Processi tecnologici per semiconduttori

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1 UNITÀ 1 Processi tecnologici per semiconduttori CONTENUTI Obiettivi Conoscenze 1 Produzione e raffinazione del silicio 2 Poduzione e lavorazione del monocristallo 3 Realizzazione della giunzione PN Competenze 4 La tecnica planare 5 Metallizzazione e collegamento dei terminali OBIETTIVI Conoscenze Quali sono i processi necessari a ottenere Conoscenze il silicio che serve per produrre i componenti elettronici Le principali tecniche usate per realizzare la giunzione PN Abilità Descrivere i processi che consentono la produzione Competenze di una giunzione PN Confrontare le diverse tecniche usate nella realizzazione della giunzione PN 1 Produzione e raffinazione del silicio Il silicio è uno degli elementi chimici più diffusi sulla crosta terrestre. Esso si presenta comunemente sotto forma di biossido di silicio (O 2 ) impuro, denominato silice. Il silicio viene separato dall ossigeno riscaldando la silice fino alla fusione (1420 C) in un forno elettrico e facendola reagire col carbonio secondo la seguente reazione: O 2 + 2C + 2CO Il silicio così ottenuto, denominato silicio metallurgico, ha un grado di purezza del 98%, che è decisamente insufficiente per la produzione di dispositivi elettronici. La eliminazione delle impurezze residue richiede un successivo processo di purificazione per via fisica che verrà descritto in seguito. Per ridurre le difficoltà che si incontrano nella eliminazione delle impurezze contenute nel silicio si può partire dal tricloro silano HCl 3 ottenuto, come prodotto secondario nella industria dei siliconi. Il silicio ottenuto per via metallurgica ha un grado di purezza inadeguato per realizzare i componenti elettronici. Per eliminare le impurezze contenute nel lingotto si ricorre alla raffinazione per via fisica. Questo processo sfrutta il fatto che le impurezze si sciolgono meglio nel materiale fuso piuttosto che in quello solido (soluzione solida)

2 Soluzioni e grado di solubilità Per capire meglio il concetto di solubilità analizziamo il comportamento di una soluzione di acqua (solvente) e sale da cucina (soluto). Se in un recipiente contenente acqua calda versiamo del sale notiamo che esso sparisce lasciando come unico segno della sua presenza il sapore salino dell acqua. Il fenomeno viene spiegato dicendo che il sale si è sciolto nell acqua. Se continuiamo a versare sale notiamo che a un certo punto l acqua non riesce più a sciogliere il sale aggiunto ed esso precipita sul fondo del recipiente rimanendo separato dall acqua. La soluzione si dice satura quando la concentrazione di sale (soluto) ha raggiunto il massimo valore di solubilità. Aumentando la concentrazione di soluto, la soluzione si dice sovrasatura: in questo caso una parte di soluto non viene sciolto e rimane separato. definisce grado di solubilità la percentuale di soluto presente in una soluzione satura; esso diminuisce col diminuire della temperatura, come si può verificare raffreddando una soluzione satura di acqua e sale. Infatti, se prendiamo una soluzione satura di acqua e sale alla temperatura di 90 C e la raffreddiamo, possiamo osservare che col diminuire della temperatura aumenta la quantità di sale che, separandosi dalla soluzione, precipita sul fondo del recipiente. Ciò porta a concludere che il grado di solubilità diminuisce col diminuire della temperatura. Se la soluzione viene raffreddata al di sotto di 0 C, si ottiene ghiaccio al cui interno rimane disciolta una piccola quantità di sale. Il ghiaccio col sale rappresenta una soluzione solida. Con considerazioni analoghe si può giustificare il fatto che in un pezzo di silicio o di germanio le impurezze si sciolgono meglio nel materiale fuso che nel materiale solido (soluzione solida). La tecnica più utilizzata per la raffinazione è quella denominata a zona fusa. Essa prevede che venga fusa solo una piccola parte (zona) del materiale, facendo scorrere tale zona fusa lungo tutta la lunghezza del lingotto. Raffinazione a zona fusa Figura 1 Raffinazione a zona fusa: rastrellamento (a); apparecchiatura completa (b) La zona fusa, scorrendo lungo il materiale, esercita un azione di rastrellamento sulle impurezze, grazie al fatto che esse si sciolgono meglio in essa. La figura 1a mostra schematicamente un lingotto in cui la zona fusa in movimento lascia alle sue spalle un materiale con minore concentrazione di impurezze. Ripetendo più volte l operazione di rastrellamento si migliora il grado di purezza. Per ottenere questo risultato si producono sul lingotto più zone fuse contemporanee e distanziate fra loro, in modo da avere zone fuse alternate a zone solide. a) Zona fusa Movimento della zona fusa Tubo di quarzo b) Navetta di grafite Filo di molibdeno Bobina a radiofrequenza

