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Vol 1 No 7
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Universidad de Guanajuato 2007 ® 04-2006-022718133800-102
Fabricación de chips, un proceso de difusión y deposición selectiva
Héctor Ismael Olmos Castillo, Facultad de Química, Universidad de Guanajuato, Col.
Noria Alta S/N
Resumen
En este artículo se hace una descripción de la naturaleza física de los circuitos integrados
utilizados en la industria electrónica, se comprenderán los procesos involucrados durante la
fabricación, siendo etapas de ellas difusión selectiva y deposición química de vapor entre
otras. El artículo es de tipo descriptivo y se pretende mostrar como con la difusión selectiva
por microlitografía se logra crear sistemas complejos basados en características físicas y
químicas de los materiales.
Introducción
La fabricación del diodo semiconductor
inició la era de la electrónica del estado sólido, su
etapa primaria estaba basado en semiconductor de
óxido de cobre, posteriormente se utilizó el
germanio dopado y en la actualidad el silicio como
monocristal dopado. El diodo se fabrica con dos
tipos de semiconductores unidos entre si un tipo n y
un tipo p. La fabricación consiste en la difusión
selectiva sobre una base de silicio para la formación
de los dos tipos de semiconductores, el de tipo p que
Figura 1 El dopado de una oblea de
contiene elementos químicos neutros que tienen en
Silicio para construir un diodo es
la capa de valencia un electrón menos que el estado
selectivo, la parte superior se dopa
basal del silicio, entre ellos algunos elementos del
con material n, la inferior con
grupo 3A de la tabla periódica el de tipo n tiene en
material p, la capa de metal es para
la capa de valencia un electrón más que el estado
fijar los contactos
basal del silicio, ellos son los del grupo 5A . La
característica eléctrica principal del diodo es que solo conduce en una dirección de uso
valuable en conversión de corriente alterna a directa.
Una forma sencilla de describir la fabricación del diodo es que en una oblea de silicio
“Substrato”, se dopa en la parte superior con material tipo n y la inferior con material tipo p,
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posteriormente ambas superficies se metalizan y se cortan para elaborar varias unidades de
la misma oblea. En los diodos emisores de luz la oblea es de arseniuro de galio.
Los transistores son los dispositivos electrónicos con al menos dos capas diferentes de
semiconductor, por ejemplo los bipolares pueden ser de tres capas pnp y npn, los de efecto
de campo son dos capas canal n y compuerta p ó viceversa, los de compuerta aislada tienen
además una capa delgada de óxido de silicio aislando la compuerta de el canal resistivo.
Los dispositivos de control de potencia tales como los Scrs, tiristores ó Gtos, incluyen una
mayor cantidad de capas entre si.
La fabricación de los circuitos integrados requiere de la difusión selectiva tanto en
áreas como en capas, de los materiales n, p, iones, metales. En la actualidad los elementos n
y p no son solo elementos químicos sino pueden ser moléculas cuyo comportamiento físico
ha sido estudiado por las empresas fabricantes para el mejoramiento del tipo de transistores
y aplicaciones, entre las características estudiadas están la velocidad de transferencia, las
propiedades de emisión o recepción de luz y otras características físicas de los materiales
tales como las piezoeléctricas que son importantes en el diseño de MEMS (Micro electro
motors). Una idea de nuevos materiales con sus características puede ser consultada en los
artículos del Journal of Materials Science: Materials in Electronics.
Una vez que se tiene una oblea de silicio como monocristal, se pule y se recubre con
un polímero [Reichmanis & Thomson 1989] el cual se degrada con determinada longitud
de onda. Mediante un laser ó radiación de rayos x, se irradian las áreas donde se iniciará el
dopaje primario para degradar el polímero en esas regiones, el polímero degradado se retira
y quedan las áreas listas para el proceso de difusión. Este proceso de selección de áreas con
polímero se le llama microlitrografía. Las áreas sin polímero por ejemplo pueden doparse
con material p. Una vez dopado se elimina el polímero y se agrega una capa delgada de
silicio mediante deposición química de vapor reduciendo silano y utilizando un laser como
medio de calentamiento mediante la reacción [Irvin Hernan 1989].
SiH4 Si+2H2
Se repite nuevamente el proceso de litografía para ahora difundir los materiales n, así
sucesivamente se van agregando capas hasta formar la estructura funcional del circuito
integrado, en cada una de las etapas puede existir un proceso de metalizado donde se
requiera conducción de corriente eléctrica entre dispositivos formados y también para
formación de capacitores especificando los valores con la ayuda adicional de difusión de
iones. Un ejemplo de las áreas seleccionadas para difusión con la mascara de polímero, se
muestra en la figura 2.
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Fig. 2. a) Se muestran las áreas donde deben de difundirse los materiales, el rojo corresponde
al metal. b) Mascara para solo difundir material n en capa rosa, c) Operación que realiza el
circuito.
Donde se requiere dispositivos electrónicos resistivos se añaden metales ó carbón y se
juega con concentración y tiempo de difusión para alcanzar los valores resistivos del diseño,
en ocasiones la deposición se lleva a cabo mediante reacciones in situ..
Fig. 3. a) Pequeños subsistemas forman un sistema global. b) Estructura formada por difusión de
materiales en varias capas.
Un circuito tiene muchas celdas conectadas entre si para hacer el sistema de operación
del circuito integrado que en cada máscara debe de ser contemplada para el diseño global,
los sistemas de integración se dividen según su complejidad en LSI, "Sistema de
integración grande", VLSI "Sistema de Integración muy grande" y ULSI "Sistema de
integración Ultra Elevado". Lo fascinante de estas tecnologías es ver como la creatividad
del hombre ha conquistado el nanoespacio con posibilidad de crear diminutas máquinas y
bienes de uso diario con sistemas cada vez más complejos. La creación de sistemas
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novedosos basados en materiales tanto inanimados como biológicos es una tarea que
empieza con la imaginación sigue con la creatividad y termina con la consumación del
producto.
Referencias
John Newkirk, Robert Matheus,
The VLSI designer´s library,
Addison Wesley International
ISBN 0-201-05444-2
Reichman is & Tho mson, Poly mer
materials for microlitography,
Chemical Reviews, 1989, 89,
1273-1289
Irving, Hernan. Laser assisted
deposition of thin films fro m gas phase and surface adsorbed
mo lecules, Chemical Rev iews,
1989, 1323-1357
Journal of materials science:
Materials in Electronics, ISSN
0957-4522 Springer Verlag.
Kanji Yasui, Ryuichi Tsuruma,
Takata & Akahane, Application to
piezoresistive sensor of SiCOI
structure fabricated by triode
plasma CVD, Adv. in Tech. Mat.
and Mat. Proc. Journal. ISSN
1440-0731 vol 8 [2] 256-259,
2006
Fig 4. Aparato formador de plasma tipo triodo, para añadir
elementos resistivos 3CSiC al substrato, la rejilla de control
regula el flujo de electrones de catodo a anodo y por ende
el grado de ionización mediante Vg, los reactivos precursores
de los resistivos son MMS monometilsilano y DMS
dimetilsilano (Yasui y col. 2006)
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