiliza la manipulacin automtica o con robots, pero cuando esto no es posible las obleas se transportan por el personal en contenedores especiales.

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Implante inico

El implantador inico utiliza un tubo acelerador de alta corriente e imanes de direccin focalizadores para bombardear la superficie de la oblea con iones de un dopante especfico. Estos iones dopantes son implantados en la capa superior de la oblea, justo debajo de la superficie, modificando la conductividad de una regin especfica.

Los equipos de implante se clasifican en los de alta corriente (corriente mayor de 3 mA) o de corriente media (menores de 3 mA)

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Para crear una regin tipo p, se implanta un ion aceptor del tipo boro (B), galio (Ga) o Iridio (Ir).

Para crear una regin tipo n, se implantan iones donadores de antimonio (Sb), arsnico (As), fsforo (P) o bismuto (Bi).

Implante inico

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Deposicin qumica por vapor

La deposicin qumica por vapor, o CVD, pertenece a esa clase de procesos que utilizan reacciones qumicas controladas para crear capas en la oblea y emplea generalmente el nitrgeno e hidrgeno como gases portadores.

Por ejemplo:

El amoniaco (NH3)y el diclorosilano (H2SiCl2) producirn una capa de nitruro de silicio (Si3N4). El silano y el oxgeno permiten obtener capas de dixido de silicio. El hexafluoruro de tungsteno (WF6) se utiliza para crear una capa de siliciuro de tungsteno

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Metalizacin (deposicin de metal)

Se utiliza para formar las capas de conduccin y se aplican dos mtodos diferentes: por evaporacin y por chisporreteo, agrupados en la categora de deposicin fsica por vapor o PVD.

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Metalizacin (deposicin de metal)

La evaporacin utiliza el calor de un filamento elctrico o de un haz de electrones y un fuerte vacio para vaporizar la fuente de metal. El material vaporizado se condensa sobre la superficie de las obleas. El chisporreteo utiliza plasma de argn que bombardea el metal fuente. Las molculas de metal desprendidas son focalizadas por una lente, llamada colimador; y se depositan en una fina pelcula sobre la superficie de la oblea.

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Ataque del metal

El ataque del metal elimina selectivamente porciones de la capa de aluminio para dejar establecidas las rutas de conexionado del dispositivo.

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Ataque del metal

La oblea es colocada en el interior de la cmara de procesamiento y recibe una carga elctrica negativa. La cmara es calentada hasta 200F (100C) y se induce un vaco de 10 militorrs, luego se llena de plasma cargado positivamente (generalmente una mezcla de nitrgeno, cloro y cloruro de boro (BCl3)). Las cargas elctricas opuestas originan que las molculas de plasma se muevan rpidamente para alinearse en direccin vertical, provocando una accin fsica y qumica del tipo choro de arena, eliminando el aluminio expuesto.

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Incineracin

Proceso que se encarga de eliminar de forma selectiva la fotoresina residual por medio de un plasma de alta temperatura sin daar las capas del dispositivo.

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Testeo y Corte en dados

Despus de aplicada la capa final de pasivado, la oblea entera pasa por una preparacin posterior, la cual afina la oblea para permitir una mejor disipacin de calor y elimina las grietas tensionales que pueden causar la rotura.

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Testeo y Corte en dados

Cada oblea terminada puede contener algunos cientos de dispositivos del mismo tipo contenidos en pequeos dados. Todos los dados son testeados de forma automtica antes de proceder a cortarlos.

El equipo de testeo utiliza unas sondas tipo agujas para hacer contacto en los pads de soldadura (puntos de conexin del circuito) de cada dispositivo y verificar su funcionamiento.

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Conexionado

Una vez separados en dados, los circuitos son montados en el cuerpo que contiene los terminales (pines).

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Conexionado

Mediante un proceso automatizado se fijan los cables ultrafinos (en torno a los 30 mm de dimetro, 1/3 del dimetro del cabello humano) entre cada pad del dispositivo y el conector (pin) del soporte.

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Encapsulado

Despus de terminada la soldadura de los cables se procede al sellado del dispositivo en un envoltorio cermico o de plstico.

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Nota:

Las imgenes y fotos fueron tomadas de Fullman Kinetics http://www.fullman-kinetics.com/semiconductors/index.html

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