A1.1 Dispositivi semiconduttori

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1 A1 A1.1 Dispositivi semiconduttori L utilizzo dei semiconduttori nell industria dell elettronica è diventato sempre più importante. L abilità dei produttori di semiconduttori di porre circuiti elettrici estremamente complicati su un chip di silicio di 1 cm 2 o meno e con uno spessore di circa 200 m ha rivoluzionato la progettazione e la fabbricazione di innumerevoli prodotti. In Figura A1.1 è mostrato un esempio di un complesso circuito elettronico che può essere realizzato su un chip di silicio di un microprocessore avanzato o computer su un chip. Il microprocessore è alla base di molti dei più recenti prodotti che utilizzano la miniaturizzazione progressiva della tecnologia dei semiconduttori a base di silicio. In questo capitolo studieremo innanzitutto le interazioni tra elettroni e lacune in una giunzione di tipo pn e in seguito esamineremo il funzionamento di un diodo con giunzione pn. Considereremo poi alcune applicazioni dei diodi con giunzione pn. Infine esamineremo brevemente il funzionamento dei transistor con giunzione bipolare. A1.1.1 La giunzione pn I dispositivi semiconduttori più comuni dipendono dalle proprietà dell interfaccia tra materiali di tipo p e di tipo n, perciò esamineremo alcune caratteristiche di questa interfaccia. Un diodo con giunzione pn può essere prodotto mediante la crescita di un monocristallo di silicio intrinseco e il successivo drogaggio prima con un materiale di tipo n e poi con uno di tipo p (Figura A1.1a). Più comunemente, comunque, la giunzione pn viene prodotta per diffusione allo stato solido di un tipo di impurezza (per esempio, di tipo p) nel materiale di tipo n già esistente (Figura A1.1b). Il diodo con giunzione pn in condizioni di equilibrio Consideriamo un caso ideale nel quale semiconduttori di silicio di tipo p e di tipo n vengono uniti per formare una giunzione. Prima dell unione, entrambi i tipi di semiconduttori sono elettricamente neutri. Nel materiale di tipo p, le lacune sono i portatori di maggioranza e gli elettroni quelli di minoranza. Nel materiale di tipo n, invece, gli elettroni sono i portatori di maggioranza e le lacune quelli di minoranza. Tipo p Contatti metallici (a) Tipo n Tipo p (b) Tipo n Figura A1.1 (a) Diodo con giunzione pn cresciuto in forma di barra monocristallina. (b) Giunzione planare pn prodotta diffondendo selettivamente una impurezza di tipo p in un cristallo semiconduttore di tipo n.

2 2 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Figura A1.2 (a) Diodo con giunzione pn che mostra la diffusione verso la giunzione dei portatori di maggioranza (lacune nel materiale di tipo p e elettroni nel materiale di tipo n). (b) Formazione della regione di svuotamento vicino e sulla giunzione pn causata dalla perdita di portatori di maggioranza dovuta alla ricombinazione. In questa regione, rimangono solamente ioni nelle loro posizioni reticolari. Tipo p Tipo n Tipo p Tipo n Lacune Giunzione (a) Elettroni Lacune, portatori di maggioranza Ione accettore Regione di svuotamento Giunzione (b) Elettroni, portatori di maggioranza Ione donatore Dopo l unione dei materiali di tipo p e di tipo n (cioè, dopo la realizzazione di una giunzione pn nella produzione attuale), i portatori di maggioranza vicini o sulla giunzione diffondono attraverso questa e si ricombinano (Figura A1.2a). Gli ioni vicino o sulla giunzione, poiché sono fisicamente più grandi e più pesanti degli elettroni e delle lacune, rimangono nelle loro posizioni del reticolo del silicio (Figura A1.2b). Dopo poche ricombinazioni dei portatori di maggioranza in corrispondenza alla giunzione, il processo si ferma perché gli elettroni che attraversano la giunzione verso il materiale di tipo p, vengono respinti dai grandi ioni negativi. Allo stesso modo, le lacune che attraversano la giunzione sono respinte dai grandi ioni positivi presenti nel materiale di tipo n. Gli ioni immobili presenti sulla giunzione creano una zona impoverita di portatori di maggioranza chiamata regione di svuotamento. In condizioni di equilibrio (cioè a circuito aperto) esiste una differenza di potenziale o una barriera al flusso dei portatori di maggioranza. Quindi non c è un flusso netto di corrente in condizioni di circuito aperto. Diodo con giunzione pn a polarizzazione inversa Quando viene applicata una tensione esterna, si dice che la giunzione pn è polarizzata. Consideriamo l effetto dell applicazione, ad una giunzione pn, di una tensione esterna mediante una pila. Si dice che la giunzione pn è polarizzata inversamente se il materiale di tipo n della giunzione è collegato al polo positivo della pila e se il materiale di tipo p è collegato al polo negativo (Figura A1.3). Con questa disposizione, gli elettroni (portatori di maggioranza) del materiale di tipo n vengono allontanati dalla giunzione perché attratti dal polo positivo della batteria e le lacune (portatori di maggioranza) del mate- Figura A1.3 Diodo con giunzione pn polarizzato inversamente. I portatori di maggioranza vengono attratti lontano dalla giunzione, creando una regione di svuotamento più ampia di quando la giunzione è in condizioni di equilibrio. Il flusso di corrente dovuto ai portatori di maggioranza è ridotto praticamente a zero. Comunque, i portatori di minoranza sono polarizzati in modo diretto e creano un piccolo flusso di corrente, come mostrato in Figura A1.4. Le lacune, portatori di maggioranza, flussano esternamente alla giunzione ve Lacune Alimentatore esterno Tipo p Tipo n Polarizzazione inversa Gli elettroni, portatori di maggioranza, flussano esternamente alla giunzione ve Elettroni

