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Fabricación de chips, un proceso de difusión y deposición selectiva

 

Héctor Ismael Olmos Castillo, Facultad de Química, Universidad de Guanajuato, Col. Noria Alta S/N

 

Resumen

En este artículo se hace una descripción de la naturaleza física de los circuitos integrados utilizados en la industria electrónica, se comprenderán los procesos involucrados durante la fabricación, siendo etapas de ellas difusión selectiva y deposición química de vapor entre otras. El artículo es de tipo descriptivo y se pretende mostrar como con la difusión selectiva por microlitografía se logra crear sistemas complejos basados en características físicas y químicas de los materiales.

 

Introducción

La fabricación del diodo semiconductor inició la era de la electrónica del estado sólido, su etapa primaria estaba basado en semiconductor de óxido de cobre, posteriormente se utilizó el germanio dopado y en la actualidad el silicio como monocristal dopado. El diodo se fabrica con dos tipos de semiconductores unidos entre si un tipo n y un tipo p.   La fabricación   consiste en la difusión selectiva sobre una base de silicio para la formación de los dos tipos de semiconductores, el de tipo p que contiene elementos químicos neutros que tienen en la capa de valencia un electrón menos que el estado basal del silicio, entre ellos algunos elementos del grupo 3A de la tabla periódica el de tipo n tiene en la capa de valencia un electrón mas que el estado basal del silicio, ellos son los del grupo 5A . La característica eléctrica principal del diodo es que solo conduce en una dirección de uso valuable en conversión de corriente alterna a directa.

   Una forma sencilla de describir la fabricación del diodo es que en una oblea de silicio “Substrato”, se dopa en la parte superior con material tipo n y la inferior con material tipo p, posteriormente ambas superficies se metalizan y se cortan para elaborar varias unidades de la misma oblea. En los diodos emisores de luz la oblea es de arseniuro de galio.

Fig 1.- El dopado de una oblea de Silicio para construir un diodo es selectivo, la parte superior  se dopa con material n, la inferior con material p, la capa de metal es para fijar los contactos

        Los transistores son los dispositivos electrónicos con al menos dos capas diferentes de semiconductor, por ejemplo los bipolares pueden ser de tres capas pnp y npn, los de efecto de campo son dos capas canal n y compuerta p ó viceversa, los de compuerta aislada tienen además una capa delgada de óxido de silicio aislando la compuerta de el canal resistivo. Los dispositivos de control de potencia tales como los Scrs, tiristores ó Gtos, incluyen una mayor cantidad de capas entre si.

            La fabricación de los circuitos integrados requiere de la difusión selectiva tanto en áreas como en capas, de los materiales n, p, iones, metales. En la actualidad los elementos n y p no son solo elementos químicos sino pueden ser moléculas cuyo comportamiento físico ha sido estudiado por las empresas fabricantes para el mejoramiento del tipo de transistores y aplicaciones, entre las características estudiadas están la velocidad de transferencia, las propiedades de emisión o recepción de luz  y otras características físicas de los materiales tales como las piezoeléctricas que son importantes en el diseño de MEMS (Micro electro motors). Una idea de nuevos materiales con sus características puede ser consultada en los artículos del Journal of Materials Science: Materials in Electronics.

Fig. 2. a) Se muestran las áreas donde deben de difundirse los materiales, el rojo corresponde al metal. b) Mascara para solo difundir material n en capa rosa, c) Operación que realiza el circuito.

 

            Una vez que se tiene una oblea de silicio como monocristal, se pule y se recubre con un polímero [Reichmanis & Thomson 1989] el cual se degrada con determinada longitud de onda. Mediante un laser ó radiación de rayos x, se irradian las áreas donde se iniciará el dopaje primario para degradar el polímero en esas regiones, el polímero degradado se retira y quedan las áreas listas para el proceso de difusión. Este proceso de selección de áreas con polímero se le llama microlitrografía. Las áreas sin polímero por ejemplo pueden doparse con material p. Una vez dopado se elimina el polímero y se agrega una capa delgada de silicio mediante deposición química de vapor reduciendo silano y utilizando un laser como medio  de calentamiento mediante la reacción [Irvin Hernan 1989].

SiH4®Si+2H2

    Se repite nuevamente el proceso de litografía para ahora difundir los materiales n, así sucesivamente se van agregando capas hasta formar la estructura funcional del circuito integrado, en cada una de las etapas puede existir un proceso de metalizado donde se requiera conducción de corriente eléctrica entre dispositivos formados y también para formación de capacitores especificando los valores con la ayuda adicional de difusión de iones. Un ejemplo de las áreas seleccionadas para difusión con la mascara de polímero, se muestra en la figura 2.

Fig. 3. a) Pequeños subsistemas forman un sistema global. b) Estructura formada por difusión de materiales en varias capas.

 

Donde se requiere dispositivos electrónicos resistivos se añaden metales ó carbón y se juega con concentración y tiempo de difusión para alcanzar los valores resistivos del diseño, en ocasiones la deposición se lleva a cabo mediante reacciones in situ..

Fig 3.-.Aparato formador de plasma tipo triodo, para añadir elementos resistivos 3CSiC al substrato, la rejilla de control regula el flujo de electrones de catodo a anodo y por ende el  grado de ionización mediante Vg, los reactivos precursores de los resistivos son MMS monometilsilano y DMS dimetilsilano (Yasui y col. 2006)

    Un circuito tiene muchas celdas conectadas entre si para hacer el sistema de operación del circuito integrado que en cada máscara debe de ser contemplada para el diseño global, los sistemas de integración se dividen según su complejidad en LSI, "Sistema de integración grande", VLSI "Sistema de Integración muy grande" y ULSI "Sistema de integración Ultra Elevado". Lo fascinante de estas tecnologías es ver como la creatividad del hombre ha conquistado el nanoespacio con posibilidad de crear diminutas máquinas y bienes de uso diario con sistemas cada vez mas complejos. La creación de sistemas novedosos basados en materiales tanto inanimados como biológicos es una tarea que empieza con la imaginación sigue con la creatividad y termina con la consumación del producto.

 

Referencias

John Newkirk, Robert Matheus, The VLSI designer´s library, Addison Wesley International ISBN 0-201-05444-2

Reichmanis & Thomson, Polymer materials for microlitography, Chemical Reviews, 1989, 89, 1273-1289

 

Irving, Hernan. Laser assisted deposition of thin films from gas-phase and surface adsorbed molecules, Chemical Reviews, 1989, 1323-1357

 

Journal of materials science: Materials in Electronics, ISSN 0957-4522 Springer Verlag.

 

Kanji Yasui, Ryuichi Tsuruma, Takata & Akahane, Application to piezoresistive sensor of SiCOI structure fabricated by triode plasma CVD, Adv. in Tech. Mat. and Mat. Proc. Journal. ISSN 1440-0731 vol 8 [2] 256-259, 2006

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