Storia e tecnologia del Silicio

Transcript

1 Storia e tecnologia del Silicio

2 Breve storia del Silicio Il nome silicio deriva dal latino silex,, selce Il silicio è il secondo elemento più diffuso, dopo l ossigeno, l sulla crosta terrestre (25%) Il silicio fu isolato per la prima volta nel 1824 dal chimico svedese Berzelius,, che aveva proseguito il lavoro del grande chimico francese Lavoisier il quale, avendo studiato il quarzo, affermò che questo era composto da un elemento molto comune. Il silicio non ha trovato alcun utilizzo fino alla fine del secolo scorso quando venne scoperto che, se unito al ferro, sviluppava proprietà magnetiche. Utilizzo prevalente per elettromagneti e trasformatoriri Inizio della produzione industriale agli inizi del secolo in una forma ragionevolmente pura (circa 98%)

3

4 Proprietà chimiche Struttura cubica a facce centrate FCC (diamante) Numero atomico 14 Massa atomica Densità 2.33 g/cm 3 Temperatura di fusione 1414 C Gap tra Banda di conduzione e di valenza: 1.12 ev (Tamb ) Proprietà semiconduttive

5 Energia Isolante Isolante Banda di conduzione, E C Conduzione elettrica nei materiali Semiconduttore Banda proibita, E G Banda di valenza, E V Banda di conduzione, E C Banda proibita, E G Banda di valenza, E V Metallo Banda di conduzione, E C Banda di valenza, E V Isolanti Banda di conduzione e di valenza separate da una banda proibita troppo elevata improbabile la conduzione elettrica Semiconduttori Banda di conduzione e di valenza separate da un energia di gap (stati energeticamente non permessi) La banda proibita è piccola e può essere superata tramite l assistenzal della temperatura Conducibilità elettrica crescente con la temperatura Metalli Banda di conduzione e di valenza sovrapposte nube di elettroni liberi Conducibilità elettrica decrescente con la temperatura (scattering fra elettroni)

6 Impurità droganti Il silicio (4 elettroni di valenza) presenta una struttura tetraedrica edrica in cui ogni atomo è legato ad altri 4 atomi Gli elettroni presenti sono solo quelli di legame, non liberi di poter condurre corrente elettrica

7

8 Silicio estrinseco n L introduzione di un atomo con valenza superiore a quella del silicio (5 elettroni) causa un aumento degli elettroni liberi per la conduzione Silicio estrinseco di tipo n (conduzione di carica negativa)

9

10 Silicio estrinseco p L introduzione di un atomo con valenza inferiore (3 elettroni) a quella del silicio causa un aumento delle mancanze di elettroni di legame (lacune) Silicio estrinseco di tipo p (conduzione di carica positiva)

11

12 Silicio estrinseco n Perturbazione Impurità droganti Silicio estrinseco p Perturbazione L introduzione di questo tipo di impurità (drogaggio) provoca un aumento della conducibilità del semiconduttore Le basi dell elettronica elettronica si fondano sulla possibilità di introdurre in modo controllato questi due tipi di impurità in modo da modificare la conducibilità elettrica ed il tipo di conduzione del materiale semiconduttore Limite superiore di concentrazione di drogante: limite di solubilità del drogante nel silicio Limite inferiore: impossibilità tecnologica di disporre di un materiale del tutto privo di impurità (<1 parte per miliardo)

13 Sviluppo dell elettronica moderna Base n n p Emettitore Rivoluzione del XX secolo: scoperta del transistor nel 1948 ad opera di Schockley, Bardeen e Brattain Da TRANSfer resistor,, dispositivo a trasferimento di resistenza Emettitore Collettore Collettore Dispositivo a 3 terminali (base, emettitore, collettore) formato dalla combinazione n-p-n o p-n-p di materiale semiconduttore L effetto transistor consiste nell iniezione modulata di portatori dall emettitore al collettore (elettroni nel transistor npn e lacune nel pnp) Substrato di germanio Base Il transistor pnp ha prestazioni inferiori rispetto a quello npn a causa della differente iniezione di carica

14 pnp npn

15 Importanza dell elettronica dello stato solido Funzioni fondamentali del transistor: Amplificazione di corrente Inverter logico Elettronica digitale Tempo di vita, dimensioni, integrazione, frequenza di lavoro i vantaggi nei confronti delle valvole Amplificazione Transistor

16 Stato dell arte dei Circuiti Integrati: microprocessori Nel 1959 nasce il circuito integrato dall dall idea di realizzare tutti i componenti di un circuito elettronico su uno stesso substrato composto da un unico materiale semiconduttore Intel 8086 (1979) 10 MHz Transistors: Tecnologia: 3 m Intel 4004 (1971) 108 khz Transistors: 2300 Tecnologia: 10 m Intel (1982) 12 MHz Transistors:: Transistors Tecnologia: 1.5 m Intel (1985) 33 MHz Transistors: Tecnologia: 1.0 m

