Dispositivi e Tecnologie Elettroniche

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1 Disositivi e Tecnologie Elettroniche Tecnologia Produzione di fette (wafer) di Si Disositivi Elettronici Tecnologia 2

2 Crescita Czochralski Fusione nel crogiolo del olicristallo er induzione Aggiunta drogante (B er Si; P od As er nsi) Accrescimento controllato del seme (reorientato) er formare il monocristallo Prodotto: barra monocristallo di 6 10 ollici (15 25 cm) di diametro, circa 100 cm di lunghezza (limitato dal eso) Crogiolo: grafite rivestita in quarzo SiO2 tem. di cristallizzaz. 1420C Bobina a radiofrequenza Silicio fuso Seme cristallino Monocristallo Crogiolo Disositivi Elettronici Tecnologia 3 Crescita Czochralski Vista sueriore Disositivi Elettronici Tecnologia 4

3 Dal cristallo alla fetta (wafer) Si ingot Si wafer (100) lane [100] direction fetta (100) Si reference flat (111) lane [111] direction fetta (111) Si Notazione degli Indici di Miller er indicare le direzioni in un cristallo: [111] indica una famiglia di iani arallele al iano che intercetta i tre assi nel unto a, a asso reticolare; [100] la famiglia arallela al iano ortogonale all asse x, [010] all asse y, [001] a z. [010] [001] [111] [100] Disositivi Elettronici Tecnologia 5 Dal cristallo alla fetta (wafer) Wafer da 300 mm Taglio con sega circolare Taglio a filo Disositivi Elettronici Tecnologia 6

4 Difetti cristallini Difetti untuali: Vacanze Sostituzionali Interstiziali Difetti di linea: Dislocazioni Difetti di volume: Preciitati Disositivi Elettronici Tecnologia 7 Tecnologia lanare del Si Disositivi Elettronici Tecnologia 8

5 Fotolitografia Tecnica er formare microstrutture su film sottili deositati (es. metallo) od accresciuti (es. SiO 2 ) sul substrato semiconduttore: deosizione resist chimicamente fotosensibile esosizione fotoresist (attraverso maschera) sviluo fotoresist resist esosto attacco chimico selettivo (etching) Oerando in sequenza con maschere fra loro allineate si realizza il Circuito Integrato Disositivi Elettronici Tecnologia 9 Wafer e maschera N x Disositivi Elettronici Tecnologia 10

6 Esosizione UV cromo quarzo Maschera fotolitografica UV maschera N x Ottica radiazione U.V. substrato (Si) Esosizione 1x er rossimita fotoresist ossido SiO 2 Immagine Wafer con resist Esosizione attraverso steer Disositivi Elettronici Tecnologia 11 Resist ositivo e negativo Ossido di silicio Substrato Resist ositivo Resist negativo Alicazione fotoresist Sviluo Attacco chimico Rimozione fotoresist attraverso solventi Esosizione fotoresist Disositivi Elettronici Tecnologia 12

7 Esemio: diodo n integrato Metallo n SiO 2 n Ossidazione zona attiva (giunzione) SiO 2 n SiO 2 Ossidazione Attacco e diffusione SiO 2 SiO 2 n n Attacco chimico Ossidazione e attacco SiO 2 SiO 2 n Metallo n sezione Diffusione di drogante Metallizzazione Disositivi Elettronici Tecnologia 13 Attacco chimico Resist attern Resist SiO 2 Attacco er via secca (RIE, anisotroo) substrato Si Attacco er via umida (HF, isotroo) SiO 2 Si Si SiO 2 Si Si Disositivi Elettronici Tecnologia 14

8 Crescita eitassiale Reattore VPE Fette di Silicio N 2 H 2 HCl SiCl +H Drogante +H Bobine di riscaldamento a RF Crescita di semiconduttore monocristallino (intriseco o drogato) su substrato Dell stesso semiconduttore: omoeitassia Di semiconduttore diverso (eteroeitassia) Eitassia da fase vaore (VPE), liquida (LPE) Tecniche avanzate: eitassia da fasci molecolari (MBE), MOCVD (crescita semiconduttori comosti) Disositivi Elettronici Tecnologia 15 Ossidazione miscelatore fette Si F flussimetri valvole F F F H 2 O Forno di ossidazione T = C N 2 O 2 O 2 Ossidazione a secco (dry): Si + O 2 SiO 2 Ossidazione da vaore acqueo (wet): Si + 2H 2 O SiO 2 + 2H 2 Disositivi Elettronici Tecnologia 16