3 Raffinazione del silicio Figura 2 Raffinazione a zona fusa sospesa Per ottenere le zone fuse si ricorre a un riscaldamento per induzione elettromagnetica ottenuto mediante una serie di bobine percorse da corrente a radiofrequenza. Le bobine sono avvolte su un tubo di quarzo entro il quale viene fatto scorrere il lingotto da raffinare. Ogni bobina induce correnti parassite limitatamente alla zona racchiusa dalla bobina stessa e il valore delle correnti parassite risulta molto alto in conseguenza dell elevato valore della frequenza, tanto da riuscire a fondere il materiale nelle immediate vicinanze della bobina. Il principio di funzionamento è simile a quello dei forni a induzione e dei forni a microonde. Nella figura 1b si può notare il tubo di quarzo su cui sono avvolte le bobine a radiofrequenza per la produzione delle zone fuse. All interno del tubo una navetta di grafite contenente il lingotto di silicio viene tirata mediante un filo di molibdeno in modo da passare entro le bobine. Queste ultime, distanziate di circa 9 cm, producono nel lingotto zone fuse di circa 4 cm e separate da circa 5 cm di materiale solido. Per consentire un buon rastrellamento delle impurezze, la velocità della navetta è di circa 2 mm/minuto. Il metodo rappresentato in figura 1b è poco usato per la raffinazione del silicio poiché questo elemento reagisce con i materiali della navetta oppure si salda a essa impedendone la riutilizzazione. Pertanto, la raffinazione del silicio viene effettuata mediante la tecnica della zona fusa sospesa (floating-zone), rappresentata schematicamente in figura 2. Il lingotto di silicio viene posto all interno di un tubo di quarzo nel quale circola un gas inerte (argon o elio), che impedisce al silicio fuso di venire a contatto di altri materiali con i quali potrebbe reagire chimicamente rimanendo inquinato. Il lingotto è sostenuto verticalmente mediante due mandrini che lo stringono alle estremità. Esternamente al tubo viene fatta scorrere, con un lento movimento verso l alto, la bobina a radiofrequenza, che trascina con sé la zona fusa. Questa tecnica è possibile perché, grazie all elevato valore di tensione superficiale della zona fusa del silicio, il materiale fuso non cola lungo il lingotto. Per avere un migliore risultato vengono utilizzate più bobine che producono diverse zone fuse alternate a zone solide. Gas inerte Tubo di quarzo Lingotto Zona fusa sospesa Bobina a radiofrequenza Gas inerte

4 2 Produzione e lavorazione del monocristallo Il lingotto raffinato non è ancora idoneo a essere usato per produrre dispositivi; infatti la sua struttura è costituita da una gran quantità di granelli, cristallizzati in modo disordinato, al momento del raffreddamento. Tutti i granelli hanno una struttura cristallina uguale, ma l orientamento dei cristalli è diverso: una simile struttura viene denominata policristallo. Perciò è necessario realizzare una struttura cristallina che sia identica su tutto il materiale; tale struttura prende il nome di monocristallo. Metodo Czochralski Figura 3 Produzione del monocristallo col metodo CZ La figura 3 rappresenta una tecnica per produrre monocristalli di silicio denominata metodo Czochralski o metodo CZ. All interno di un tubo di quarzo vi è un crogiolo di grafite purissima che contiene il silicio fuso. Il calore necessario alla fusione del materiale viene ottenuto mediante l azione di una bobina a radiofrequenza avvolta sul tubo. Per ottenere il monocristallo viene immerso nel materiale fuso, per una profondità di 1 o 2 mm, un monocristallo denominato seme che, successivamente, viene tirato molto lentamente verso l alto. In questo modo una piccola quantità di materiale fuso, a contatto con il seme, si raffredda e solidifica secondo una struttura cristallina esattamente uguale a quella del seme. Man mano che questo viene tirato, altro materiale solidifica nello stesso modo, per cui alla fine si ottiene un lingotto monocristallino. Per facilitare la formazione del monocristallo, il seme viene fatto ruotare lentamente mentre viene tirato. Per ottenere un monocristallo drogato è necessario sciogliere nel materiale fuso il materiale drogante nella concentrazione desiderata. Albero portaseme Gas drogante Seme monocristallo Tubo di quarzo Bobina a radiofrequenza Monocristalli di silicio I metodi descritti precedentemente sono poco utilizzabili per realizzare monocristalli di silicio perché, come abbiamo già detto, esso tende a reagire chimicamente con i materiali del crogiolo. Perciò i monocristalli di silicio vengono ottenuti, in prevalenza, con la tecnica della zona fusa sospesa (floating-zone), rappresentata schematicamente nella figura 4. Il lingotto viene fissato superiormente al mandrino superiore e nella parte inferiore viene posto a diretto contatto con un seme monocristallino tenuto dal mandrino inferiore. L operazione inizia producendo una zona fusa nella parte di lingotto che si trova a diretto