17 Microprocessori Intel (1989) 50 MHz Transistors: 1.2 milioni Tecnologia: 1.0 m Intel Pentium (1993) 200 MHz Transistors: 3.1 milioni Tecnologia: 0.35 m Intel Pentium Pro (1995) 266 MHz Transistors: 5.5 milioni Tecnologia: 0.35 m Oggi Intel Pentium IV (2002) 3060 MHz 55 milioni transistors Tecnologia: 0.13 m AMD Athlon XP (2002) 2167 MHz 54.3 milioni transistors Tecnologia: 0.13 m

18 Pentium IV Pentium ,1 Frequenza di lavoro (MHz) Transistors per chip Integrazione elettronica: leggi di Moore (1965) 104 Il miglioramento tecnologico elettronico è dovuto ad un aumento esponenziale dell dell integrazione Il numero di transistor in un chip e la sua frequenza massima di funzionamento raddoppiano ogni circa 2 anni (attualmente 55 milioni e 3.06 GHz) GHz) La dimensione della regione attiva di un transistor in un circuito integrato diminuisce del 30% ogni 3 anni LSI:: Large Scale Integration LSI VLSI: Very Large Scale Integration ULSI:: Ultra Large Scale Integration ULSI , Dimensione transistor ( m) 10 LSI VLSI ULSI 1 0,

19 Vantaggi della tecnologia del silicio La tecnologia del silicio è divenuta la tecnologia dominante per l elettronica a causa di: Disponibilità praticamente illimitata del materiale Relativa facilità di realizzazione di cristalli con bassa densit à di difetti Buone proprietà ottiche ed elettriche che lo rendono adatto alla realizzazione di un amplissimo set di dispositivi Un ossido SiO2 (banda proibita pari a 8 ev ) dalle eccellenti proprietà: Ottimo isolante elettrico Ottimo passivante nei confronti del silicio Barriera contro le impurità Processi di realizzazione ad elevata controllabilità

20 Tecnologia di purificazione SiO2 (quarzite) Si grado elettronico monocristallino Tornitura e taglio Processo di purificazione (Siemens 1951) Si grado elettronico policristallino Czochralski Fetta di Si monocristallino Macinatura Monocristallino Policristallino Lappatura e lucidatura Fetta di silicio (wafer)

21 Tecnologia di purificazione Fornace Quarzite, SiO 2 Silicio di grado metallurgico MGS (98%) HCl Triclorosilano, SiHCl 3 Distillazione frazionata Silicio policristallino di grado elettronico EGS ( %) H2 + SiHCl3

22 Processo Czochralski Introdotto dalla Texas Instruments nel 1952, 1952, permette la realizzazione di un monocristallo di silicio (1 impurità su 1 miliardo di atomi) da silicio policristallino di grado elettronico

23 Processo Czochralski Fusione del policristallo nel crogiolo realizzato in grafite rivestita in quarzo SiO2 Aggiunta di drogante: Boro (p(p-si); Fosforo o Arsenico (n-si) Accrescimento controllato del seme Barra di monocristallo di 6-12 pollici (15-30 cm) di diametro e circa 100cm di lunghezza Temperatura di fusione Si 1414 C Controllo del gradiente di temperatura lungo il fuso Processo in atmosfera di gas inerte Crogiolo realizzato con elementi elettricamente inattivi nel silicio Elevato controllo della rotazione e della trazione del lingotto

24 Seme cristallino Monocristallo Crogiolo in quarzo Camera Schermo termico Riscaldatore Crogiolo in grafite Supporto Basamento Elettrodo Reattore in dettaglio Parametri fondamentali di processo Velocit à di rotazione Velocità di trazione Controllo della temperatura Processo Czochralski

25 Processi meccanici Controllo dell dell orientazione cristallografica tramite diffrazione da raggi X Decappaggio delle estremità estremità Rettificazione del lingotto Lucidatura per via chimica (soda caustica) di una faccia Lappatura meccanica di una faccia Taglio del lingotto tramite seghe circolari o a filo in dischi (wafers) dello spessore di m

26 Notazione dell orientazione Direzione (100) Piano (100) Tipo n {111} Tipo p {111} Tipo n {100} Tipo p {100} Direzione (111) Piano (111)

27

28 Tecnologia planare Fotolitografia Esposizione + rimozione selettiva

29 Fotolitografia Tecnica per la realizzazione di microstrutture sul substrato semiconduttore attraverso maschere 1. Deposizione resist chimicamente fotosensibile (PMMA) 2. Esposizione del fotoresist attraverso la maschera a luce UV (153 nm) nm) 3. Sviluppo del resist esposto 4. Attacco chimico selettivo Con l applicazione in sequenza con maschere tra loro allineate si realizza il Circuito Integrato La risoluzione dell ottica nel processo di fotolitografia è il processo limitante della dimensione minima dei dispositivi (attualmente la tecnologia si attesta su 0.13 m)

30 Fotolitografia: esposizione UV Tre tecniche di esposizione: Esposizione per contatto (danneggiamento maschere) Esposizione per prossimità (ingrandimento 1:1 del circuito) Esposizione attraverso stepper (ottica di esposizione) Radiazione UV Radiazione UV Maschera N:1 Quarzo Ossido di silicio Ottica Cromo Fotoresist Immagine Wafer con resist Wafer di silicio Esposizione per prossimità Esposizione attraverso stepper