3 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 3 Polarizzazione inversa Corrente di dispersione dovuta ai portatori di minoranza i (ma) i (A) Elevato flusso di corrente dovuto ai portatori di maggioranza V, volt Polarizzazione diretta Figura A1.4 Caratteristica schematica corrente-tensione di un diodo con giunzione pn. Quando il diodo con giunzione pn è polarizzato in modo inverso si ha una corrente di dispersione dovuta alla ricombinazione dei portatori di minoranza. Quando il diodo è polarizzato in modo diretto, si ha un elevato flusso di corrente dovuto alla ricombinazione dei portatori di maggioranza. riale di tipo p vengono allontanate dalla giunzione perché attratte dal polo negativo della batteria (Figura A1.3). Il movimento di allontanamento dalla giunzione degli elettroni e delle lacune aumenta l ampiezza della barriera e, di conseguenza, non fluisce la corrente trasportata dai portatori di maggioranza. I portatori di minoranza generati termicamente (lacune nel materiale di tipo n ed elettroni nel materiale di tipo p) vengono attratti in direzione della giunzione e si possono combinare, creando un flusso di corrente molto debole in condizioni di polarizzazione inversa. Questa corrente di minoranza, o corrente di dispersione, è di solito dell ordine dei microampere (µa) (Figura A1.4). Polarizzazione diretta di un diodo con giunzione pn Si dice che il diodo con giunzione pn è polarizzato direttamente se il materiale di tipo n della giunzione è accoppiato al polo negativo di una pila esterna (o di un altro generatore elettrico) e il materiale di tipo p è collegato al polo positivo (Figura A1.5). In questo caso, i portatori di maggioranza sono respinti verso la giunzione dove possono combinarsi. Infatti, gli elettroni vengono respinti dal polo negativo della batteria, verso la giunzione, e le lacune vengono respinte anch esse dal polo positivo verso la giunzione. In condizioni di polarizzazione diretta, cioè polarizzazione diretta rispetto ai portatori di maggioranza, nella giunzione la barriera di energia è talmente ridotta che alcuni elettroni e lacune sono in grado di attraversare la giunzione e quindi di ricombinarsi. Nella polarizzazione diretta di una giunzione pn, gli elettroni erogati dalla batteria entrano nel materiale negativo del diodo (Figura A1.5). Per ogni elettrone che Alimentatore esterno Lacune Le lacune, portatori di maggioranza, flussano attraverso la giunzione ve Tipo p Gli elettroni, portatori di maggioranza, fluiscono attraverso la giunzione Tipo n Polarizzazione diretta ve Elettroni Figura A1.5 Polarizzazione diretta di un diodo con giunzione pn. I portatori di maggioranza sono respinti verso la giunzione e la attraversano per ricombinarsi in modo tale da provocare un considerevole flusso di corrente.

4 4 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Figura A1.6 Diagramma tensionecorrente che illustra l azione di raddrizzamento di un diodo con giunzione pn per convertire la corrente alternata (AC) in corrente continua (DC). La corrente in uscita non è completamente corrente continua, ma è principalmente positiva. Questo segnale DC può essere smorzato utilizzando altri dispositivi elettronici. i V(t) Corrente in uscita i(t) V Tensione in entrata attraversa la giunzione e si ricombina con una lacuna, dalla batteria giunge un altro elettrone. Allo stesso modo, per ogni lacuna che si ricombina con un elettrone del materiale di tipo n, si forma una nuova lacuna ogni volta che un elettrone lascia il materiale di tipo p per andare verso il polo positivo della pila. Poiché la barriera di energia al flusso degli elettroni è ridotta quando la giunzione pn è polarizzata direttamente, può circolare una considerevole corrente, come indicato in Figura A1.4. Il flusso di elettroni (e quindi il flusso di corrente) può proseguire finché la giunzione pn è polarizzata direttamente e la pila garantisce l apporto di elettroni. A1.1.2 Alcune applicazioni dei diodi con giunzione pn Diodi raddrizzatori Una delle più importanti applicazioni dei diodi con giunzione pn è la conversione della tensione alternata in tensione diretta, processo noto come raddrizzamento. I diodi utilizzati per questo processo sono detti diodi raddrizzatori. Applicando un segnale in corrente alternata (AC) ad un diodo con giunzione pn, il diodo conduce solo quando la tensione applicata è positiva nella regione p rispetto alla regione n. Di conseguenza, si ottiene un raddrizzamento a semionda, come mostrato in Figura A1.6. Questo segnale di uscita può essere smorzato con altri dispositivi o circuiti elettronici in modo da ottenere un segnale in corrente continua (DC) costante. I raddrizzatori al silicio allo stato solido vengono utilizzati in un ampio intervallo di correnti che va dai decimi di ampere a diverse centinaia di ampere o ancora di più. Anche le tensioni possono essere di 1000 V o anche maggiori. Diodi a conduzione inversa I diodi a conduzione inversa, o diodi zener, come talvolta vengono chiamati, sono raddrizzatori al silicio nei quali la corrente inversa (corrente di dispersione) è piccola e solo con un elevata tensione di polarizzazione inversa si raggiunge una tensione di scarica al di sopra della quale la corrente inversa aumenta molto rapidamente (Figura A1.7). Nella cosiddetta zona di scarica zener, il campo elettrico nel diodo diventa abbastanza forte da attrarre gli elettroni direttamente dai legami covalenti del reticolo cristallino. Le coppie elettrone-lacuna così create producono un alta corrente inversa. A tensioni di polarizzazione inversa superiori a quella di scarica zener avviene un effetto valanga e la corrente inversa diventa elevatissima. Una teoria per spiegare l effetto valanga è quella secondo la quale gli elettroni guadagnano, attraverso gli urti, una energia sufficiente per sbalzare più elettroni dai legami covalenti che possono quindi raggiungere livelli di energia abbastanza alti per diventare conduttori. I diodi di sicurezza possono essere prodotti con tensioni di scarica da pochi volt a molte centinaia di volt e sono utilizzati per applicazioni in cui è necessario limitare la tensione e per stabilizzare la tensione in condizioni di corrente molto variabile.