5 contatto col seme, e successivamente la zona fusa viene spostata lentamente verso l alto. La parte di silicio che solidifica a contatto col seme ne ricopia fedelmente la struttura cristallina, perciò, man mano che la zona fusa si sposta in alto, si lascia dietro una struttura monocristallina uguale a quella del seme. Per ottenere un monocristallo drogato viene immesso nel tubo un gas contenente le sostanze droganti. Come già detto in precedenza, il silicio fuso non cola grazie all elevato valore della sua tensione superficiale. Figura 4 Produzione del monocristallo col metodo floating-zone Gas inerte Tubo di quarzo Lingotto Zona fusa sospesa Bobina a radiofrequenza Seme Gas inerte Nella figura 5 è mostrato un lingotto di silicio monocristallino durante una fase di trasporto per la lavorazione successiva. Figura 5 Lingotto monocristallino di silicio Lavorazione del monocristallo Per la costruzione dei dispositivi a semiconduttore si utilizzano pezzi di materiale monocristallino di piccole dimensioni, pertanto il lingotto va sottoposto a una serie di lavorazioni meccaniche per ridurlo in piccoli pezzi (chip), ognuno dei quali può contenere un componente più o meno complesso.

6 La prima operazione consiste nel tagliare il lingotto in tante fette sottili con spessore di circa 200 μm utilizzando speciali lame diamantate. Le lamine ottenute col taglio hanno la superficie piena di imperfezioni geometriche che vengono eliminate con una serie di operazioni che costituiscono la levigatura e la lappatura, fino a ottenere superfici perfettamente piane. L ultima operazione consiste nell attacco chimico con cui vengono eliminate le ultime imperfezioni superficiali. Con questa ultima operazione si ottengono i wafer monocristallini pronti per la realizzazione dei componenti. Il wafer può avere un diametro variabile fra 50 mm e 150 mm. Esso presenta sulla parte esterna uno o più intagli che servono a individuale l orientamento del monocristallo come si puo vedere in figura 6. Figura 6 Orientamento del monocristallo Tipo P (1,1,1) Tipo P (1,0,0) Tipo N (1,0,0) Da un wafer si possono ottenere diverse decine di componenti, per la realizzazione dei quali si può procedere in due modi: realizzando tutti i componenti sul wafer e dividendolo successivamente, oppure procedendo prima alla divisione del wafer in tanti pezzi (chip), su ognuno dei quali verrà, poi, realizzato un componente. La figura 7 mostra un wafer di silicio su cui sono stati realizzati diversi componenti prima di procedere alla suddivisione. Figura 7 Wafer di silicio su cui sono stati realizzati vari componenti La crescita epitassiale è una tecnica che consente di realizzare uno strato monocristallino sopra una fetta (wafer) di monocristallo, denominato substrato. Lo strato cresciuto epitassialmente deve essere dello stesso semiconduttore di cui è costituito il substrato, avrà la stessa struttura cristallina del substrato e potrà avere un diverso tipo di drogaggio. Crescita epitassiale Lo strato epitassiale viene ottenuto ponendo i wafer di monocristallo in un tubo di quarzo riscaldato da una bobina a radiofrequenza. Se il monocristallo è di silicio, nel

7 Figura 8 Crescita epitassiale: deposizione degli atomi (a); apparecchiatura (b) tubo viene immesso un gas formato da silano (H 4 ) oppure tetracloruro di silicio (Cl 4 ) o da triclorosilano (HCl 3 ), idrogeno (H 2 ) e gas droganti. Per ottenere un drogaggio di tipo N si usano la fosfina (PH 3 ) o l arsina (AsH 3 ); per un drogaggio di tipo P si usa il diborano (B 2 H 6 ). I gas immessi nel tubo di quarzo contenente i wafer monocristallini si decompongono in atomi grazie all elevata temperatura presente nel tubo. Gli atomi di silicio e gli atomi droganti, lambendo la superficie dei wafer, vi si attaccano facendo crescere uno strato avente la stessa struttura cristallina del substrato. Nella figura 8a è rappresentata la formazione dello strato epitassiale, mentre nella figura 8b è schematizzata l apparecchiatura utilizzata per tale processo. La crescita epitassiale va limitata a pochi µm in quanto, oltre certi spessori, la struttura cristallina è poco regolare. Gas B H Cl B H Cl B B Strato epitassiale P P P Substrato a) Gas Tubo di quarzo Wafer b) Bobina a radiofrequenza H Cl 4 B 2 H 3 Realizzazione della giunzione PN La giunzione PN costituisce uno degli elementi fondamentali nella produzione dei componenti a semiconduttore; essa rappresenta la superficie di separazione fra due zone di un unico pezzo monocristallino di semiconduttore in cui una è drogata di tipo P e l altra di tipo N.

