Proceso de Front-End en la Fabricación de Chips: Deposición de Películas Delgadas

Proceso de Front-End en la Fabricación de Chips: Deposición de Películas Delgadas

Los circuitos integrados se componen de muchos pasos de fabricación complejos y refinados, entre los cuales la deposición de películas delgadas es una de las tecnologías más críticas. El propósito de la deposición de películas delgadas es construir pilas multicapa en dispositivos semiconductores y asegurar el aislamiento entre las capas de metal. Múltiples capas de metal conductoras y capas aislantes dieléctricas se apilan alternativamente en la superficie de la oblea. Estas se eliminan selectivamente mediante procesos de grabado repetidos para formar una estructura 3D.

El término delgado generalmente se refiere a películas con un grosor inferior a 1 micra, que no se pueden producir mediante mecanizado mecánico convencional. El proceso de fijación de estas películas moleculares o atómicas a la superficie de la oblea se llama deposición.

 

Dependiendo del principio subyacente, las técnicas de deposición de películas delgadas se clasifican generalmente en:

• Deposición Química en Fase Vapor (CVD)

• Deposición Física en Fase Vapor (PVD)

• Deposición de Capa Atómica (ALD)

A medida que la tecnología de películas delgadas ha evolucionado, han surgido varios sistemas de deposición para servir a diferentes pasos de la fabricación de obleas.

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▌Deposición Física en Fase Vapor (PVD)

PVD se refiere a un grupo de procesos basados en vacío que utilizan medios físicos para vaporizar el material objetivo (sólido o líquido) en átomos o moléculas, o ionizarlos parcialmente, y transportarlos a través de gas o plasma a baja presión para depositar películas funcionales sobre el sustrato.

Los métodos PVD comunes incluyen:

• Deposición por evaporación

• Deposición por pulverización catódica

• Deposición por plasma de arco

• Recubrimiento iónico

• Epitaxia por haz molecular (MBE)

PVD se caracteriza por:

• Alta pureza de la película

• Calidad estable de la película

• Temperaturas de procesamiento más bajas

• Altas tasas de deposición

• Costo de fabricación relativamente bajo

PVD se utiliza principalmente para depositar películas metálicas y no es adecuado para películas aislantes. La razón es que cuando los iones positivos bombardean un objetivo aislante, transfieren energía cinética a la superficie del objetivo, pero los iones positivos se acumulan principalmente en la superficie. Esta acumulación de carga genera un campo eléctrico que repele los iones entrantes y eventualmente detiene el proceso de pulverización catódica.

● Evaporación al vacío

En un entorno de vacío, el material objetivo se calienta y se evapora. Los átomos o moléculas se vaporizan de la superficie y viajan con una colisión mínima a través del vacío para depositarse sobre el sustrato. Los métodos de calentamiento comunes incluyen:

• Calentamiento resistivo

• Inducción de alta frecuencia

• Bombardeo con haz de electrones, haz láser o haz de iones

● Deposición por pulverización catódica

En vacío, las partículas de alta energía (típicamente iones Ar⁺) bombardean la superficie del objetivo, lo que hace que los átomos sean expulsados y depositados sobre el sustrato.

● Recubrimiento iónico

El recubrimiento iónico utiliza plasma para ionizar el material de recubrimiento en iones y átomos neutros de alta energía. Se aplica un sesgo negativo al sustrato, atrayendo los iones para que se depositen y formen una película delgada.

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▌Deposición Química en Fase Vapor (CVD)

CVD utiliza reacciones químicas para depositar películas delgadas. Los gases reactivos se introducen en una cámara de reacción y se activan mediante calor, plasma o luz. Estos gases reaccionan químicamente para formar la película sólida deseada sobre el sustrato, mientras que los subproductos se expulsan de la cámara.

CVD incluye muchas variantes dependiendo de las condiciones:

• CVD a Presión Atmosférica (APCVD)

• CVD a Baja Presión (LPCVD)

• CVD Mejorada por Plasma (PECVD)

• PECVD de Alta Densidad (HDPECVD)

• CVD Metal-Orgánica (MOCVD)

• Deposición de Capa Atómica (ALD)

Las películas CVD generalmente exhiben:

• Alta pureza

• Rendimiento superior
  Es el método principal para fabricar películas metálicas, dieléctricas y semiconductoras en la fabricación de chips.

● APCVD

Se realiza a presión atmosférica y 400–800 °C, se utiliza para producir películas como:

• Silicio monocristalino

• Silicio policristalino

• Dióxido de silicio (SiO₂)

• SiO₂ dopado

● LPCVD

Se aplica en procesos >90nm para producir:

• SiO₂, PSG/BPSG

• Nitruro de silicio (Si₃N₄)

• Polisilicio

● PECVD

Ampliamente utilizado en nodos de 28–90 nm para depositar materiales dieléctricos y semiconductores.
Ventajas:

• Temperaturas de deposición más bajas

• Mayor densidad y pureza de la película

• Tasas de deposición más rápidas
  Los sistemas PECVD se han convertido en las herramientas de película delgada más utilizadas en las fábricas en comparación con APCVD y LPCVD.

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▌Deposición de Capa Atómica (ALD)

ALD es un tipo especial de CVD que permite el crecimiento de películas ultra delgadas mediante la deposición de una capa atómica a la vez a través de reacciones superficiales autolimitantes.

A diferencia de la CVD convencional, ALD alterna pulsos de precursores. Cada capa se forma mediante una reacción superficial secuencial con la capa previamente depositada. Esto permite:

• Control del grosor a escala atómica

• Cobertura conforme

• Películas sin agujeros

ALD admite la deposición de:

• Metales

• Óxidos

• Carburos, nitruros, sulfuros, siliciuros

• Semiconductores y superconductores

A medida que aumenta la densidad de integración y se reducen los tamaños de los dispositivos, los dieléctricos de alto k están reemplazando al SiO₂ en las puertas de los transistores. La excelente cobertura de escalones y el control preciso del grosor de ALD lo hacen ideal para la fabricación de dispositivos avanzados y se adopta cada vez más en la producción de chips de vanguardia.

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▌Comparación de Tecnologías de Deposición

● Rendimiento de la Deposición de Películas

(Aquí puede insertar una tabla comparativa de conformabilidad, control del grosor, cobertura de escalones, etc.)

 

● Tecnologías y Aplicaciones

(Inserte una tabla que muestre los casos de uso de PVD vs. CVD vs. ALD)

 

● Equipos y Capacidades

(Inserte una tabla que compare las tasas de deposición, temperaturas, uniformidad, costos)

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Conclusión

El avance de las tecnologías de deposición de películas delgadas es esencial para el desarrollo continuo de la industria de los semiconductores. Estos procesos se están volviendo más diversos y especializados, lo que permite una mayor innovación y refinamiento en la fabricación de circuitos integrados.