Ingeniería Básica_Materiales Para El Desarrollo de Semiconductores(Jose Rosas)

7/24/2019 Ingeniera Bsica_Materiales Para El Desarrollo de Semiconductores(Jose Rosas)

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Ingeniera bsica:Materiales para eldesarrollo desemiconductores.

Jos Rosas

Bases de diseo.Aqu se va a presenta los fundamentos de los procesos que intervienen en lafabricacin de semiconductores de silicio especcamente y lo que se debetener en consideracin al momento de disear.

Tipos de silicio.

Silicio Amorfo. Caso particular !"ido de Silicio #Si$%&. 'uen dielctrico. Silicio Cristalino. (aterial base para el diseo de semiconductores. Silicio policristalino #)olisilicio&. *tili+ado en la construccin de la puerta

del ($S.

Energa.,a ener-a que separa las dos bandas de un material #'anda de conduccin y'anda de alencia&/ tambin llamada 0ner-a del 1A) #0-&/ y medida en

electrn olt #e&/ dene la conductividad del mismo. 2sta es muy sensible a latemperatura. 3e esta forma

0- 4 % e/ el material es un metal/ o semiconductor. )ara el caso del Si


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A temperatura 6 >99: ;/ el silicio tiene del orden a 59 59 pares0lectrn?=ueco. 0sta caracterstica =ace posible que ste material sea

interesante desde el punto de vista del diseo microelectrnico.

Dopajes.)ara =acer que el silicio #valencia @& ten-a un mayor e"ceso de electroneslibres/ o por el contrario/ una mayor falta de electrones libres #o e"ceso de=uecos&/ necesitaremos insertar en la red cristalina de ste material/ una seriede sustancias dopantes. 0stos materiales/ crearn defectos en la red del silicio/y dependiendo del nBmero de tomos introducidos #=asta 59%5&denominaremos al conunto de tomos/ cristal D o cristal ). ,a unin de ambos/crear la unin clsica de un semiconductor )D.

ristal !.Entroducimos en la red cristalina materiales de valencia 7/ que introducen unelectrn de ms en la red. A este material se le llama/ donador. 3e esta forma/al estar la red con un e"ceso de car-as ne-ativas/ le llamaremos cristal tipo D#fsforo/ arsnico/ antimonio&.


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Figura 2. Representacion de un cristal P.

Tipos de semiconductores.0n funcin de cmo asociemos los materiales entre ellos #con diferentesvalencias& obtendremos los si-uientes tipos de semiconductor

0lementales. alencia E. (aterial Si/ 1e. 'inarios

o alencia EFE Si1e/ SiC.o alencia EEEF 1aAs #optoelectrnica&/ 1aSb.o alencia EEFE CdSe #Enfrarroos&/ Cd


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Tecnologas de implementaci$n. )lanar. *tili+a slo la supercie de la oblea del silicio para =acer la

circuitera. 'ul. *tili+a todo el -rosor de la oblea #9.7mm&/ tambin llamado

sustrato/ para implementar la circuitera #muy utili+ado en la fabricacinde circuitos discretos/ como diodos&.

0l silicio natural/ obtenido de la arena #entre otras fuentes&/ est altamentecontaminado #podramos decir que s bsicamente di"ido de silicio&. )aradepurarlo o descontaminarlo/ aplicamos carbono a alta presin y

conse-uiremos dear puro al K8L #a su ve+/ liberamos C$%&. A este silicioresultante/ se le denomina de silicio metalBr-ico. $tro mtodo para depurar elsilicio es aplicarle Mcido Clor=drico. Con esta tcnica se libera I%/ SiICl> y Si%.2ste Bltimo tiene a=ora una pure+a del KK.KKKL.

recimiento de cristales de silicio.0l mtodo de C+oc=ralsi o mtodo convencional para el crecimiento del silicio/consiste en colocar en un =orno a altsima temperatura/ una semilla de silicio

con la orientacin (iller cristalo-rca deseada. 0n la cubeta de dic=o =ornoe"iste silicio ) o D lquido. Si introducimos la semilla/ en esta cubeta/ yempe+amos a -irar lentamente dic=a semilla en la sustancia/ los tomos delsilicio/ se empe+arn a alinear cristalo-rcamente #repetirn la estructuracristalina de la semilla/ en los tomos que se vayan en-anc=ando a la misma&.