8 Giunzione per lega La giunzione PN può essere realizzata con una delle seguenti tecniche: giunzione per lega; giunzione per diffusione; giunzione per impianto di ioni; giunzione per deposizione epitassiale; giunzione per punta di contatto. Per realizzare una giunzione per lega si parte da un pezzo monocristallino (chip) di silicio drogato di tipo N e si pone sopra di esso una pasticca di alluminio. Il tutto viene riscaldato a una temperatura sufficiente a far fondere la pasticca nella zona di contatto tra i due materiali in modo da formare una lega fra metallo e semiconduttore. In questa fase un gran numero di atomi di alluminio penetra nel monocristallo producendo uno strato in cui il drogaggio viene invertito da tipo N a tipo P. esempio 1 Un monocristallo di silicio (n i = 1, cm 3 ) viene drogato con atomi di fosforo in concentrazione di cm 3. In una seconda operazione vengono iniettati al suo interno atomi di alluminio in concentrazione di cm 3. Dopo la prima operazione il silicio risulta drogato di tipo N e la concentrazione di elettroni liberi risulta pari a n = cm 3, mentre la concentrazione di lacune è di 2 ni p = = 25610, 6 cm 3 n Dopo l iniezione, gli atomi di alluminio producono una compensazione del precedente drogaggio e il silicio ritorna a essere intrinseco; cioè la concentrazione di lacune e di elettroni liberi ritorna a essere pari a n i. esempio 2 Il silicio dell esempio 1 viene drogato con atomi di fosforo in concentrazione di N D = cm 3 e successivamente con atomi di alluminio in concentrazione di N A = cm 3. In questo caso il silicio, dopo la prima operazione, risulta drogato di tipo N con n N D = cm 3 e p = 2, cm 3. Dopo la seconda operazione risulta drogato di tipo P con p = N A N D = cm 3 2 ni e n = = 25610, 4 cm 3. p La seconda operazione di drogaggio ha operato una sovracompensazione del drogaggio precedente producendo una inversione del tipo di drogaggio. La giunzione per diffusione viene realizzata sfruttando il fatto che, se sulla superficie di un semiconduttore è presente una sostanza drogante, gli atomi di tale sostanza si diffondono all interno del reticolo monocristallino provocandone il drogaggio. La concentrazione di atomi diffusi è maggiore in prossimità della superficie di diffusione e diminuisce con l aumentare della profondità. Giunzione per diffusione Se, per esempio, viene effettuata una diffusione di atomi donatori in un silicio drogato precedentemente con atomi accettori e ipotizziamo che la concentrazione N D di atomi donatori diffusi sia maggiore della concentrazione N A di atomi accettori preesistenti, si ottiene una inversione di drogaggio per sovracompensazione. Poiché la concentrazione degli atomi diffusi diminuisce con l aumentare della profondità, si otterranno due zone con caratteristiche diverse: quella più vicina alla superficie di diffusione risulta drogata di tipo N a causa della inversione di drogaggio, mentre quella più profonda rimane drogata di tipo P in quanto la concentrazione degli atomi diffusi è più bassa rispetto al drogaggio preesistente.

9 La superficie di separazione fra le due zone, cioè la superficie su cui la concentrazione di atomi donatori è esattamente uguale a quella degli accettori, rappresenta la giunzione PN. Il processo di diffusione è tanto più veloce quanto maggiore è la temperatura a cui avviene; pertanto questo processo viene eseguito a una temperatura che va da 1000 C a 1330 C. Tale temperatura è decisamente inferiore alla temperatura di fusione del semiconduttore e comunque tale da non modificare apprezzabilmente la struttura del reticolo monocristallino. La giunzione per impianto di ioni (ion implantation) consiste nel bombardare la superficie del semiconduttore con un fascio di ioni droganti. Giunzione per impianto di ioni Figura 9 stema per l impiantazione di ioni Per ottenere tali ioni si mette il drogante sotto forma di composto in una camera di ionizzazione. Il composto viene immesso allo stato gassoso e, grazie alla elevatissima temperatura della camera, le molecole si rompono formando ioni. Alcuni di questi ioni sono costituiti da atomi dell elemento drogante che si intende utilizzare. Tutti gli ioni ottenuti nella camera e aventi lo stesso segno degli ioni droganti vengono accelerati e inviati in uno spettrometro di massa, all interno del quale, grazie a un campo elettrico trasversale al verso del movimento, essi vengono deviati. La deviazione è maggiore per gli ioni più leggeri ed è minore per quelli più pesanti. Perciò a ogni tipo di ione corrisponde un diverso angolo di deviazione. In questo modo tutti gli ioni dell elemento drogante vengono deviati nella stessa direzione, mentre gli altri proseguono in direzioni diverse. Realizzando un apertura nella direzione in cui si muovono gli ioni droganti, essi vengono selezionati e separati dagli altri. Successivamente gli ioni droganti vengono accelerati facendoli passare in un tubo di accelerazione prima di inviarli alla superficie da bombardare. In figura 9 è rappresentato schematicamente il sistema di impiantazione di ioni (ion implantation). Sorgente di ioni Fascio di ioni Spettrometro Campo elettrostatico Ioni selezionati di drogante Piastrina di Tubo di accelerazione Supporto Giunzione per deposizione epitassiale Abbiamo visto nella precedente unità come è possibile far crescere su un wafer o su un chip monocristallino uno strato epitassiale facendo depositare sulla superficie atomi di semiconduttore misti ad atomi droganti nella concentrazione desiderata. La giunzione per deposizione epitassiale viene ottenuta facendo crescere su un substrato drogato di tipo P uno strato epitassiale drogato di tipo N oppure, viceversa, su un substrato di tipo N uno strato epitassiale di tipo P. La crescita epitassiale consente di ottenere una concentrazione di drogante perfettamente costante su tutto lo strato accresciuto, pertanto il passaggio dalla zona N alla zona P avviene con variazione di concentrazione molto più netta rispetto a quella ottenuta con la diffusione.