5 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 5 Tensione di polarizzazione inversa, V Corrente diretta, ma Figura A1.7 Curva caratteristica di un diodo zener. Nella regione di tensione di scarica circola una elevata corrente inversa. Regione di tensione di rottura Tensione di polarizzazione diretta, V Corrente inversa, ma A1.1.3 Transistor con giunzione bipolare Un transistor a giunzione bipolare (BJT) è un dispositivo elettronico che può funzionare come amplificatore di corrente. Questo dispositivo consiste di due giunzioni pn in sequenza in un monocristallo di un materiale semiconduttore come il silicio. La Figura A1.8 mostra schematicamente un transistor con giunzione bipolare di tipo npn e identifica le tre parti principali del transistor: l emettitore, la base e il collettore. L emettitore di un transistor emette i portatori di carica. L emettitore di un transistor npn, essendo di tipo n, emette elettroni. La base del transistor controlla il flusso dei portatori di carica ed è di tipo p per un transistor npn. La base è molto sottile (circa 10-3 cm di spessore) ed è leggermente drogata, in modo che solamente una piccola frazione dei portatori di carica provenienti dall emettitore si ricombinano con i portatori di maggioranza di carica opposta della base. Il collettore del BJT raccoglie i portatori di carica provenienti principalmente dall emettitore. Poiché il collettore di un transistor npn è di tipo n, raccoglie principalmente gli elettroni dall emettitore. Nel normale funzionamento del transistor npn, la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente e la giunzione collettore-base è polarizzata inversamente (Figura A1.8). La polarizzazione diretta della giunzione emettitore-base provoca un iniezione di elettroni dall emettitore alla base (Figura A1.9). Alcuni degli elettroni iniettati nella base sono persi per la ricombinazione con le lacune nella base di tipo p. Comunque, la maggior parte degli elettroni passa attraverso la base di piccolo spessore direttamente dall emettitore al collettore, dove sono attratti dal polo positivo dello stesso. Il forte drogaggio dell emettitore con elettroni, il leggero drogaggio della E Polarizzazione diretta Regione fortemente drogata (N D N A ) 0.7 V B n p n Emettitore Base Polarizzazione inversa Collettore W B 5 V x C Figura A1.8 Illustrazione schematica di un transistor con giunzione bipolare npn. La regione n a sinistra è l emettitore, la regione sottile p centrale è la base e la regione n a destra è il collettore. Durante il normale funzionamento, la giunzione emettitore-base è polarizzata direttamente e la giunzione collettorebase è polarizzata inversamente. (Da C. A. Holt, Electronic Circuits, Wiley, 1978, p.49.)

6 6 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Figura A1.9 Movimento di un portatore di carica durante il normale funzionamento di un transistor npn. La maggior parte della corrente è trasportata da elettroni che, attraverso la base, vanno direttamente al collettore. Alcuni degli elettroni, circa 1-5% si ricombinano con le lacune provenienti dal flusso di corrente della base. Come indicato, è anche presente una bassa corrente inversa dovuta ai portatori generati termicamente. (Da R. J. Smith, Currents, Devices and Systems, 3d ed., Wiley, 1976, p.343.) i E Emettitore n i E (1 )i E Base p Elettroni ( )ie Ricombinazione Lacune Lacune Elettroni i B Collettore n i E I CBO i C base con lacune e una base molto sottile sono tutti fattori che provocano il passaggio diretto della maggior parte degli elettroni (dal 95% al 99%) dall emettitore al collettore. Pochissime lacune fluiscono dalla base all emettitore. La maggior parte del flusso di corrente dal morsetto della base verso il suo interno è il flusso delle lacune che servono per sostituire quelle perse dalla ricombinazione con gli elettroni. Il flusso di corrente verso la base è di piccola entità ed è compreso tra 1 e 5% della corrente di elettroni dall emettitore al collettore. Sotto certi aspetti il flusso di corrente verso la base può essere considerato come una valvola di controllo, poiché la modesta corrente nella base può essere utilizzata per controllare la corrente di maggiore entità del collettore. Il transistor bipolare è così chiamato perché sono coinvolti nel suo funzionamento entrambi i tipi di portatori di carica (elettroni e lacune). A1.2 Microelettronica La moderna tecnologia dei semiconduttori ha reso possibile porre migliaia di transistor su un chip di silicio di circa 5 mm 2 e di spessore 0,2 mm. Questa capacità di incorporare un grande numero di elementi elettronici su chip di silicio ha notevolmente sviluppato le prestazioni dei dispositivi elettronici (Figura 15.1, sul volume). I circuiti microelettronici integrati complessi ( large-scale integrated, LSI) sono costruiti partendo da un wafer di silicio monocristallino (tipo n o tipo p) con un diametro di mm ed uno spessore di 0,2 mm. La superficie del wafer deve essere perfettamente lucidata e senza difetti su una delle due facce, perché i dispositivi semiconduttori vengono montati su tale superficie. La Figura A1.10 mostra un wafer di silicio dopo che sono stati posti sulla sua superficie i circuiti microelettronici. Da un wafer possono essere prodotti da 100 a 1000 chip (a seconda della loro dimensione). Innanzitutto, esamineremo la struttura di un transistor bipolare di tipo piano costruito sulla superficie di un wafer di silicio. In seguito esamineremo brevemente la struttura di un tipo di transistor più compatto chiamato MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor), o transistor semiconduttore a ossidi metallici ad effetto di campo, che viene utilizzato in molti moderni dispositivi semiconduttori. Infine, descriveremo alcune delle procedure base usate nella fabbricazione dei moderni circuiti microelettronici. A1.2.1 Transistor microelettronico bipolare planare I transistor microelettronici bipolari planari sono costruiti sulla superficie di un wafer di silicio monocristallino con una serie di operazioni che richiedono di accedere solo

