Crecimiento epitaxial

El crecimiento epitaxial o epitaxia es uno de los procesos en la fabricación de circuitos integrados.

A partir de una cara de un cristal de material semiconductor se hace crecer un substrato con la misma estructura cristalina; el sustrato debe poseer dos condiciones esenciales. La primera es que debe tener sitio de nucleación donde los átomos a depositar pierdan su energía y lleguen a formar parte de la estructura cristalina del sólido. La segunda es que el sustrato debe poseer una temperatura tal que, una vez alcanzada la superficie por los átomos que contribuirán al crecimiento, estos puedan moverse fácilmente hasta situarse en un lugar de la red cristalina .

Mediante esta técnica se puede controlar de forma muy precisa el nivel de impurezas en el semiconductor, que son los que definen su carácter (N o P). Para hacer esto se calienta el semiconductor hasta casi su punto de fusión y se pone en contacto con el material de base para que, al enfriarse, recristalice con la estructura adecuada. La capa crecida se extiende sobre toda la superficie del sustrato no de forma localizada como en la difusión.

TIPOS DE EPITAXIA

Según sea el material que vamos a crecer sobre el sustrato:

• HOMOEPITAXIA

Consiste en la deposición de un material sobre el mismo material

Ej. Si sobre Si Se obtiene mayor control del dopado y mejor calidad de la red cristalina

• HETEROEPITAXIA

Aquí la deposición de un material se hace sobre otro material

Ej: Si sobre Ge(4%); AlGaAs sobre GaAs (1%o)

La heteroepitaxia presenta algunos problemas:

--Generación de tensiones(entre las diferentes capa)

--Aparición de un espesor critico

Estos problemas requieren un mayor control de las condiciones de crecimiento

Dependiendo de la forma de transportar el material a crecer desde la fuente hasta el substrato existen tres técnicas fundamentales de crecimiento epitaxial.

• Crecimiento epitaxial en fase líquida (LPE).

• Crecimiento epitaxial por haces moleculares (MBE).

• Crecimiento epitaxial en fase vapor (VPE).

La epitaxia en fase liquida es el crecimiento de capas epitaxiales sobre sustratos cristalinos por precipitación de un solido directamente desde una fase liquida. Es un proceso muy utilizado en compuestos III-V y II-VI, pudiendo realizarse estructuras multicapa con composiciones y dopajes homogeneos y bien controlados.

Para la obtención de estructuras que contengan varias capas con diferentes composiciones, en la actualidad se utiliza una tecnica llamada barquilla deslizante. Esta barquilla se compone de dos partes: el tronco y el deslizador como se observa en la figura2.

El tronco generalmente no se mueve y tiene unas cavidades hechas sobre un bote de grafito de alta pureza donde se alojan las fases líquidas de diferentes composiciones. Cada una de estas composiciones posee los elementos necesarios y los dopantes que originan las capas epitaxiales.

El deslizador tambien de grafito tiene una cavidad en la cual se deposita el substrato, éste se desliza en relación con el tronco y de esta manera el substrato se pone en contacto con cada una de las fases líquidas contenidas en las cavidades del tronco.

Un termopar es introducido en el interior de la barquilla para indicar exactamente la temperatura existente en el sustrato, dato que debe ser perfectamente conocido y controlado.

El conjunto esta colocado en un tubo cerrado de cuarzo, por ambos lados y calentado por un horno que permite saltos de temperatura de forma controlada.

Durante la epitaxia un flujo de H2 purificado recorre el tubo eliminando el oxigeno y el vapor de agua que pudiera contaminar el proceso.

Si al mismo tiempo se baja la temperatura del horno, entonces sobre la superficie del substrato se van a cristalizar capas epitaxiales; la composición de estas capas depende de la temperatura y de las composiciones de las fases líquidas.

El espesor de algunas de las capas se puede regular variando el intervalo de la temperatura en el que se realiza el proceso de cristalización o bien variando el volumen de la fase líquida.

Cabe señalar que la epitaxia por fase líquida, desde el punto de vista técnico, es bastante sencillo, económica, y no usa gases tóxicos, pero es difícil hacer una producción masiva con ella.

El termino Molecular Beam Epitaxy ( MBE ), describe el crecimiento epitaxial de laminas delgadas de semiconductores compuestos mediante la reacción de haces moleculares térmicos de los elementos constituyentes con la superficie de un sustrato cristalino, mantenido a temperatura adecuada y en condiciones de ultravacío.

Consiste en la evaporación de fuentes sólidas de manera que se producen haces moleculares y se dirigen sobre un sustrato caliente sobre el cual se deposita el material.

Es una técnica habitual en el crecimiento de heteroestructuras de semiconductores por la gran perfección cristalina que alcanza. Los haces moleculares inciden sobre un sustrato y diversas reacciones químicas ocasionan la deposición de monocapas sucesivas. Mediante el adecuado control de las especies químicas de los haces se puede variar la composición de las capas epitaxiales.

Esta técnica, se ha de realizar en condiciones de ultravacío, ya que cualquier impureza dañaría nuestra capa. Además, los materiales a epitaxial han de ser de gran pureza. Dentro de las ventajas de este método se encuentran las siguientes:

• Control de espesores con muy alta precisión

• Baja temperatura de crecimiento

• Posibilidad de fabricar estructuras complicadas

Inconvenientes:

• Se ha de realizar en cámaras de vacío

• Complejidad de instalación y uso

• Alto coste

La VPE es un proceso en el que el material es trasportado al sustrato en forma de vapor, generalmente formado por compuestos. Estos, una vez alcanzado el sustrato se descomponen, y se incorporan a su superficie.

Es hoy en DIA el proceso mas ampliamente utilizado.

El equipo empelado, es un tubo rodeado de unas bobinas de inducción. Los sustratos de silicio están colocados sobre una cesta de grafito, la cual es calentada por las bobinas de inducción hasta una temperatura próxima a los 1200 ºC.

Al calentarse a esta temperatura, un flujo de gases atraviesa el tubo en el que queda encerrado todo el conjunto, siendo la composición de estos gases muy controlada mediante válvulas.

En el interior del tubo se produce la siguiente reacción:

Si Cl4 Si (sólido) + 4 Cl H

En este caso, es el Si en estado sólido el que se deposita en nuestro sustrato. Esta reacción se tiene que producir muy lentamente, ya que si no se depositaria silicio policristalino en lugar de el silicio buscado.

Horno usado para la VPE

Por ultimo se muestra una tabla en la que se comparan algunos de los parámetros de las distintas técnicas usadas en el mundo industrial.