Fabricación de Silicio Grado Semiconductor: Etapas y Control de Calidad

Preparación del Silicio y la Oblea

Silicio Grado Semiconductor

• El silicio altamente refinado usado para la fabricación de obleas es llamado silicio grado semiconductor (SGS), y a veces es denominado como silicio grado electrónico. La ultrapurificación del silicio grado conductor es obtenida por medio de un proceso de varios pasos, conocido como el proceso Siemens.

Estructura de Cristal

• El cristal es un material sólido con un ordenado patrón tridimensional por un largo rango. Es diferente de un material amorfo que no posee estructura repetitiva.
• La unidad celular es la entidad fundamental por el orden del largo rango encontrado en los cristales. La unidad celular del silicio es una estructura de diamante cúbico con una cara central. Unidades celulares pueden ser organizadas en un arreglo irregular, conocido como policristal. Un monocristal está constituido por unidades celulares ordenadas.

Orientación del Cristal

• La orientación de una unidad celular en un cristal es descrita por una serie de números conocidos como índice Miller. Los planos más comunes de cristales en una oblea son (100), (110) y (111). Obleas con (100) plano de orientación de cristales son los más comunes para dispositivos MOS, así mismo, los (111) son más comunes para dispositivos bipolares.

Producción de Monocristales de Silicio

• Los monocristales de silicio son producidos con el método de Czochralski para llegar a la orientación correcta de los cristales y dopaje. Un extractor de cristales CZ es usado para producir los lingotes de silicio. Pedazos de silicio son calentados en la hornaza del crisol del extractor, mientras una semilla de cristal de silicio es usada para crear una nueva estructura cristalina.
• El proceso de extracción sirve para replicar en forma precisa la estructura de la semilla. Los parámetros principales durante la creación del lingote son el rango de extracción y la rotación de los cristales. Cristales más homogéneos son obtenidos con campos magnéticos alrededor del mezclado de silicona, conocido como CZ magnético.
• El material de dopaje es adicionado a la mezcla para dopar el lingote de silicio a la resistividad eléctrica deseada. Las impurezas son controladas durante la creación del lingote. Un método de creación de cristales por zona flotante es usado para obtener el silicio de alta pureza con bajo contenido de oxígeno.
• Lingotes de gran diámetro son creados actualmente, con una transición en su camino para producir lingotes de 300 mm de diámetro. Hay un costo beneficio para mayores diámetros de la oblea, incluyendo más chips producidos de una misma oblea.

Cristales Defectuosos en el Silicio

• Defectos de los cristales son interrupciones en la naturaleza repetitiva de las unidades celulares. La densidad de defectos es el número de defectos por centímetro cuadrado en la superficie de la oblea.
• Hay tres tipos generales de defectos de cristal:

1. Defectos puntuales: Son vacantes (o vacíos), intersticiales (un átomo dentro de un vacío) y defectos Frenkel, donde un átomo deja su latitud y posición por sí mismo en un vacío.
2. Dislocaciones: Una forma de dislocación es una falta en el apilado, que ocurre por errores en la capa de apilado. Faltas de apilado en inducciones de oxígeno, son inducidas por la oxidación térmica.
3. Defectos extensos: Son debidos a la estructura del cristal (ocurren frecuentemente en la creación de los cristales).

Preparación de la Oblea

• El lingote cilíndrico de cristales simples pasa por una serie de pasos para crear obleas, incluyendo operaciones de maquinaria, operaciones químicas, pulimiento de superficie y chequeos de calidad.
• Los primeros pasos para la preparación de obleas son las operaciones de configuración: remoción final, pulido diametral, y el extendido de la oblea o corte. Luego de que esto está terminado, el lingote pasa por un cortador de obleas, seguido de un pulido para remover daños mecánicos y el eje del contorno. El grabado de la oblea es hecho para remover el daño químico y la contaminación, seguido del pulimiento. Los pasos finales son limpieza, evaluación de la oblea y empaque.

Medidas de Calidad

• Los proveedores de obleas tiene que producir obleas bajo estrictas medidas de calidad, incluyendo:

• Dimensiones físicas: Dimensiones actuales de la oblea (diámetro, ancho, etc.).
• Espesor: Variaciones lineales del espesor en la oblea.
• Microrrugosidades: Picos y valles encontrados en la superficie de la oblea.
• Contenido de oxígeno: Oxígeno excesivo puede afectar las propiedades mecánicas y eléctricas.
• Defectos de cristal: Debe ser minimizado para la óptima calidad de la oblea.
• Partículas: Controlado para minimizar la pérdida de componentes durante la fabricación de la oblea.
• Resistividad del compuesto: Resistividad uniforme por parte del dopaje en la producción del cristal es crítico.

Capa Epitaxial

• Una capa epitaxial (o epi layer) es creada en la superficie de la oblea para obtener la misma estructura simple de cristales con control sobre el tipo de dopaje de la epi layer. El epitelio minimiza los problemas de latchup como dispositivos geométricos que se contraen.