7 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 7 Figura A1.10 Questa immagine mostra un wafer, singoli circuiti integrati e tre chip (l unità nel mezzo è di ceramica, le altre due sono in plastica). I tre dispositivi più grandi al centro di questo wafer sono sistemi di controllo di processo (PCM) per monitorare la qualità elettrica della piastrina sul wafer. [Per gentile concessione della American Microsystems, Inc. (AMI), Santa Clara, Calif.] ad una superficie del wafer di silicio. La Figura A1.11 mostra un disegno schematico della sezione trasversale di un transistor bipolare planare di tipo npn. Nella sua fabbricazione dapprima viene formata un isola abbastanza grande di silicio di tipo n su una base, o substrato, di silicio di tipo p, in seguito vengono create isole più piccole di silicio di tipo p e di tipo n nell isola più grande di tipo n (Figura A1.11). In questo modo vengono formate in una configurazione piana le tre parti fondamentali di un transistor bipolare npn, l emettitore, la base e il collettore. Come nel caso di un singolo transistor bipolare npn descritto nel Paragrafo A1.3 (vedi Figura A1.8), la giunzione emettitore-base viene polarizzata direttamente e la giunzione base-collettore viene polarizzata inversamente. Quando gli elettroni vengono iniettati dall emettitore nella base, la maggior parte di questi entra nel collettore e solamente una piccola percentuale ( 1-5%) si ricombina con le lacune dalla base (vedi Figura A1.9). Il transistor microelettronico bipolare planare può perciò svolgere la funzione di amplificatore di corrente allo stesso modo di un singolo transistor bipolare macroelettronico. A1.2.2 Transistor microelettronico piano a effetto di campo In molti degli attuali sistemi microelettronici viene utilizzato un altro tipo di transistor, detto transistor a effetto di campo, per il suo basso costo e la sua compattezza. Il transistor a effetto di campo più diffuso negli Stati Uniti è il transistor semiconduttore a ossidi metallici di tipo n ad effetto di campo. Nel MOSFET di tipo n, o NMOS, si creano due isole di silicio di tipo n nel substrato di silicio di tipo p, come mostrato in Figura A1.12. Nel dispositivo NMOS il contatto dove entrano gli elettroni è detto sorgente e il contatto dove escono è detto drenaggio. Tra il silicio di tipo n della sorgente e del drenaggio, c è una regione di tipo p sulla cui superficie si è formato un sottile strato di biossido di silicio che agisce come isolante. Sopra lo strato di biossido di silicio si deposita un altro strato di polisilicio (o metallo) per formare il terzo contat-

8 8 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Collettore Base Emettitore n p n n n Substrato di tipo p Figura A1.11 Transistor microelettronico bipolare piano npn costruito su un monocristallo di silicio mediante una serie di operazioni che richiedono l accesso ad una sola superficie del chip di silicio. L intero chip è drogato con impurezze di tipo p, in seguito si formano delle isole di silicio di tipo n. All interno di queste isole, si creano poi delle aree più piccole di tipo p e di tipo n in modo da realizzare i tre elementi fondamentali del transistor: l emettitore, la base e il collettore. In questo transistor bipolare microelettronico, la giunzione emettitore-base viene polarizzata direttamente e la giunzione collettore-base viene polarizzata inversamente, come nel caso del transistor isolato npn di Figura A1.8. Il dispositivo mostra un guadagno perché un basso segnale applicato alla base può controllarne uno alto applicato al collettore. (Da J. D. Meindl, Microelectronic Circuit Elements, Sci. Am., September 1977, p.75. Copyright Scientific American Inc. Tutti i diritti riservati.) Sorgente n Porta W L Drenaggio n Polisilicio o metallo Ossido Substrato p Semiconduttore di tipo n G D S B Rappresentazione schematica Canale con larghezza w al foglio Contatto della sorgente in metallo Porta G di polisilicio di tipo n (a) Isolante depositato Porta dielettrica (biossido di silicio) Contatto del drenaggio in metallo Figura A1.12 Schema di un transistor NMOS ad effetto di campo: (a) struttura generale; (b) vista della sezione trasversale. (Da D. A. Hodges e H. G. Jackson, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits, McGraw-Hill, 1983, p.40.) SiO 2 n t Sorgente OX Ossido Regione L del canale Lunghezza del Regione di campo canale L Corpo di tipo p, B (b) n SiO 2 Drenaggio p 1 m scala verticale 5 m scala orizzontale

