Fotolitografía

Técnicas Básicas para
obtener un Circuito Integrado

INTRODUCCION

En pocos años, la Microelectrónica
ha pasado de ser una curiosidad de laboratorio, a
ser una industria
próspera y base activa de todo el mercado de la
electrónica; además, fuera de
éste campo exclusivo interviene cada vez más en la
técnica y la economía y contribuye
a modelar una nueva civilización.

La microelectrónica acentúa el
potente impulso que han dado los transistores a
ña segunda revolución
industrial; como se sabe, esta tiende a remplazar con las
máquinas, no solo la fuerza
muscular, sino a la inteligencia.

Por esto, se ha producido en la historia de la
técnica un desarrollo tan
impetuoso como el que tiene lugar en la actualidad con los
circuitos
integrados y sus aplicaciones.

Los más favorecidos inicialmente fueron los
circuitos
integrados numéricos, los cuales se beneficiaron del
vasto mercado de las
calculadoras. Así como de un prejuicio favorable, y en
efecto, pronosticaron que las técnicas analógicas
estaban abocadas a su pronta desaparición. Ahora bien, con
el paso de los años, los circuitos
integrados lineales han irrumpido en el mercado y han
sobresalido más.

Actualmente existen dos grandes familias de
microestructuras que se fabrican a escala industrial
o seudoindustrial:

• Los circuitos
  Integrados sobre substrato semiconductor (Circuitos
  Integrados Monolíticos).
• Los circuitos
  Integrados sobre substrato aislante (Circuitos
  Hibridos).

En las estructuras
híbridas, los elementos activos (transistores)
están incorporados en el propio circuito integrado, el
cual no contiene entonces los componentes pasivos. Por otra parte
los circuitos
híbridos se dividen en dos
subcategorías:

• Circuitos Híbridos de película
  gruesa, obtenidos por
  Serigrafía
• Circuitos Híbridos de película
  delgada, obtenidos por Evaporación al vacío y
  Pulverización Catódica.

Por el contrario las estructuras
monolíticas se producen simultáneamente todos los
componentes, en el curso de un único proceso, y
están depositados sobre un substrato de
Silicio.

Las dos técnicas se complementan cada vez
más en lugar de hacerse competencia,
puesto que se fabrican circuitos
integrados complejos, múltiples, en montajes
híbridos de chips, etc.

VENTAJAS DE LOS CIRCUITOS
INTEGRADOS.-

La Integración no constituye simplemente un
medio, sino que corresponde a necesidades pr4ecisas. En efecto
los circuitos integrados tienen 4 propiedades
esenciales:

• Pequeño Volumen.
• Fiabilidad.
• Economía.
• Prestaciones.

Comparando las ventajas que ofrecen los circuitos
integrados monolíticos e
híbridos.

A) Para circuitos
Monolìtics:

En cuanto a ACTIVOS:

• Mayor capacidad.
• Mayor fiabilidad.
• Menor costo en
  grandes series.

En cuanto a PASIVOS

• No puede ser fabricado cada elemento con las
  características
  óptimas.
• Es difícil obtener ciertos elementos
  pasivos.
• El precio de
  pequeñas series aumenta.

B) Para circuitos
Híbridos

• Se puede componer una vasta gama de componentes
  pasivos.
• Sus tolerancias pueden ser muy pequeñas
  o muy estrechas.
• No existen acoplamientos parásitos por
  el substrato (aislante)
• Los precios de
  pequeñas series son menores.

EL CIRCUITO INTEGRADO ELEMENTAL
MONOLITICO:

Elaboración de un circuito
integrado

Destinado a realizar una función
determinada, el circuito integrado monolítico constituye
un conjunto indivisible de componentes producidos
simultáneamente en el curso de un mismo proceso de
fabricación.

El material de partida es una pequeña placa
monocristalina de silicio de tipo p, llamada substrato, de 3 a 5
cm de diámetro aproximadamente y de 0,25 min de espesor.
Sobre ésta son creados sucesivamente todos los elementos
de un cierto número de circuitos idénticos cuyas
dimensiones se procura reducir por razones evidentes de economía, pero
también con el fin de disminuir las capacidades
parásitas.

Cada circuito integrado_ está pues
elaborado sobre una pequeña parte del substrato, –
precisamente sobre un «cristal» de dimensiones
comprendidas entre 2 x 2 mm y 0,5 x 0,5 mm.

Una vez terminado el proceso
«físico» de fabricación, se corta la
placa original a fin de obtener los circuitos elementales.
Entonces comienza la- segunda fase de fabricación, el
montaje, o encapsulacíón: cada circuito integrado
se monta en su caja o cápsula y es provisto de sus
conexiones. Desde luego, estas diferentes etapas se obtienen por
una serie de manipulaciones.