9 Ossidazione in ossigeno 1.0 Ossidazione in O 2 secco (111) (100) C Sessore dell'ossido (m) C C C C C Temo di ossidazione (ore) Disositivi Elettronici Tecnologia 17 Ossidazione in vaor d acqua Sessore dell'ossido (m) Ossidazione in vaore di H 2 O (111) (100) C C C Temo di ossidazione (ore) Disositivi Elettronici Tecnologia 18

10 Legge di crescita sessore x o (t) Legge generale di crescita: x t A t A /4B 0 2 Arox. arabolica (cinetica controllata dalla diffusione, temi lunghi e ossidi sessi): t 1 2 x0 B t A /4B Arox. lineare (cinetica controllata dalla reazione, temi brevi e ossidi sottili): t 1 x0 B/ At 2 A /4B Disositivi Elettronici Tecnologia 19 Parametri A e B Coefficiente arabolico B (m 2 /h) T [ C] H 2 O (760 torr) E A = 0.78 ev (100);(111) Si O 2 (760 torr) E A = 1.24 ev /T [ K] Coefficiente lineare B/A (m 2 /h) T [ C] H 2 O (760 torr) E A = 1.96 ev O 2 (760 torr) E A = 2.0 ev (111) Si (100) Si /T [ K] Disositivi Elettronici Tecnologia 20

11 Tecniche di drogaggio Diffusione: gli atomi droganti sono ortati alla suerficie della fetta er deosizione chimica, ad alta temeratura (ad es o C) gli atomi diffondono nel substrato. Profilo monotono decrescente, oco flessibile e controllabile Trattamento ad alta temeratura, otenzialmente distruttivo Imiantazione: droganti immessi nel substrato come roiettili ad alta energia. Profilo flessibile e molto ben controllabile Trattamento a temeratura intermedia Disositivi Elettronici Tecnologia 21 Diffusione Forno di diffusione ( o C) sorgenti gassose PH 3 AsH 3 miscelatore fette Si B 2 H 6 ecc. F N 2 F O 2 F O 2 H 2 O + sorgenti liquide (POCl 3 ; BBr 3 ) F flussimetri valvole Disositivi Elettronici Tecnologia 22

12 Diffusione da sorgente infinita Iotesi: concentrazione suerficiale costante C(0, t) = C s Condizioni al contorno: C(0, t) = C s, C(, t) = 0 Condizione iniziale: C(x, 0) = 0 Utilizzata er la redeosizione di drogante in uno strato suerficiale; la concentrazione suerficiale e limitata dalla solubilita solida del drogante. Il rofilo finale e ottenuto er diffusione a dose costante (drive-in) Disositivi Elettronici Tecnologia 23 Profilo di drogaggio (rede.) x C x, t Cs erfc 2 Dt 2 Dt Lunghezza di diffusione C (x, t) C s t crescente 0 x x 2 Dt S Cs erfc dx C 2 Dt 0 s Dose totale redeosta, cm -2 Disositivi Elettronici Tecnologia 24

13 Funzione comlementare di errore Funzione definita da: 2 2 erfcx ex v dv Arossimazione numerica: x erfc z x z z e x 1 z x erfc(x) x Disositivi Elettronici Tecnologia 25 Diffusione a dose S costante Dose totale costante: S C x, t dx cost. 0 Soluzione (da una distribuzione iniziale imulsiva con dose S): C(x, t) [at./cm 3 ] S (x) [at./cm 2 ] t crescente 2 S x Cx, t ex Dt 4Dt Concentrazione suerficiale: S C 0, t D t 0 x Utilizzata er realizzare un rofilo di drogaggio controllato (ostdiffusione o drive-in) Disositivi Elettronici Tecnologia 26

14 Meccanismi di diffusione La diffusivita aumenta con la temeratura 10-3 Cu er vacanze er interstiziali Diffusività, cm 2 / s Li Au Na H 2 D D0 ex EA / kt cm /s O C As Al Ga Si In B P Sb Temeratura, o C Disositivi Elettronici Tecnologia 27 Imiantazione ionica Fascio di atomi droganti ad alta energia imiantati nel bersaglio (zone non drogate rotette da ossido o altre maschere) Acceleratore (5-200 kev) Controllo accurato della dose imiantata Profili non monotoni e di rofondita controllata variando l energia di imianto Bersaglio (wafer di Si) Settrometro di massa Sorgente di ioni Deflessione verticale e orizzontale Fascio di ioni Misura della corrente (ro. ioni imiantati/t) Disositivi Elettronici Tecnologia 28