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Figura 3. Mtodo de Czochralsk.

A continuacin/ si vamos sacando poco a poco #rotando& el conunto/ se irf d bl d d d Si ll d i il Al = t d t


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orte % marcaci$n de las obleasA continuacin/ se toma el misil/ y se le lima #con lser& uno o varios de sus

lados para marcar por un lado/ el tipo de cristal que lo forma #) o D&/ y por otrolado la orientacin cristalo-rca. ,a orientacin ms apropiada para lasaplicaciones en microelectrnica/ son la 45996/ y 45556.

45996. 0s muy Btil para tecnolo-a ($S. 45556. 0s muy Btil para tecnolo-a 'J


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Figura 4. Circuito integrado.

Figura 5. i!erentes arreglos del se"iconductor para un siste"a integrado.

A continuacin se presenta un arre-lo -eneral de un transistor


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A la =ora de disear un circuito inte-rado es necesario tener en cuenta lassi-uientes re-las que son diferentes de las de diseo de un circuito discreto.

0l material de partida en la construccin de un circuito inte-rado es una obleasemiconductora con una determinada resistividad y orientacin cristalo-rca.0l primer proceso consiste -eneralmente en la formacin de capas del-adas dematerial sobre la oblea. 0sta se puede reali+ar mediante procesos decrecimiento epita"ial de pelculas semiconductoras/ crecimiento trmico de"idos/ y deposicin de polisilicio de capas dielctricas y metlicas.


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trmico y/ que si no se evita/ lle-a a destruir el dispositivo. ,os

amplicadores de audio y los re-uladores de tensin son proclives a este

fenmeno/ por lo que suelen incorporar protecciones trmicas.

,os circuitos de potencia/ evidentemente/ son los que ms ener-a deben

disipar. )ara ello su cpsula contiene partes metlicas/ en contacto con la parte

inferior del c=ip/ que sirven de conducto trmico para transferir el calor del

c=ip al disipador o al ambiente. ,a reduccin de resistividad trmica de este

conducto/ as como de las nuevas cpsulas de compuestos de silicona/permiten mayores disipaciones con cpsulas ms pequeas.

,os circuitos di-itales resuelven el problema reduciendo la tensin de

alimentacin y utili+ando tecnolo-as de bao consumo/ como C($S. Aun as en

los circuitos con ms densidad de inte-racin y elevadas velocidades/ la

disipacin es uno de los mayores problemas/ lle-ndose a utili+ar

e"perimentalmente ciertos tipos de criostatos. )recisamente la alta resistividadtrmica del arseniuro de -alio es su taln de Aquiles para reali+ar circuitos

di-itales con l.

apacidades % autoinducciones parsitas

0ste efecto se reere principalmente a las cone"iones elctricas entre el c=ip/

la cpsula y el circuito donde va montada/ limitando su frecuencia de

funcionamiento. Con pastillas ms pequeas se reduce la capacidad y la

autoinduccin de ellas 0n los circuitos di-itales e"citadores de


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Condensadores. Slo son posibles valores muy reducidos y a costa de

muc=a superficie. Como eemplo/ en el amplificador operacional TA@5/ el

condensador de estabili+acin viene a ocupar un cuarto del c=ip.

Enductores. Se usan comBnmente en circuitos de radiofrecuencia/ siendo

=bridos muc=as veces. 0n -eneral no se inte-ran.

Densidad de integraci$n.