10 Nella figura 10a è riportato il profilo di concentrazione su una giunzione PN ottenuta per crescita epitassiale e in figura 10b quella ottenuta per diffusione. Con la giunzione per crescita epitassiale si ottiene un profilo di concentrazione delle impurezze che ha una variazione, sulla giunzione, molto più netta rispetto a quello ottenuto con altre tecniche; tuttavia è molto difficile determinare con precisione la profondità a cui si forma la giunzione. Ciò rende la crescita epitassiale poco adatta a realizzare giunzioni a differente profondità. Questa tecnica trova larga applicazione nella tecnica planare per realizzare, su uno strato monocristallino, uno strato epitassiale entro cui realizzare diodi e transistor. Figura 10 Profilo di concentrazione degli atomi droganti in una giunzione: per deposizione epitassiale (a); per diffusione (b) N D Giunzione per deposizione epitassiale N D N A N D0 N D N A Giunzione per diffusione N D N A x N D N A x N A N A a) b) 4 La tecnica planare Figura 11 Metallizzazione per il contatto di anodo P N N + Metallizzazione per il contatto di catodo La tecnica planare fu introdotta intorno al 1959 dall azienda americana Fairchild per la costruzione di diodi e transistor. L uso di questa tecnica rappresentò una forte spinta verso la miniaturizzazione dei componenti a semiconduttore, portando, successivamente, alla realizzazione dei circuiti integrati. Con le precedenti tecniche, le operazioni di diffusione per ottenere le giunzioni e le metallizzazioni per i contatti venivano effettuate su entrambe le superfici della piastrina di semiconduttore. A titolo di esempio, la figura 11 mostra un diodo diffuso. Struttura di un diodo diffuso: metallizzazione di una zona drogata N A K Giunzione PN Zona N + per evitare il contatto rettificante In essa si può notare come entrambe le superfici del chip sono state utilizzate per eseguire delle operazioni di diffusione o di metallizzazione. Il dispositivo è stato realizzato partendo da una piastrina drogata di tipo N e attraverso una delle superfici è stata effettuata una diffusione di tipo P. Successivamente, su tale superficie è stato depositato uno strato di metallo (metallizzazione) al quale è collegato il terminale di anodo. Dalla superficie opposta è stata effettuata una diffusione di tipo N + che aumenta, per una certa profondità, il drogaggio preesistente, poi la superficie è stata metallizzata per effettuare il collegamento del terminale di catodo.