15 Profilo da imiantazione ionica vuoto ione E(eV) Si substrato x R = enetrazione media (rojected range) R er = varianza laterale (lateral straggle) R = varianza (straggle) Profilo gaussiano (S dose imiantata, cm -2 ) N i x S 1 x R ex - 2 R 2 R Disositivi Elettronici Tecnologia 29 2 [at/cm 3 ] Profondita media 1 R nel Si R nel SiO 2 Profondità media (m) 0.1 B P As Energia (kev) Disositivi Elettronici Tecnologia 30

16 Varianza 0.1 Varianza laterale e verticale (m) 0.01 B P R nel Si R nel Si As Energia (kev) Disositivi Elettronici Tecnologia 31 Channeling Se il bersaglio non e disallineato gli ioni seguono cammini referienziali in cui non interagiscono con il reticolo rofilo risultante di drogaggio non gaussiano Il channeling si uo evitare disallineando il bersaglio risetto al fascio di ioni <111> <100> gaussiano <7 out> Disositivi Elettronici Tecnologia 32

17 Ricottura (annealing) Nell imiantazione ionica il reticolo cristallino viene danneggiato (gli ioni si arrestano cedendo anche energia al reticolo); inoltre gli ioni non sono osizionati in siti sostituzionali mancata attivazione come droganti E necessario trattare termicamente il substrato er riarare il danno reticolare e attivare gli ioni annealing (ricottura) Se l annealing e di durata lunga (annealing termico) il rofilo cambia er diffusione fast annealing con sorgenti imulsate ad alta energia (e.g. laser) Disositivi Elettronici Tecnologia 33 Deosizione dielettrici / metalli Deosizione chimica: Il materiale deosto viene creato in loco da una reazione chimica, di solito da fase vaore (CVD) Esemi: Ossido di silicio, Nitruro di silicio, Silicio olicristallino Deosizione fisica: Il materiale viene deosto direttamente da fase vaore attraverso Evaorazione o Suttering Esemi: metalli (Al) Altre tecniche: Centrifugazione (sinning): fotoresist, olimide Crescita galvanica (Au), sinterizzazione (siliciuri) Disositivi Elettronici Tecnologia 34

18 Deosizione PVD Evaorazione sottovuoto Metal (es. Al) evaorato da crogiolo er riscaldamento joule o e- beam M Evaorazione Suttering DC Metallo (es. Al, W, Ti ecc.) emesso dal catodo (target) er bombardamento da ioni Ar -V M A r + vuoto Suttering Suttering RF er dielettrici A r Disositivi Elettronici Tecnologia 35 Silicio olicristallino (olisilicio) Si olicristallino drogato con Sb Resistenza di strato, Ohm/quadro Si monocristallino Si olicristallino drogato con P Dose, cm -2 Il olisilicio (silicio olicristallino) e utilizzato come conduttore; resenta migliore resistenza a temerature elevate risetto allo Al Resistenza di strato: resistenza di un conduttore quadrato di sezione t*w e lunghezza W Disositivi Elettronici Tecnologia 36

19 Circuiti discreti, ibridi, integrati Circuiti discreti: comonenti (RLC, comonenti attivi) connessi attraverso interconnessioni sesso integrate nel suorto meccanico (circuiti stamati) Circuiti integrati ibridi: tutti gli elementi sono integrati nel substrato/suorto meccanico, salvo gli attivi; il substrato e dielettrico, i conduttori film sesso/sottile Circuiti integrati monolitici: tutti i comonenti, attivi e assivi, sono integrati nel substrato semiconduttore (Si, GaAs, InP...) Disositivi Elettronici Tecnologia 37 Circuito stamato Disositivi Elettronici Tecnologia 38

20 Circuito ibrido Disositivi Elettronici Tecnologia 39 Circuito integrato digitale Disositivi Elettronici Tecnologia 40

21 Circuito integrato analogico Disositivi Elettronici Tecnologia 41 Dicing, testing, ackaging Substrato alla fine del rocesso Identificazione chi difettosi Montaggio in un ackage dual-in-line (a) (c) (e) Collaudo automatico Taglio del substrato nei singoli chi Chiusura del ackage (b) (d) (f) Disositivi Elettronici Tecnologia 42

22 Bonding: wire, fli-chi Disositivi Elettronici Tecnologia 43