9 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 9 S Regione di svuotamento n V GS G Canale indotto di tipo n SiO 2 Lunghezza del canale L Substrato di tipo p D n Figura A1.13 Sezione trasversale di un dispositivo NMOS al quale è applicata una tensione positiva tra porta e sorgente, con indicazione delle regioni di svuotamento e del canale indotto. (Da D. A. Hodges e H. G. Jackson, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits, McGraw-Hill, 1983, p.43.) to del transistor, detto porta. Poiché il biossido di silicio è un eccellente isolante, la porta non è in diretto contatto elettrico con il materiale al di sotto dell ossido. Per un tipo semplificato di NMOS, quando non viene applicata una tensione alla porta, il materiale di tipo p sotto la porta contiene portatori di maggioranza, che sono lacune, e solamente pochi elettroni sono attratti dal drenaggio. Comunque, quando alla porta viene applicata una tensione positiva, il suo campo elettrico attrae elettroni dalle vicine regioni di sorgente e di drenaggio di tipo n + verso il sottile strato al di sotto della superficie del biossido di silicio appena sotto la porta, così che questa regione diventa silicio di tipo n con gli elettroni che sono portatori di maggioranza (Figura A1.13). Quando gli elettroni sono presenti in questo canale, si ha un percorso conduttivo tra la sorgente e il drenaggio. Gli elettroni quindi fluiscono tra la sorgente e il drenaggio se c è una differenza di potenziale positiva tra di loro. Il MOSFET, come il transistor bipolare, è anche in grado di amplificare la corrente. Il guadagno nei dispositivi MOSFET è misurato di solito in termini di un rapporto di tensione invece che in termini di un rapporto di corrente, come avviene nel transistor bipolare. Il MOSFET di tipo p con le lacune come portatori di maggioranza può essere costruito nello stesso modo, utilizzando isole di tipo p per la sorgente e per il drenaggio in un substrato di tipo n. Poiché i portatori di corrente nei dispositivi NMOS sono elettroni e in quelli PMOS sono lacune, questi vengono chiamati dispositivi a portatori di maggioranza. La tecnologia MOSFET è la base per i circuiti integrati di memoria digitali complessi, principalmente perché un singolo MOSFET occupa una superficie del chip di silicio minore rispetto ad un transistor bipolare e quindi può essere ottenuta una densità maggiore di transistor. Inoltre, il costo di fabbricazione dei MOSFET LSI è minore di quello dei transistor di tipo bipolare. Esistono però delle applicazioni per le quali è necessario utilizzare transistor bipolari. A1.2.3 Fabbricazione di circuiti integrati microelettronici Il disegno di un circuito integrato microelettronico viene dapprima progettato su larga scala, di solito con l assistenza di un computer, in modo che possa essere minimizzato lo spazio del circuito (Figura A1.14). Nel processo di fabbricazione più comune il progetto è utilizzato per preparare una serie di fotomaschere, ognuna delle quali contiene il modello per un singolo strato di un circuito integrato multistrato (Figura A1.15). Fotolitografia Il processo mediante il quale un modello microscopico viene trasferito da una fotomaschera alla superficie del wafer di silicio del circuito integrato è chiamato fotolitografia. La Figura A1.16 mostra gli stadi necessari per formare uno strato isolante di biossido di silicio sulla superficie del silicio su cui è già stato realizzato un tracciato di aree di silicio esposte. In un tipo di processo fotolitografico mostrato nello stadio 2 di Figura A1.16, un wafer ossidato viene prima rivestito con uno strato di

10 10 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Figura A1.14 Un tecnico sta progettando una rete di circuiti integrati. (Per gentile concessione della Harris Corporation.) Figura A1.15 Questa immagine confronta due tipi di maschere fotolitografiche utilizzate per la produzione di circuiti integrati. A sinistra è mostrata la maschera al cromo, di durata maggiore, che viene utilizzata per lunghi cicli di produzione e può essere usata per produrre maschere di emulsione come quella mostrata a destra. Le maschere di emulsione sono meno costose e vengono usate per cicli di produzione più brevi, come nel caso di produzione di prototipi. [Per gentile concessione della American Microsystems, Inc. (AMI), Santa Clara, Calif.] un film polimerico sensibile alla luce, detto photoresist. La proprietà importante di questo materiale è che la sua solubilità in determinati solventi è molto influenzata dalla esposizione alla radiazione ultravioletta (UV). Dopo l esposizione alla radiazione ultravioletta, UV (stadio 3 di Figura A1.16) ed un successivo sviluppo, viene lasciato uno strato di film fotoresistente nelle zone in cui la maschera era trasparente alla radiazione UV (stadio 4 di Figura A1.16). Il wafer di silicio viene poi immerso in una soluzione di acido fluoridrico che attacca solo il biossido di silicio esposto e non quello ricoperto (stadio 5 di Figura A1.16). Nello stadio finale del processo, lo schema lasciato dal film fotoresistente viene rimosso da un altro trattamento chimico (stadio 6 di Figura A1.16). Il processo fotolitografico è stato migliorato col passar del tempo, cosicché ora è possibile riprodurre dimensioni superficiali di circa 0.5 m.