11 La metallizzazione della superficie di un semiconduttore provoca inevitabilmente un drogaggio del materiale sottostante. Se il materiale utilizzato per la metallizzazione è alluminio (come nella maggior parte dei casi), si ottiene un drogaggio di tipo P. Metallizzazione su un semiconduttore drogato N Figura 12 Mascheratura per la diffusione selettiva Se il materiale sottostante era drogato di tipo P il successivo drogaggio, causato dalla metallizzazione, non provoca alcun inconveniente. Se, invece, il materiale sottostante era drogato di tipo N si può verificare un grave inconveniente nel caso che tale drogaggio fosse di basso livello. In tal caso, infatti, la concentrazione N A di atomi accettori, penetrati durante la metallizzazione, supera la concentrazione N D di atomi donatori presenti, almeno per una certa profondità. Il risultato che si ottiene è una inversione di drogaggio e, quindi, la formazione di una giunzione PN. Pertanto la metallizzazione di una superficie di semiconduttore con un basso drogaggio di tipo N può provocare un contatto rettificante. Questo inconveniente non si verifica se il drogaggio preesistente è molto alto (N + ) perché non consente la sovracompensazione. In questo secondo caso la metallizzazione produce un contatto ohmico. Con riferimento alla figura 11, la diffusione di tipo N + si è resa necessaria per evitare che gli atomi dell alluminio, usato per la metallizzazione, diffondendo nella zona N, potessero provocare una sovracompensazione e quindi una zona di tipo P. La presenza del forte drogaggio N + non consente tale inversione e impedisce la formazione di un contatto rettificante. Dalla descrizione appena fatta si nota che alcune operazioni sono state eseguite attraverso una superficie; altre, invece, sono state eseguite utilizzando la superficie opposta. Con la tecnica planare quasi tutte le operazioni di diffusione e metallizzazione vengono eseguite attraverso una unica superficie mediante opportune operazioni di mascheratura; da ciò il nome di tecnica planare. Poiché tutte le operazioni di diffusione vanno eseguite attraverso un sola superficie del wafer, per poter realizzare diffusioni diverse su porzioni distinte della superficie è necessario delimitare parti di essa in modo da poter effettuare il drogaggio desiderato su ognuna di esse. Ciò può essere ottenuto coprendo (mascherando) tutta la superficie a eccezione della parte su cui si vuole effettuare la diffusione o la metallizzazione. La figura 12 mostra un esempio di mascheratura che consente una diffusione selettiva nel silicio sottostante. Questa tecnica è stata sviluppata principalmente per la realizzazione di componenti al silicio e il materiale usato per realizzare la maschera è l ossido di silicio O 2. A A Maschera Sezione A- A Per la formazione dell ossido di silicio, necessario a realizzare la maschera, si sfrutta la forte affinità che il silicio ha per l ossigeno; esso, infatti, a contatto con l aria, si ricopre spontaneamente di uno strato di ossido. Formazione dell ossido Per favorire la formazione di uno strato di O 2 abbastanza spesso e in tempi brevi è conveniente esporre il silicio a un atmosfera ossidante ad alta temperatura. L operazione di ossidazione viene eseguita ponendo più wafer o chip di silicio all interno di un tubo

12 di quarzo riscaldato mediante un forno a temperatura controllata. Nel tubo di quarzo viene immesso gas inerte mescolato con ossigeno (O 2 ) oppure con vapor d acqua (H 2 O). Utilizzando ossigeno si ottiene una ossidazione secca secondo la reazione: + O 2 O 2 mentre col vapor d acqua si ha la seguente reazione: + H 2 O O 2 + 2H 2 Per la realizzazione della maschera viene utilizzata la tecnica della fotoincisione (photoengraving) o fotolitografica che si scompone nelle seguenti fasi: realizzazione del master; ossidazione; stesura del photoresist; esposizione ai raggi ultravioletti attraverso il master; asportazione del photoresist (sviluppo); asportazione dell ossido (incisione) per la realizzazione della maschera; diffusione attraverso le finestre della maschera. Formazione della maschera Figura 13 Dopo la fase di ossidazione viene spruzzata sull ossido una resina fotosensibile (photoresist) che può essere di tipo positivo o negativo (figura 13a). Generalmente viene adoperato il photoresist di tipo negativo, il quale si polimerizza quando viene colpito dai raggi ultravioletti. Preparazione della maschera di O 2 : stesura photoresist (a); esposizione (b); sviluppo (c); incisione di O 2 e formazione della finestra (d); rimozione del photoresist (e) Photoresist O µ Raggi ultravioletti 1 2 µ µ Pellicola master a) Photoresist negativo Photoresist negativo O 2 O 2 b) c) Photoresist negativo O 2 O 2 d) e) La resina, dopo essere stata asciugata, viene esposta ai raggi ultravioletti attraverso una pellicola trasparente, sulla quale, mediante procedimenti fotografici, è stato realizzato il disegno (master) della maschera da realizzare (figura 13b). In particolare, le parti opache corrispondono alle finestre da aprire nell ossido. Successivamente si espone il tutto all azione dei raggi ultravioletti, i quali attraversano la pellicola nelle parti trasparenti e vengono assorbiti nelle parti opache. Il photoresist colpito dai raggi si polimerizza modificando la sua struttura chimica, mentre quello coperto dalle parti opache rimane inalterato.