EL SUBESTRATO P:

El fabricante produce un cristal p de varias
pulgadas de largo y de 1 a 2 de diámetro que se corta en
delgadas obleas. Un lado de estas obleas se empareja y
pule hasta obtener una superficie libre de imperfecciones. La
oblea resultante se denomina el subestrato p y se
empleará como chasis para los componentes
integrados.

TECNICA EPITAXIAL:

Enseguida, las obleas se colocan en un horno donde
una mezcla de gases de
silicio y de átomos pentavalentes circula sobre ellas. En
esta forma, se obtiene una capa delgada de semiconductor tipo n
sobre la superficie caliente del subestrato (esta capa delgada se
denomina capa epitaxial. La capa epitaxial tiene entre 0.1 y 1
mil de espesor.

Consiste en crear por el proceso de
crecimiento y partiendo de una fase de vapor sobre la superficie
de un monocristal calentado hasta una alta temperatura
átomos que se colocan ordenadamente de acuerdo a la
estructura del
monocristal.

El substrato monocristalino y el depósito
constituyen entonces un cristal único. La capa epitaxial
tiene un espesor comprendido entre 6 y 15 micrómetros
aproximadamente y su resistividad es función de las
impurezas de dopado del orden de 0,5 ohm * cm.

La reacción química que conduce a
la creación de la capa epitaxial, se efectúa en un
cilindro horizontal de cuarzo, llamado: «reacto»,el
cual se calienta por inducción de alta
frecuencia.

LA CAPA DE AISLAMIENTO

Para prevenir que la capa epitaxial se contamine,
se sopla oxígeno puro por la superficie de la oblea. Los
átomos de oxígeno se combinan con los átomos
de silicio y forman una capa de dióxido de silicio (SiO2)
Esta capa, parecida al vidrio, de Si02
sella la superficie y evita posteriores reacciones
químicas; este tipo de sellado de la superficie se conoce
por el nombre de inactivación.

BASES DE INTEGRADO

Cada una de estas áreas se separa
después que la oblea se corte en cuadrados. Antes que la
oblea sea cortada, el fabricante ha producido cientos de
circuitos en ella. Este sistema de
producción masiva en forma
simultánea es la razón del bajo costo de los
circuitos integrados.

LA FORMACIÓN DE UN
TRANSISTOR

Esta es la forma como se realiza un transistor de
circuito integrado: una parte de la capa de SiO2 SC remueve
dejando expuesta la capa epitaxial; luego, la oblea se introduce
en el horno y se difunden átomos trivalentes al interior
de la capa epitaxial. La concentración de átomos
trivalentes es bastante grande como para cambiar la capa
epitaxial expuesta de tipo n a tipo p. Por tanto, se obtiene una
isla de material semiconductor tipo n debajo de la capa de
SiO2.

De nuevo, se hace circular oxígeno sobre la
oblea para formar la capa completa de Si02, donde se abre una
nueva abertura en el centro de la capa de SiO2; la cual expone
solamente una parte de la capa epitaxial tipo n. La abertura se
denomina una ventana y se observa a través de ella lo que
construirá el colector del transistor.

Para obtener la base se introducen átomos
trivalentes de dicha ventana los cuales difundirán en la
capa epitaxial tipo n, invirtiendo las características de ésta y formando
una isla de material tipo p. Posteriormente, la capa de Sio2 es
regenerada al hacer circular oxígeno por la superficie de
la oblea

Para formar el emisor se abre una nueva ventana en
la capa de S'02 y se expone parte de la isla p. Difundiendo
átomos pentávalentes al interior de la capa p, se
forma una pequeña isla n. Finalmente, se inactiva la
superficie de la estructura
haciendo pasar oxígeno sobre la superficie de la
oblea.

Para obtener un circuito integrado tenemos siete
técnicas básicas. Dichas técnicas
son:

2. Fotolitografía.
3. Oxidación.
4. Deposición.
5. Grabado.
6. Difusión.
7. Implantación.

MASCARA

El layout esta compuesto por diferentes materiales:
metales,
polisilicio, áreas activas (P o N)… a cada uno le
corresponde una mascara. En el proceso de
fabricación trabajamos solo en una mascara cada vez hasta
completar todas las correspondientes al layout.