11 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 11 Biossido di silicio 1 4 Silicio Film fotoresistente 2 5 Radiazione ultravioletta Fotomaschera 3 Film fotoresistente indurito Figura A1.16 Stadi del processo fotolitografico. Con questo processo, un tracciato microscopico può essere trasferito da una fotomaschera a uno strato di materiale in un circuito. In questa immagine è mostrato un modello in uno strato di biossido di silicio sulla superficie di un wafer di silicio che viene attaccato chimicamente. Il wafer ossidato (1) viene rivestito con uno strato di materiale polimerico fotosensibile detto photoresist (2) e successivamente viene esposto ad una luce ultravioletta attraverso la fotomaschera (3). L esposizione rende insolubile la zona non schermata dalla fotomaschera in una soluzione per lo sviluppo; quindi resta un modello di photoresist dove la maschera è trasparente (4). Il wafer è poi immerso in una soluzione di acido fluoridrico, che attacca selettivamente il biossido di silicio, ma non il modello di photoresist ed il substrato di silicio (5). Nello stadio finale, il modello di photoresist viene rimosso mediante un altro trattamento chimico (6). (Da W. G. Oldham, The Fabrication of Microelectronic Circuits, Sci. Am., September 1977, p.121. Copyright Scientific American Inc. Tutti i diritti riservati.) 6 Diffusione ed impiantazione ionica di droganti sulla superficie dei wafer di silicio Per formare gli elementi attivi dei circuiti, come i transistor bipolari e MOS nei circuiti integrati, è necessario introdurre selettivamente impurezze (droganti) nel substrato di silicio così da creare regioni localizzate di tipo n e di tipo p. Ci sono due tecniche principali per introdurre droganti nei wafer di silicio: (1) diffusione e (2) impiantazione ionica. La tecnica di diffusione Come descritto in precedenza nel Paragrafo 5.3, gli atomi di impurezze vengono diffusi nei wafer di silicio ad alte temperature, da 1000 a 1100 C. Importanti atomi droganti come il boro e il fosforo si muovono molto più lentamente attraverso il biossido di silicio che attraverso il reticolo cristallino del silicio. Strati sottili di biossido di silicio possono servire come maschere per impedire agli atomi droganti di penetrare nel silicio (Figura A1.17a). Così, un contenitore con dei wafer di silicio può essere posto in un forno di diffusione ad una temperatura da 1000 a 1100 C in un atmosfera che contiene fosforo (o boro). Gli atomi di fosforo entreranno nella superficie non protetta del silicio e si diffonderanno nella massa del wafer, come mostrato in Figura A1.17a. Le variabili importanti che controllano la concentrazione e la profondità di penetrazione sono temperatura e tempo. Per raggiungere il massimo controllo della concentrazione, la maggior parte delle operazioni di diffusione sono effettuate in due stadi. Nel primo stadio, o predeposizione, si deposita sulla superficie del wafer una concentrazione relativamente alta di atomi droganti. Dopo lo stadio di predeposizione, i wafer sono posti in un altro forno, di solito ad una temperatura più elevata, per lo stadio di diffusione drive-in che permette di raggiungere la necessaria concentrazione di atomi droganti ad una particolare profondità al di sotto della superficie del wafer di silicio.

12 12 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Figura A1.17 Processi di drogaggio selettivo delle superfici di silicio esposte: (a) diffusione ad alta temperatura di atomi di impurezze; (b) impiantazione ionica. (Da S. Triebwasser, Today and Tomorrow in Microelectronics, dagli atti di un congresso NSF tenuto ad Arlie, Va., Nov , 1978.) Gas di atomi droganti Diffusione Ioni droganti ad alta velocità Schermo Impiantazione ionica (a) (b) La tecnica di impiantazione ionica Un altro processo di drogaggio selettivo dei wafer di silicio per circuiti integrati è la tecnica di impiantazione ionica (Figura A1.17b), che ha il vantaggio di introdurre le impurezze droganti a temperatura ambiente. In questo processo gli atomi droganti vengono ionizzati (gli elettroni vengono rimossi dagli atomi per formare ioni) e gli ioni sono accelerati con alta energia da una elevata differenza di potenziale di kv. Quando gli ioni colpiscono il wafer di silicio, vengono inglobati a diverse profondità a seconda della loro massa ed energia e del tipo di protezione presente sulla superficie di silicio. Uno strato di photoresist o biossido di silicio può mascherare le regioni della superficie nelle quali non è desiderata l impiantazione ionica. Gli ioni accelerati causano alcuni danni al reticolo cristallino del silicio, ma la maggior parte dei danni può essere risanata mediante una ricottura a temperatura moderata. L impiantazione ionica è utile quando il livello di drogaggio deve essere accuratamente controllato. Un altro importante vantaggio dell impiantazione ionica è la sua capacità di introdurre impurezze droganti in un sottile strato di ossido. Questa tecnica rende possibile regolare le tensioni di soglia dei transistor MOS. Per mezzo dell impiantazione ionica i transistor NMOS e PMOS possono essere costruiti sullo stesso wafer. Tecnologia di fabbricazione dei circuiti integrati MOS Ci sono molte procedure per la fabbricazione dei circuiti integrati di tipo MOS. In questa tecnologia in rapido sviluppo, vi sono costantemente nuove innovazioni e scoperte che migliorano il disegno e il processo costruttivo dei circuiti integrati. La sequenza generale di un metodo di produzione dei circuiti integrati NMOS è descritta dai seguenti stadi 1 e illustrata nelle Figure A1.18 e A Figura A1.18a Un processo di deposizione chimica in fase vapore (CVD) deposita un sottile strato di nitruro di silicio (Si 3 N 4 ) sull intera superficie del wafer. Il primo stadio fotolitografico definisce le aree dove devono essere formati i transistor. Il nitruro di silicio viene rimosso dalle zone esterne al transistor con un attacco chimico. Gli ioni di boro (tipo p) vengono impiantati nelle regioni esposte per eliminare la conduzione non desiderata tra le diverse parti del transistor. In seguito, in queste regioni o campi inattivi viene fatto crescere termicamente uno strato di circa 1 m di spessore di biossido di silicio (SiO 2 ), esponendo il wafer all ossigeno in un forno elettrico. Questo processo è noto come ossidazione selettiva, olocale. Il Si 3 N 4 è impermeabile all ossigeno e quindi inibisce la crescita dello spesso strato di ossido nelle regioni del transistor. 2. Figura A1.18b Il Si 3 N 4 viene poi rimosso con un attacco che non agisce sul SiO 2. Nelle aree del transistor viene fatto crescere un ossido termico pulito di 2 Da D. A. Hodges e H. G. Jackson, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits, McGraw-Hill, 1983, pp