13 Diffusione planare Figura 14 Il photoresist non polimerizzato viene, poi, asportato selettivamente con l uso di un solvente, tipo il tricloroetilene (figura 13c). In questo modo viene aperta, nel photoresist, una finestra (o più finestre a seconda del disegno del master) attraverso la quale si può eliminare l ossido di silicio e quindi mettere in luce la superficie di semiconduttore sulla quale operare (figura 13d). Per eliminare l ossido di silicio si può utilizzare l acido fluoridrico. Le fasi operative si concludono con l asportazione del photoresist polimerizzato prima di procedere all operazione di diffusione. Tale asportazione può essere effettuata mediante abrasione meccanica oppure mediante l uso di un solvente inorganico come l acido solforico (H 2 SO 4 ) caldo. Se il processo fotografico è stato eseguito con lo scopo di realizzare una giunzione, attraverso la finestra viene effettuata una diffusione di atomi droganti di tipo opposto al drogaggio preesistente. Formazione di una giunzione con la tecnica planare: diffusione (a); forma della giunzione (b) Atomi donatori tipo P tipo P N Parte della giunzione coperta dall'o 2 a) b) Durante la diffusione, gli atomi droganti penetrano attraverso la superficie della finestra e si propagano in tutte la direzioni, quindi anche ai lati della finestra (figura 14a); in questo modo si ottiene una giunzione avente la forma indicata in figura 14b che, nella parte superiore, risulta coperta dal biossido di silicio. Questo risultato è estremamente positivo, in quanto la giunzione non ha parti esposte all ambiente esterno, che potrebbe provocare un corto circuito involontario o che comunque richiederebbe accorgimenti particolari per evitarlo. 5 Metallizzazione e collegamento dei terminali La metallizzazione consiste nel realizzare sulle superfici a differente drogaggio e che rappresentano elementi particolari del componente uno strato metallico necessario per eseguire il collegamento con i corrispondenti terminali esterni. Figura 15 Giunzioni in un diodo planare Catodo La tecnica fotolitografica, oltre che per Anodo O realizzare giunzioni per diffusione selettiva, viene adoperata anche per eseguire 2 N + P metallizzazioni aventi forme geometriche N di qualunque tipo. Per comprendere facilmente il procedimento di metallizzazione fotolitografica consideriamo, a titolo di esempio, un diodo planare la cui struttura è riportata in figura 15. In essa sono evidenziate tre zone a differente drogaggio ottenute con il procedimento di seguito descritto. Partendo da una piastrina (substrato) di tipo N è stata effettuata una prima diffusione di tipo P e successivamente una di tipo N +, ottenendo una zona di tipo N + immersa

14 Funzione del substrato Fasi della metalizzazione Figura 16 nella zona P. La superficie di separazione fra la zona P e la zona N + rappresenta la giunzione del diodo. La piastrina di semiconduttore (substrato), all interno della quale sono state effettuate le due diffusioni con la tecnica planare, ha, in questo caso, esclusivamente la funzione di supporto meccanico e non interviene nel funzionamento del diodo che si sta realizzando. Per completare il diodo in questione occorre procedere al collegamento dei terminali. Questi ultimi non possono essere collegati direttamente alla superficie del silicio, ma è necessario realizzare uno strato metallico (metallizzazione) sulla superficie del silicio e poi saldare a essa dei piccoli pezzi di filo sottilissimo ai quali andranno, poi, saldati i terminali esterni. Per l operazione di metallizzazione si procede eseguendo tutte le fasi del processo fotolitografico fino a ottenere, sulla superficie della piastrina, una maschera con delle finestre in corrispondenza delle superfici da metallizzare. Partendo, quindi, dalla situazione illustrata in figura 15 si procede alla ossidazione della finestra utilizzata per la diffusione N + e ripristinando lo strato di ossido su tutta la superficie. Suc ces si vamente vengono aperte due finestre: una nella zona P e l altra nella zona N +. La figura 16a mostra una possibile forma di tali finestre; in particolare, la finestra sulla zona N + ha la forma di un rettangolo, mentre quella sulla zona P ha la forma di un anello rettangolare che circonda l altra. Dopo aver aperto queste due finestre viene realizzato uno strato metallico su tutta la superficie (figura 16b) coprendo sia le finestre sia lo strato di ossido. Formazione dei contatti in un diodo planare: apertura delle finestre (a); metallizzazione (b); pattern di metallizzazione (c) Giunzione P-N Strato di metallizzazione Finestra nella zona N + Finestra nella zona P N + b) P N Anodo Catodo Giunzione P-N + N + P N N + c) P N a) Per eseguire la metallizzazione possono essere adoperati diversi metalli fra cui i principali sono: l oro, l alluminio, il nichel, l argento, il cromo. Con il silicio viene comunemente utilizzato l alluminio. L operazione di metallizzazione viene eseguita per evaporazione sotto vuoto. Le piastrine o i wafer da metallizzare vengono poggiati su una piattaforma all interno di una campana in cui è stato realizzato il vuoto spinto. Nella campana sono contenuti anche dei filamenti di tungsteno intorno ai quali è avvolto un filo di allumi