La mascara es un material transparente, de
vidrio,
cristal o cuarzo, cubierto de un material opaco, el cromo, que es
eliminado sucesivamente. Podemos generar copias de un mismo
circuito integrado a partir de la mascara maestra, a partir de
esta podremos reproducirla en la oblea en cada lugar que nos
interese.

FOTOLITOGRAFIA

La fotolitografía es una tecnología que nos
ayuda a transferir la información de la mascara sobre la oblea,
separando las zonas donde queramos que este. El proceso se basa
en cuatro apartados:

2. Cubrir la oblea con un material fotosensible
   (resina).

3. Colocar la mascara encima de la
   oblea.

4. Proyectar haces de luz
   ultravioleta para cambiar la resina.
5. Atacar con disolventes, según la
   resistencia
   de la resina, esta desaparecerá o no.

La resina define las zonas de actuación. Se graba en el
SiO2 que no esta protegido. Al comernos la resina con la luz sabemos que
puntos del SiO2 hemos conservado. Existen dos tipos de
resinas:

2. Positiva: no soluble pero con la luz pasa a
   serlo. Es poco sensible pero obtenemos buena resolución,
   obtenemos bien la forma deseada.
3. Negativa: soluble pero con la luz pasa a no
   serlo.

Según la proyección las mascaras de dividen
en:

2. Mascaras de proyección: se sitúan
   a una cierta distancia de la oblea sin tocarla. Tienen el
   inconveniente de que el coste del equipo de fabricación
   es muy elevado y tenemos problemas de
   difracción.
3. Mascaras de contacto: se sitúan encima
   de la oblea, obteniendo menor difraccion y por lo tanto mayor
   resolución. Tiene el inconveniente de que se deterioran
   rápidamente.

Para solucionar algunos de los
problemas
podemos utilizar diversas alternativas:

2. Utilizar rayos de luz de
   frecuencia mas elevada, por ejemplo rayos
   X.
3. Técnica "Electron-Bean", barrido de
   electrones. Obtenemos mas precisión y podemos prescindir
   de la mascara, pero es una técnica muy lenta en
   ejecución y tiene un coste muy
   elevado.

OXIDACION

La oxidación sirve para
hacer crecer o depositar una capa de silicio (SiO2). Esta tiene
diversas utilidades:

2. Para mascara para el proceso de
   difusión.

3. Capa de oxido grueso, de campo, que sirve como
   aislante.
4. Capa de oxido delgado, de puerta, como
   dieléctrico.

Para conseguir hacer crecer el
silicio utilizamos la técnica de oxidación
térmica, la cual presenta otras dos:

2. Oxidación húmeda. Para ello se
   utiliza vapor de agua sobre
   la oblea a una temperatura
   de 900 a 1000 grados. Es un proceso rápido, crece 1 um
   de SiO2 cada 2 horas. Tenemos mínimo control
   sobre el crecimiento, por lo tanto la utilizaremos para oxido
   de campo.
3. Oxidación seca. Utilizamos una atmósfera rica en oxigeno,
   entre 1100 y 1200 grados. Es un proceso lento, crece 1 um de
   SiO2 en 40 horas. Obtenemos mas precisión y más
   control del
   grueso, útil para determinar exactamente la altura del
   oxido.

Durante la oxidación se
produce una reacción química, y una
difusión de O2 a través del SiO2. Cuando aplicamos
la oxidación a la superficie del silicio, esta consume
parte del silicio, aproximadamente un 4% del grosor final del
SiO2. También se utiliza esta técnica para igualar
etapas anteriores.

Los crecimientos selectivos se realizan dopando con Si3N4,
nitruro de silicio. Este crecimiento se produce en todas las
direcciones, apareciendo el "pico de pájaro", para este
efecto tenemos que aplicar factores de
corrección.

DEPOSITACION:

La deposición se trata de depositar una
capa fina de una substancia encima de la oblea, después
eliminarla selectivamente con el proceso fotolitografico y de
oxidación. Se recorta el material para obtener el layer.
El proceso se basa en introducir substancias en estado gaseoso
a baja presión. Existen dos tipos de procesos:

2. Physical Vapor Deposition (LPPVD). No tenemos
   reacción química durante el
   deposito. Ejemplo: aluminio.
3. Chemical Vapor Deposition (LPCVD). Diferentes
   substancias externas reaccionan para producir el material
   depositado. Ejemplo: polisicio, SiO2, Si3N4.

No hay reacciones químicas
con el substrato y la composición química del layer es
independiente de la del substrato, por lo tanto no tenemos
consumo sobre
dicho substrato. Permite hacer depósitos de una gran
variedad de materiales,
por lo tanto su utilización es elevada. El layer refleja
la tipología del substrato, nos muestra espesores
no uniformes y rompimientos, cosa que nos provoca una distribución no uniforme de la densidad de
corriente.

