Crecimiento epitaxial
La técnica de crecimiento epitaxial se emplea en la fabricación de multitud de
semiconductores, permitiendo controlar la pureza del material a medida que se
crean las estructuras que lo forman. Esta técnica continúa evolucionando y,
ahora, un equipo de investigadores indios afirma haber mejorado el proceso
para la fabricación de memoria no volátil, empleando un sistema de
polarización ferroeléctrica.
Es una de las técnicas más utilizadas para la fabricación de chips de memoria
no volátil es la de crecimiento epitaxial. Esta consiste en hacer crecer la
estructura de un material semiconductor depositando una capa delgada del
mismo material, con la forma deseada según la arquitectura final del chip. Para
ello, a grandes rasgos, se calienta el material base hasta casi el punto de fusión
y se pone en contacto con otra pieza del mismo material para que este se adhiera
en una lámina ultradelgada, que debido a la acción del calor se fusiona, y se
recristaliza el enfriarse.
Esta técnica es ampliamente utilizada desde hace tiempo, pero la industria está
trabajando en otras tecnologías para la fabricación de semiconductores,
buscando formas de acelerar el proceso y, como mínimo, mantener el alto nivel
de calidad actual. Pero el sistema de crecimiento epitaxial continúa
evolucionando, y ahora un equipo de investigadores de diferentes instituciones
de India ha publicado un trabajo en el que afirman haber mejorado este sistema.
En su paper explican que su técnica se basa en mejorar las propiedades de
cambio de polarización y de crecimiento de la heteroestructura epitaxial
ferroeléctrica-superconductora de los procesos empleados normalmente en la
fabricación de memoria DRAM convencional (volátil). Afirman que estos
mismos principios se pueden aplicar a la fabricación de memoria no volátil,
cumpliendo con los requisitos técnicos propios de estas tecnologías, que
difieren de los empleados en la fabricación de memoria DRAM.
Este avance podría tener impacto en la industria de semiconductores de
memoria, ahora que los fabricantes están explorando las posibilidades que
ofrecen ciertas tecnologías de memoria no volátil como sustitutos o
complementos de la memoria DRAM en las plataformas informáticas de alto
rendimiento. Y estos avances se podrán ver en unos años a otra escala,
probablemente formando parte de los ordenadores personales que utilizamos en
nuestro día a día para trabajar o disfrutar del ocio digital.
¿Qué es el crecimiento Epitaxial?
Es el crecimiento ordenado de una capa monocristalina que mantiene una
relación definida con respecto al substrato cristalino inferior.
¿Para qué es Útil?
Es útil para la 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.
El crecimiento epitaxial, es una tecnología estándar en la fabricación de
dispositivos de Silicio.
• Permite la fabricación de dispositivos electrónicos 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.
Existen dos tipos de categorías
• Homoepitaxia: es 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 (auto epitaxia 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 red Silicon on Insulator (SOI) Silicon
on Shaphire (SOS).
Técnicas Epitaxiales: 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. 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.
• MBE (molecular beam epitaxy): epitaxia de haces moleculares 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).
Características del proceso
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. Así mismo el proceso puede llevarse
a cabo a presión atmosférica, evitando la necesidad de realizar un sistema de
vacío y reduciendo la complejidad y este proceso se puede aplicar a silicio o
arseniuro de galio (GaAs).
El proceso ocurre en reactores que tienen disposición horizontal, vertical o
barril, los cuales tienen una cámara de reacción típicamente de 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 para que los átomos de dopantes adquieran la energía
suficiente para moverse y formar los enlaces covalentes.
Para el proceso de crecimiento se utiliza un gas para depositar el material, el
silano (SiH4), tetracloruro de Si (SiCl4),triclorosilano (SiHCl3). Se utiliza un
segundo gas para el dopaje) la 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.
Procesos superficiales: absorción, difusión en superficie, incorporación en
clúster de islas o en kinks. De absorción 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 cuál de los pasos
previamente comentados es el paso determinante. 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.
Las celdas de efusión contienen los materiales a ser depositados o crecidos
epitaxialmente. La oblea se mantiene a una T controlada (400 ºC-900 ºC,
temperatura baja). Luego 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. La
oble se mantiene girando 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 característica de crecimiento es aproximadamente 1nm/sec (es
muy baja) lo que permite la variación gradual de la composición del material.
Históricamente: es la epitaxia más antigua y la más sencilla
.Fue utilizado por primera vez por H. Nelson (1963) para el crecimiento de
uniones pn de GaAs. Se utiliza principalmente para crecer materiales
compuestos (ternarios y cuaternarios) muy uniformes, delgados y de alta
calidad. Involucra el crecimiento de capas epitaxiales sobre sustratos cristalinos
por precipitación directa desde la fase líquida. Cristalización de las fases a partir
de una solución. Se basa en la SOLUBILIDAD de un soluto en un disolvente a
una Tª dada. El sustrato (la oblea donde se quiere crecer la capa) de poner en
contacto con una solución: Con un solvente previamente escogido saturado del
material semiconductor. A una Temperatura apropiada. En condiciones
próximas al equilibrio entre la disolución y el sustrato, se puede crecer el
semiconductor sobre el sustrato 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 reducción de dopantes. 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 sustrato y la mezcla.
Al alcanzar T0 el horno se inclina y la fase líquida cubre al sustrato. Después se
reduce la Tª y como consecuencia, crece la capa epitaxial sobre la superficie del
sustrato. El proceso termina cuando el horno regresa a la posición inicial.