tema 3 técnicas de crecimiento, epitaxial

TEMA 3

Tecnología y fabricación de CIs

Técnicas de Crecimiento, EPITAXIAL

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� EPITAXIA: es el crecimiento ordenado de una capa monocristalina que mantiene una relación definida con respecto al substrato cristalino inferior.

EPI: sobre TAXIS: ordenación

Tema 3. Tecnología y Fabricación de CIs

I. Crecimiento EPITAXIAL : Introducción

Substrato de partidaSubstrato 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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� EPITAXIA: es el crecimiento ordenado de una capa monocristalina que mantiene una relación definida con respecto al substrato cristalino inferior.


Substrato de partidaSubstrato más

Capa epitaxial

Ejemplo: crecimiento epitaxial: región p (base del transistor bipolar y región central del MOSFET)


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� 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 redSilicon on Insulator (SOI)

� Silicon on Shaphire (SOS)



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� 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


tecnología

ciencia


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� 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

Transporte en superficieDesabsorción de los

productos de la reacción

Crecimiento de

escalones

nucleation y

crecimiento de islasabsorción del precursor diffusion superficial

Desabsorción del precursor



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Amorfo a

cristal

Isla a crecimiento

de escalones

Temperatura de crecimiento

amorphous island growth step growth

Baja movilidad superficial Alta movilidad superficial


� 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)…


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� 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.


II. Crecimiento EPITAXIAL : Liquid Phase Epitaxy (LPE)

� 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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� 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 sólidasiempre la corresponde un 50 % de átomos de cada grupo �50 % Ga y 50 % As.



líquido

GaAs + líquido

GaAs + líquido

Diagrama de fases del GaAs

� 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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� 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).



(a)

GaAs + Ga (liquido)

(b)(c)

� 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

� NOTA: Este sistema servía para realizar crecimientos epitaxiales de una sola capa.

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� 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 epitaxialescristalizadas 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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� Características de las capas crecidas� 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.

� Ventajas LPE� 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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� 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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� 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.


III. Crec. EPITAXIAL: Vapour Phase Epitaxy (VPE)

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� 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 truncadasmantienen las obleas dentro de cavidades situadas en sus caras prácticamenteverticales � 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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� 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.


Materiales fuentes de Silicio


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� 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.


Representación esquemática de la Epitaxia de Silicio.

� 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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� 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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� La técnica Molecular Beam Epitaxy (MBE)� 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� El esquema del sistema epitaxial MBE puede observarse en la figura, está compuesto por:


� Las “celdas de efusión” contienen los materiales a ser depositados o crecidos epitaxialmente.

� La oblea:� se mantiene a una Tª controlada (400 ºC-

900 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

Características generales de un sistema MBE típico

IV. Crec. EPITAXIAL: Molecular Beam Epitaxy (MBE)v

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� 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.� Se diseñan para la evaporación de compuestos y la sublimación en rangos de

temperatura de 200 ºC hasta 1400 ºC

� Materiales MBE III-V Standard son: Al, Ga, In.� 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

IV. Crec. EPITAXIAL: Molecular Beam Epitaxy (MBE)

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� Los inconvenientes de la técnica MBE: � Elevado coste del equipo y su complejidad.� Bajas velocidades de crecimiento� Sólo es posible realizar el crecimiento deuna única oblea cada vez.


� 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.


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� 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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� La perfección cristalina de la capa epitaxialnunca 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)


V. Defectos

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