Dispositivi e Tecnologie Elettroniche
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- Flavia Baroni
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1 Dispositivi e Tecnologie Elettroniche Tecnologia Produzione di fette (wafer) di Si Dispositivi Elettronici Tecnologia 2
2 Crescita Czochralski Fusione nel crogiolo del policristallo per induzione Aggiunta drogante (B per psi; P od As per nsi) Accrescimento controllato del seme (preorientato) per formare il monocristallo Prodotto: barra monocristallo di 6 10 pollici (15 25 cm) di diametro, circa 100 cm di lunghezza (limitato dal peso) Crogiolo: grafite rivestita in quarzo SiO2 temp. di cristallizzaz. 1420C Bobina a radiofrequenza Silicio fuso Seme cristallino Monocristallo Crogiolo Dispositivi Elettronici Tecnologia 3 Crescita Czochralski Vista superiore Dispositivi Elettronici Tecnologia 4
3 Dal cristallo alla fetta (wafer) Si ingot Si wafer (100) plane [100] direction fetta (100) Si reference flat (111) plane [111] direction fetta (111) Si Notazione degli Indici di Miller per indicare le direzioni in un cristallo: [111] indica una famiglia di piani parallele al piano che intercetta i tre assi nel punto a, a passo reticolare; [100] la famiglia parallela al piano ortogonale all asse x, [010] all asse y, [001] a z. [010] [001] [111] [100] Dispositivi Elettronici Tecnologia 5 Dal cristallo alla fetta (wafer) Wafer da 300 mm Taglio con sega circolare Taglio a filo Dispositivi Elettronici Tecnologia 6
4 Difetti cristallini Difetti puntuali: Vacanze Sostituzionali Interstiziali Difetti di linea: Dislocazioni Difetti di volume: Precipitati Dispositivi Elettronici Tecnologia 7 Tecnologia planare del Si Dispositivi Elettronici Tecnologia 8
5 Fotolitografia Tecnica per formare microstrutture su film sottili depositati (es. metallo) od accresciuti (es. SiO 2 ) sul substrato semiconduttore: deposizione resist chimicamente fotosensibile esposizione fotoresist (attraverso maschera) sviluppo fotoresist resist esposto attacco chimico selettivo (etching) Operando in sequenza con maschere fra loro allineate si realizza il Circuito Integrato Dispositivi Elettronici Tecnologia 9 Wafer e maschera N x Dispositivi Elettronici Tecnologia 10
6 Esposizione UV cromo quarzo Maschera fotolitografica UV maschera N x Ottica radiazione U.V. substrato (Si) Esposizione 1x per prossimita fotoresist ossido SiO 2 Immagine Wafer con resist Esposizione attraverso stepper Dispositivi Elettronici Tecnologia 11 Resist positivo e negativo Ossido di silicio Substrato Resist positivo Resist negativo Applicazione fotoresist Sviluppo Attacco chimico Rimozione fotoresist attraverso solventi Esposizione fotoresist Dispositivi Elettronici Tecnologia 12
7 Esempio: diodo pn integrato Metallo p n zona attiva (giunzione) p p n p sezione Dispositivi Elettronici Tecnologia 13
8 Crescita epitassiale Reattore VPE Fette di Silicio N 2 H 2 HCl SiCl +H Drogante +H Bobine di riscaldamento a RF Crescita di semiconduttore monocristallino (intriseco o drogato) su substrato Dell stesso semiconduttore: omoepitassia Di semiconduttore diverso (eteroepitassia) Epitassia da fase vapore (VPE), liquida (LPE) Tecniche avanzate: epitassia da fasci molecolari (MBE), MOCVD (crescita semiconduttori composti) Dispositivi Elettronici Tecnologia 15 Ossidazione miscelatore fette Si F flussimetri valvole F F F H 2 O Forno di ossidazione T = C N 2 O 2 O 2 Ossidazione a secco (dry): Si + O 2 SiO 2 Ossidazione da vapore acqueo (wet): Si + 2H 2 O SiO 2 + 2H 2 Dispositivi Elettronici Tecnologia 16