13 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 13 (a) (b) Vista in piano Vista in sezione Nitruro di silicio SiO 2 SiO 2 p p Substrato p Polisilicio SiO 2 SiO 2 p n p p Figura A1.18 Stadi della fabbricazione di transistor NMOS ad effetto di campo: (a) prima maschera; (b) seconda maschera: porta di silicio policristallino; diffusione sorgente-drenaggio; (c) terza maschera: superfici di contatto; (d) quarta maschera: schema metallico. (Da D. A. Hodges e H. G. Jackson, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits, McGraw- Hill, 1983, p.17.) Isolante depositato (c) SiO 2 SiO 2 p n p Porta Metallo (d) Drenaggio SiO 2 p p n p Sorgente circa 0,1 m di spessore, ancora mediante esposizione all ossigeno in un forno. Un altro processo CVD deposita uno strato di silicio policristallino sull intero wafer. Il secondo stadio fotolitografico definisce lo schema desiderato per gli elettrodi della porta. Il silicio policristallino non desiderato viene rimosso da un attacco chimico o al plasma (gas reattivo). Un drogante di tipo n (fosforo o arsenico) viene introdotto nelle regioni che diventeranno la sorgente e il drenaggio del transistor. Per questo processo di drogaggio possono essere utilizzate sia la diffusione termica che l impiantazione ionica. Lo spesso campo di ossido e la porta di silicio policristallino sono barriere al drogaggio, ma nel processo lo strato di silicio policristallino diventa pesantemente drogato di tipo n. 3. Figura A1.18c Un altro processo CVD deposita sull intera superficie del wafer uno strato isolante, frequentemente di SiO 2. Il terzo stadio definisce l area in cui devono essere posti i contatti dei transistor. L attacco chimico o il plasma espone selettivamente silicio nudo o lo strato di silicio policristallino nelle aree di contatto. 4. Figura A1.18d L alluminio (Al) viene depositato sull intera superficie del wafer mediante evaporazione da un crogiolo caldo in un evaporatore a vuoto. Il quarto stadio disegna l Al in modo da realizzare le connessioni del circuito. 5. Uno strato protettivo passivante viene depositato sull intera superficie. Uno stadio finale rimuove questo strato isolante delle aree dove saranno saldati i contatti. I circuiti sono controllati mediante l utilizzo di puntali posti sui contatti. I componenti difettosi vengono marchiati e il wafer è poi tagliato in singoli chip. I chip buoni vengono montati e inviati al controllo finale. Questo è il processo più semplice per la fabbricazione dei circuiti NMOS ed è riassunto nella Figura A1.19. I processi per circuiti NMOS più avanzati richiedono più stadi di mascheratura.

14 14 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Dispositivi semiconduttori con ossido di metallo complementare (CMOS) È possibile fabbricare un chip contenente entrambi i tipi di MOSFET (NMOS e PMOS), ma solamente aumentando la complessità del circuito e diminuendo la densità dei transistor. I circuiti che contengono dispositivi di tipo NMOS e PMOS sono detti circuiti complementari, o CMOS, e possono essere realizzati, per esempio, isolando tutti i dispositivi NMOS con isole di materiale di tipo p (Figura A1.20). Un vantaggio dei circuiti CMOS è che possono essere utilizzati i dispositivi MOS in modo da raggiungere un basso consumo di energia. I dispositivi CMOS vengono utilizzati in molte applicazioni: per esempio, i circuiti integrati CMOS e quelli complessi LSI vengono utilizzati in quasi tutti gli orologi elettronici moderni e nei calcolatori. Inoltre, la tecnologia CMOS sta diventando di importanza notevole per l utilizzo nei microprocessori e nelle memorie dei computer. A1.3 Composti semiconduttori Ci sono molti composti di diversi elementi che sono semiconduttori. Uno tra i maggiori tipi di composti semiconduttori è quello MX, nel quale M è un elemento più Impiantatore ionico Forno CVD Maschera 1 Sorgente di ioni Forno di ossidazione Wafer di silicio Deposizione di Si 3 N 4 Definizione delle zone dei transistor Rimozione Si 3 N 4 Impiantazione nelle regioni esposte Crescita dell ossido Forno di ossidazione Forno CVD Maschera 2 Forno di diffusione Forno CVD Crescita dell ossido della porta Deposizione di polisilicio Definizione della porta di polisilicio Diffusione di n in sorgente e drenaggio Deposizione di SiO 2 Maschera 3 Evaporatore sotto vuoto Maschera 4 Definizione delle zone dei contatti Maschera 5 Esposizione delle aree di saldatura Deposizione di Al Definizione del metallo Passivazione protettiva Esame del wafer Separazione delle piastrine Attacco delle piastrine Saldatura dei contatti Prova finale Figura A1.19 Un processo di fabbricazione dei circuiti integrati di silicio-porta NMOS. (I processi utilizzati per produrre i circuiti integrati NMOS variano considerabilmente da una azienda produttrice all altra. La sequenza mostrata in figura è data come schema generale). (Per gentile concessione della Integrated Circuit Engineering Co.)