En una deposición (CVD) de Si monocristalino sobre un
substrato de Si monocristalino, tenemos epitafia en la
deposición cuando la estructura del
cristal que crece es idéntica a la del substrato.
Utilizamos diferentes materiales:
monocristalinos, policristalinos y amorfos. Util poder hacer
crecer un Si con la misma estructura que
la del substrato, pero tenemos el inconveniente de que es muy
sensible a defectos y a la contaminación, la cual cosa implica un
aumento de los defectos.

GRABADO:

El grabado sirve para no tener la
oblea cubierta con todo el material, para eliminar los brazos de
las zonas donde no queremos que haya material. Atacamos el
material eliminandolo donde no haya mascara, resina en general.
Esta técnica es muy selectiva, solo ataca aquello que
queremos, y presenta un alto grado de emisotropia, puede atacar
sobre una o varias direcciones. Existen tres tipos de
grabados:

2. Químico. Eliminamos el material por
   reacción química, disolución. Muy
   selectivo y presenta isotropia, ataca en todas las
   direcciones.

3. Físico. Bombardeo de iones a altas
   energías. Poco selectivo y presenta anisotropia, solo
   ataca en una dirección.
4. Quimico-Fisico. El material es eliminado al
   bombardeo con iones que reaccionan químicamente con
   el.

Grabado húmedo. Es un proceso isotópico que
ataca con agentes químicos en estado
liquido. Presenta una deformación lateral del material
respecto a la mascara deseada, y las zonas protegidas por la
resina no se disuelven.

Grabado seco. Es un proceso anisotropico y selectivo que ataca
con gases a bajas
presiones. Combina las aventajas de los grabados químicos
y físicos. Obtenemos las capas perfectamente definidas,
sin protección y se come el SiO2. Los resultados son
similares a la de la mascara. Util para fabricar dispositivos de
geometría fina.

DIFUSION:

La difusión permite a los
átomos moverse dentro de un sólido introduciendo en
estos substratos diferentes, por ejemplo introducimos de los
tipos N dentro del P o viceversa. Si introducimos un dopaje del
tipo N en grandes cantidades, el substrato se convierte en P.

Sirve para introducir impurezas en el Sí: boro para
obtener zonas tipo P y fósforo, arsénico o
antimonio para N. Requiere altas temperaturas, entre 900 y 1100
grados, y la concentración de impurezas no se presenta
uniformemente. Contra mas tiempo estemos
introduciendo el dopaje mas dopado se presentara el metal. Las
altas temperaturas después de la difusión pueden
provocar una redistribución de las
impurezas.

Difusión selectiva. Se utiliza el SiO2 como
mascara, y presenta un bajo coeficiente de difusión de las
impurezas. Se produce difusión lateral obteniendo una
región más grande que la mascara, teniéndolo
en cuenta en el diseño,
y hace una distribución creciente de las impurezas,
dependiendo de la temperatura y
del tiempo. La
unión PN se produce en la concentración de
impurezas igual a la existente en el substrato.

Difusión con fuente de dopaje constante. La oblea
se recubre con una concentración constante de impurezas.
Los átomos se difusionan hacia el interior del Sí,
la concentración a la superficie se mantiene. La temperatura y
el tiempo
determinaran el numero de impurezas que se transfieren al Si.

Difusión en dos fases. Primero difusionamos con una
fuente de dopaje constante. Luego eliminamos la fuente de
dopantes a través de un grabado que elimina el dopante
sobre la superficie, o sino con el crecimiento de oxido entre el
Si y dopante. Después se redistribuye las impurezas
introducidas. No introducimos mas átomos, estos se
difusionan porque separamos la fuente de
dopaje.

IMPLANTACION:

La implementación se basa en el bombardeo
con iones dopados. Las ventajas de esta técnica son que es
un proceso a bajas temperaturas y obtenemos mas precisión
con las impurezas, reduciendo el crecimiento lateral y
introduciendo el dopaje a mayor profundidad. Tenemos gran
variedad de material por mascara: SiO2, polisilicio, metales, resines… Solo
hace falta que tengan un gran grosor.

La concentración mas alta no esta necesariamente sobre la
superficie, la parte menos profunda. Es un proceso más
controlable que la difusión, pero deteriora la estructura del
Si, degradando las propiedades del cristal de Si. No obstante
hace falta un proceso térmico para redistribuir las
impurezas y reparar los defectos de la estructura
cristalina.

Autor:

Alejandro Tapia Islas