3urante el proceso de fabricacin de los circuitos inte-rados se vanacumulando los defectos/ de modo que cierto nBmero de componentes del

circuito nal no funcionan correctamente. Cuando el c=ip inte-ra un nBmero

mayor de componentes/ estos componentes defectuosos disminuyen la

proporcin de c=ips funcionales. 0s por ello que en circuitos de memorias/ por

eemplo/ donde e"isten millones de transistores/ se fabrican ms de los

necesarios/ de manera que se puede variar la intercone"in nal para obtenerla or-ani+acin especicada.

Balance de materia % energa.Balance de materia.entra+produce=sale+acumulado

Balance de energa.,a ecuacin -eneral del balance de ener-a se e"presa de la si-uiente forma

Acumulacion de energiadentro del sistema=transferencia de energia atraves de la fronteradel sistematrans


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Figura %. iagra"a de &u'os del proceso de !a(ricaci)n de los circuitos integrados.

riterios de diseo.

0l fabricante de CEs/ a la =ora de trasladar al silicio los motivos denidos por eldiseador/ se encuentra con dos limitaciones importantes

0n primer lu-ar/ el tamao e"acto dibuado para las pistas no se puede-aranti+ar estrictamente. *n rectn-ulo de dimensiones dibuadas ,"H acabateniendo unas dimensiones reales #,Pd&"#HPd&. 0l valor de d es especco decada tipo de pista/ y recibe el nombre de factor de tolerancia de creacin de lapista correspondiente #Oi-ura 8i+quierda&.


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aleadas en el rbol estn dos mscaras/ ms probable es que se produ+ca unerror de alineamiento entre ellas.

0n la Oi-ura K/ podemos ver el efecto producidor por el desalineamiento demscaras. )ara prevenir estas fuentes de error/ el tecnlo-o impone una seriede re-las de diseo que -aranti+an el correcto funcionamiento del circuito aBnen presencia de estos fallos/ imposibles de eliminar.


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3enicin de las re-las en funcin de un parmetro unitario W #re-las W&3eniendo un parmetro cticio W como unidad de medida se consi-ue

#5& simplicar el nBmero de medidas a recordar y #%& conse-uir re-lasvlidas incluso cuando la tecnolo-a reduce sus dimensiones. 0lparmetro W se esco-e de forma que todas las medidas que apare+canen las re-las de diseo sean mBltiplos de sta.

,a Oi-ura 59muestra un conunto de re-las simplicadas. 'sicamente lasre-las denen

W de distancia/ a ries-o de que contacten& 3esbordamientos mnimos de una pista respecto a otra #e. 0l polisilicio

de puerta de un transistor debe sobrepasar al menos en % W a la pista dedifusin&.

Solapamientos mnimos. #e. ,a difusin y el polisilicio en un contactopolidifusin F metal deben solaparse al menos en 5 W&.


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Figura 11. Reglas de diseo si"plicadas.

Estudios tcnicos.0n cuanto al estudio del medio ambiente se basa en el fenmeno de salas

blancas/ la cual se describe a continuacin"alas blancas.0l fenmeno de las salas blancas tiene sus races =ace ms de 599 aos por la

id d d l l i f i l = i l d l id d


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mantenimiento y mayor capacidad de inte-racin tenemos. Comoeemplo/ la sala blanca del Centro Dacional de microelectrnica de

'arcelona/ posee Clase 5999/ y el coste del mantenimiento diario es deQ999Y.

Figura 12. Clasicaci)n de las salas (lancas por clase.

Oluo de Aire. 2ste debe ser mayor a %7metros ? minuto/ y de tipolaminar para no levantar polvo.

0l a-ua utili+ada para limpiar las obleas y otros utensilios/ debe ser ultrapura o de -rado electrnicoX sin cobre/ =ierro ni sodio/ que son

materiales que de-radan las obleas/ y a su ve+ desioni+ada. Zona -eo-rca. ,a sala blanca debe estar aislada de vibraciones

e"ternas.


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arta *antt.

Figura 13. Carta 6antt para e'ecuci)n de proecto.

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