15 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl 15 PMOS Output NMOS Sorgente Porta Drenaggio Drenaggio Porta Sorgente SiO 2 Corpo di tipo n SiO 2 Parete p p p n n SiO 2 Figura A1.20 Transistor complementari di tipo MOS (CMOS) ad effetto di campo. Transistor sia di tipo n che di tipo p sono fabbricati sullo stesso substrato di silicio. (Da D. A. Hodges e H. G. Jackson, Analysis and Design of Digital Integrated Circuits, McGraw-Hill, 1983, p.42.) 1-m scala verticale 5-m scala orizzontale elettropositivo e X un elemento più elettronegativo. Tra i composti semiconduttori di tipo MX, due gruppi importanti sono i composti 3-5 e 2-6, formati da elementi adiacenti al gruppo 4A della tavola periodica (Figura A1.21). I composti semiconduttori 3-5 sono formati da elementi M del gruppo 3 come Al, Ga e In combinati con elementi X del gruppo 5 come P, As e Sb. I composti 2-6 sono formati da elementi M del gruppo 2 come Zn, Cd e Hg combinati con elementi X del gruppo 6 come S, Se e Te. La Tabella A1.1 elenca alcune proprietà elettriche di alcuni composti semiconduttori. Da questa tabella possono essere osservate le seguenti tendenze. 1. Aumentando la massa molecolare di un composto all interno di una famiglia, spostandosi cioè verso il basso nelle colonne della tavola periodica, diminuisce l intervallo di energia, aumenta la mobilità elettronica (ad eccezione dei composti GaAs e GaSb) ed aumenta la costante reticolare. Gli elettroni degli atomi più grandi e più pesanti hanno, in generale, una maggiore libertà di movimento e sono meno legati ai loro nuclei e quindi tendono ad avere intervalli minori e mobilità elettroniche maggiori. 2. Muovendosi nella tavola periodica dagli elementi del gruppo 4A verso i materiali 3-5 e 2-6, l aumento del carattere ionico del legame provoca l aumento della banda di intervallo di energia proibito e la diminuzione delle mobilità elettroniche. L aumento del legame ionico provoca un legame più stretto tra gli elettroni e i nuclei degli ioni positivi e quindi i composti 2-6 hanno un intervallo proibito maggiore di quello dei corrispondenti composti 3-5. L arseniuro di gallio, GaAs, è il più importante tra tutti i composti semiconduttori e viene utilizzato in molte applicazioni elettroniche. Il GaAs è stato utilizzato per molto tempo per dispositivi discreti nei circuiti a microonde. Oggi, molti circuiti integrati digitali vengono costruiti con il GaAs. I transistor metallici semiconduttori ad ef- II A III A 13 Al IV A 14 Si V A 15 P VI A 16 S 30 Zn 31 Ga 32 Ge 33 As 34 Se 48 Cd 80 Hg 49 In 50 Sn III V II VI 51 Sb 52 Te Figura A1.21 Parte della tavola periodica che contiene elementi utilizzati per la formazione di composti semiconduttori MX di tipo 3-5 e 2-6.

16 16 William F. Smith, Javad Hashemi, Scienza e tecnologia dei materiali, 4ed - McGraw-Hill Education (Italy) srl Tabella A1.1 Proprietà elettriche di composti semiconduttori intrinseci a temperatura ambiente (300 K) E g µ n µ p Costante n i Gruppo Materiale ev m 2 /(V. s) m 2 /(V. s) reticolare portatori/m 3 IV A Si Ge III A V A GaP GaAs GaSb InP InAs InSb II A VI A ZnSe ZnTe CdSe CdTe Fonte: W. R. Runyun and S. B. Watelski, in C. A. Harper (ed.), Handbook of Materials and Processes for Electronics, McGraw-Hill, New York, Figura A1.22 Vista in sezione di un MESFET a base di GaAs. [Da A. N. Sato et al., IEEE Electron. Devices Lett., 9(5):238 (1988).] Metallo di contatto ohmico Metallo di rivestimento Metallo porta n p n Si 40 kev Be 70 kev Substrato di GaAs semi-isolante Metallo di interconnessione Si 3 N 4 Si 80 Kev fetto di campo (MESFET) a base di GaAs sono quelli più ampiamente utilizzati tra i transistor a base di GaAs (Figura A1.22). I MESFET a base di GaAs offrono molti vantaggi rispetto al silicio nell applicazione ai circuiti integrati digitali ad alta velocità. Alcuni di questi sono: 1. Gli elettroni viaggiano più velocemente nel GaAs di tipo n, come è indicato dalla loro mobilità maggiore rispetto a quella del Si [ n = 0,720 m 2 /(V s) per il GaAs rispetto a 0,135 m 2 /(V s) per il Si]. 2. Grazie al maggiore intervallo di energia, pari a 1,47 ev, ed all assenza di un ossido critico nella porta, i dispositivi a base di GaAs hanno una migliore resistenza alle radiazioni. Questa considerazione è importante per le applicazioni spaziali e militari. Sfortunatamente, la principale limitazione della tecnologia del GaAs è che il rendimento dei circuiti integrati complessi è più basso di quello per il silicio ed è dovuto principalmente al fatto che il GaAs contiene più difetti nel materiale di base rispetto al silicio. Anche il costo di produzione del materiale di base è maggiore per il GaAs rispetto a quello del silicio. Comunque, l utilizzo del GaAs si sta espandendo e molta attività di ricerca viene svolta in questo campo.