31 Fotolitografia: sviluppo Due tipi di fotoresist Resist positivo: solubile il volume illuminato dalla radiazione Resist negativo: negativo: solubile il volume non illuminato dalla radiazione Resist positivo Fotoresist Ossido di silicio Sviluppo Wafer di silicio Attacco chimico Rimozione fotoresist (solventi) Resist negativo

32 Attacco chimico Attacco chimico per via umida (reagenti chimici) Attacco chimico per via secca (anisotropo, Reactive Ion Etching) Resist Ossido di silicio Silicio Via umida, isotropo L attacco laterale è circa il 75% di quello in profondità Solvente per SiO2: HF Solvente per Si: HNO3 + HF (il primo ossida, il secondo rimuove l l ossido) Via secca, anisotropo Plasma di ossigeno, idrogeno e gas Freon (CF4) produce un continuo bombardamento della zona processata

33 Crescita epitassiale Dal greco epi (sopra) + taxis (struttura ordinata) Crescita di un semiconduttore monocristallino (intrinseco o drogato) su di un substrato semiconduttore Omoepitassia Eteroepitassia (stesso semiconduttore) (semiconduttore differente) Wafer di silicio N2 Bobine a radiofrequenza H2 HCl SiCl4+H2 Drogante+H2 Epitassia da fase vapore (VPE) Epitassia da fase liquida (LPE) Epitassia da fasci molecolari (MBE)

34 Ossidazione

35 Tecniche di drogaggio: diffusione Sorgenti gassose: PH3, AsH3, B2H6 F F F H 2O + sorgenti liquide: POCl3, BBr3 N2 O2 O2 Atomi droganti vengono a contatto della superficie del wafer attraverso un processo di deposizione chimica ad alta temperatura (900 ( C) Atomi diffondono nel substrato con un coefficiente di diffusività diffusività variabile da specie a specie e dipendente in modo crescente dalla temperatura e dalle dimensioni dell atomo drogante Profilo di drogaggio in profondità poco flessibile e controllabile Trattamento ad alta temperatura

36 Tecniche di drogaggio: impiantazione ionica Deflessione orizzontale e verticale Spettrometro di massa Wafer di Si Fascio di ioni Misura della corrente (ioni impiantati/sec) Acceleratore (5-200 kev) Fascio di atomi droganti impiantati ad alta energia nel wafer di silicio Sorgente di ioni Controllo accurato della dose impiantata Parametri fondamentali: Energia di accelerazione (dipendenza crescente della profondità profondità) Massa dello ione incidente (dipendenza decrescente della profondità) Massa dell dell atomo bersaglio Vuoto Silicio ione Energia (ev) Penetrazione media Varianza laterale Varianza di profondità

37 Annealing L annealing (ricottura di breve durata tramite laser o forno) del materiale è il processo successivo all all impiantazione ionica: il cristallo bersaglio subisce dei danni provocati dalla cessione di energia dallo ione al reticolo probabilità probabilità di avere ioni droganti situati in posizione interstiziale e perciò non attivi L annealing si configura così così come il trattamento termico atto alla riparazione del danno reticolare ed all all attivazione degli ioni droganti

38 Processo necessario per la connessione elettrica di tutti i dispositivi presenti nel circuito integrato Metallizzazione Metallizzazione si realizza tramite le tecniche di deposizione: Evaporazione termica processo termico basato sull evaporazione del metallo se portato alla temperatura di fusione Sputtering tecnica a bassa temperatura basata sul bombardamento bombardamento di un bersaglio metallico al fine di estrarre da questo gruppi di atomi (clusters) che, successivamente, si depositano sul substrato Deposizione di materiali amorfi (non interessa la struttura cristallina, ma la continuit à elettrica) Per anni utilizzato l l alluminio, alluminio, recentemente il rame elevata conducibilità conducibilità termica

39 Realizzazione di un transistor Substrato p p p n Crescita epitassiale n Substrato p Silicio n Drogaggio: impiantazione n+ per emettitore e collettore Substrato p p Drogaggio: diffusione p per pozzetti di isolamento p n+ n Silicio n Substrato p Drogaggio: impiantazione p per base del transistor p Substrato p Resist SiO2 p p Metallizzazione p Metallo p E B p n Substrato p C p

40 Testing e Packaging

41 Differenza di potenziale Banda di conduzione Elettrone Banda proibita Silicio policristallino Applicazioni: celle fotovoltaiche Monocristallino: rendimento 18-23%, costo 100 /kg Policristallino: rendimento 12-14%, vita media anni, costo 10 /kg Amorfo: rendimento 7%, vita media 10 anni, costo minimo Lacuna Banda di valenza Conversione da energia elettromagnetica ad energia elettrica Contribuisce alla conduzione solo la radiazione con energia superiore alla banda proibita Strato antiriflesso Silicio policristallino Giappone, USA, Germania non solo incentivano l installazione degli impianti, ma comprano l energia ad un prezzo superiore a quello di mercato