15 nio. Facendo percorrere il tungsteno da una opportuna corrente, esso si riscalda fino a 1700 C provocando prima la fusione e poi l evaporazione dell alluminio. Il vapore di alluminio, lambendo la superficie delle piastrine che si trovano a temperatura più bassa, si raffredda e vi si attacca formando uno strato uniforme. Successivamente, mediante la tecnica fotolitografica viene asportato lo strato di alluminio nelle zone coperte da ossido e lasciandolo nelle zone desiderate. ottiene così, sul wafer o sulla piastrina, un disegno (pattern) di metallizzazione. La figura 16c rappresenta il risultato di tale operazione nel caso del diodo in esame. Per assicurare un buon contatto fra l alluminio della metallizzazione e il silicio sottostante è necessario riscaldare la piastrina poco al di sopra della temperatura eutettica di 576 C. Formazione del contatto metallosemiconduttore Collegamenti dei terminali Saldatura per termocompressione Questo riscaldamento produce la fusione dell alluminio solo nella zona di contatto col silicio, in quanto lì si creano le condizioni per ottenere la lega eutettica (lega con la più bassa temperatura di fusione). L alluminio, legandosi col silicio, realizza un contatto ohmico se il silicio è drogato di tipo P oppure se è fortemente drogato di tipo N, tanto da evitare che la diffusione dell alluminio possa provocare una inversione di drogaggio. Ricordiamo che una parte degli atomi di alluminio, durante la formazione della lega col silicio diffondono nel reticolo cristallino provocandone un drogaggio di tipo P (vedere giunzione per lega). Tenendo conto che la concentrazione di atomi di alluminio è di circa cm 3 è ne ces sario che il drogaggio di tipo N sia superiore a tale concentrazione; in caso contrario l alluminio che diffonde nel semiconduttore realizza una giunzione PN e quindi un contatto rettificante. Con il processo di metallizzazione è stato realizzato uno strato metallico, generalmente di alluminio, che crea un contatto ohmico con le zone drogate del silicio e che rappresentano parti significative del componente da realizzare. Ognuna di queste parti deve essere collegata elettricamente al corrispondente terminale. Nell esempio in esame, le due parti metallizzate rappresentano rispettivamente l anodo e il catodo del diodo, per cui esse dovranno essere collegate ai rispettivi terminali di anodo e di catodo. A causa delle caratteristiche specifiche del terminale, fra cui la robustezza, spesso non è possibile eseguire un collegamento diretto fra terminale e metallizzazione. A tale scopo vengono utilizzati fili sottilissimi di oro o di alluminio del diametro di µm, i quali vengono vincolati (bonded) alle regioni metallizzate mediante termocompressione o saldatura a ultrasuoni. La saldatura per termocompressione è descritta nelle sequenze riportate in figura 17. In un tubo capillare scorre un filo sottilissimo di oro (figura 17a), con l ausilio di una piccola fiamma o di una scintilla elettrica viene portata a fusione l estremità del filo che, fondendo, forma una pallina (figura 17b). Il filo di oro viene tirato in modo che la pallina aderisca al tubo (figura 17c) e successivamente la pallina viene poggiata sulla superficie metallizzata da collegare, esercitando una pressione che deformi la pallina trasformandola in una testa di chiodo (figura 17d). Questa operazione viene compiuta a una temperatura compresa fra 200 e 250 C e ha una durata sufficiente a consentire, grazie alla pressione e alla temperatura, la formazione di una lega di oro e alluminio nel punto di contatto. Successivamente il tubo capillare viene tirato (figura 17e) e poi spostato sul terminale da collegare (figura 17f). Qui viene ripetuta l operazione di termocompressione per realizzare il collegamento col terminale del componente. Il processo viene concluso tirando il capillare dalla zona di contatto (figura 17g) e tagliando il filo mediante la fusione con la fiammella (figura 17h). Con questa ultima operazione si forma la pallina e quindi si può ricominciare il processo per un nuovo collegamento.

16 Molte volte, anziché procedere al collegamento del terminale, dopo la fase di figura 17e si preferisce eseguire il taglio del filo e ricominciare con il collegamento di un altra metallizzazione. Tutte le connessioni con i terminali vengono eseguite in una fase successiva. Figura 17 Collegamento dei terminali mediante saldatura per termocompressione Metallo a) b) c) d) e) Metallizzazione Contenitore Terminale f) g) h) La saldatura a ultrasuoni viene eseguita utilizzando, per il collegamento fra metallizzazione e terminale, un filo di alluminio. Quest ultimo viene premuto sulla superficie della metallizzazione da collegare mediante un opportuno utensile che vibra a una frequenza superiore ai 20 khz (ultrasuoni). Il calore generato dalle vibrazioni consente la compenetrazione dei due metalli e la realizzazione della connessione desiderata TEST DI RIEPILOGO 1 Come avviene la raffinazione per zona fusa sospesa? 2 Come si ottiene il monocristallo di silicio? 3 Attraverso quali operazioni si ottengono i wafer partendo dal lingotto monocristallino? 4 Cosa si intende per crescita epitassiale? 5 In quali modi si può realizzare un giunzione PN? 6 A cosa serve la tecnologia planare? 7 A cosa serve la metallizzazione? 8 Qual è la differenza principale fra una giunzione per diffusione e una giunzione per deposizione epitassiale?