9 Ossidazione in ossigeno 1.0 Ossidazione in O 2 secco (111) (100) C Spessore dell'ossido (m) C C C C C Tempo di ossidazione (ore) Dispositivi Elettronici Tecnologia 17 Ossidazione in vapor d acqua Spessore dell'ossido (m) Ossidazione in vapore di H 2 O (111) (100) C C C Tempo di ossidazione (ore) Dispositivi Elettronici Tecnologia 18
10 Legge di crescita spessore x o (t) Legge generale di crescita: x t A t A /4B 0 2 Approx. parabolica (cinetica controllata dalla diffusione, tempi lunghi e ossidi spessi): t 1 2 x0 B t A /4B Approx. lineare (cinetica controllata dalla reazione, tempi brevi e ossidi sottili): t 1 x0 B/ At 2 A /4B Dispositivi Elettronici Tecnologia 19 Parametri A e B Coefficiente parabolico B (m 2 /h) T [ C] H 2 O (760 torr) E A = 0.78 ev (100);(111) Si O 2 (760 torr) E A = 1.24 ev /T [ K] Coefficiente lineare B/A (m 2 /h) T [ C] H 2 O (760 torr) E A = 1.96 ev O 2 (760 torr) E A = 2.0 ev (111) Si (100) Si /T [ K] Dispositivi Elettronici Tecnologia 20
11 Tecniche di drogaggio Diffusione: gli atomi droganti sono portati alla superficie della fetta per deposizione chimica, ad alta temperatura (ad es o C) gli atomi diffondono nel substrato. Profilo monotono decrescente, poco flessibile e controllabile Trattamento ad alta temperatura, potenzialmente distruttivo Impiantazione: droganti immessi nel substrato come proiettili ad alta energia. Profilo flessibile e molto ben controllabile Trattamento a temperatura intermedia Dispositivi Elettronici Tecnologia 21 Diffusione Forno di diffusione ( o C) sorgenti gassose PH 3 AsH 3 miscelatore fette Si B 2 H 6 ecc. F N 2 F O 2 F O 2 H 2 O + sorgenti liquide (POCl 3 ; BBr 3 ) F flussimetri valvole Dispositivi Elettronici Tecnologia 22
12 Diffusione da sorgente infinita Ipotesi: concentrazione superficiale costante C(0, t) = C s Condizioni al contorno: C(0, t) = C s, C(, t) = 0 Condizione iniziale: C(x, 0) = 0 Utilizzata per la predeposizione di drogante in uno strato superficiale; la concentrazione superficiale e limitata dalla solubilita solida del drogante. Il profilo finale e ottenuto per diffusione a dose costante (drive-in) Dispositivi Elettronici Tecnologia 23 Profilo di drogaggio (predep.) x C x, t Cs erfc 2 Dt 2 Dt Lunghezza di diffusione C (x, t) C s t crescente 0 x x 2 Dt S Cs erfc dx C 2 Dt 0 s Dose totale predeposta, cm -2 Dispositivi Elettronici Tecnologia 24
13 Funzione complementare di errore Funzione definita da: 2 2 erfcx exp v dv Approssimazione numerica: x erfc z x z z e x 1 z x erfc(x) x Dispositivi Elettronici Tecnologia 25 Diffusione a dose S costante Dose totale costante: S C x, t dx cost. 0 Soluzione (da una distribuzione iniziale impulsiva con dose S): C(x, t) [at./cm 3 ] S (x) [at./cm 2 ] t crescente 2 S x Cx, t exp Dt 4Dt Concentrazione superficiale: S C 0, t D t 0 x Utilizzata per realizzare un profilo di drogaggio controllato (postdiffusione o drive-in) Dispositivi Elettronici Tecnologia 26
14 Meccanismi di diffusione La diffusivita aumenta con la temperatura per vacanze per interstiziali Dispositivi Elettronici Tecnologia 27
15 Profilo da impiantazione ionica vuoto ione E(eV) Si substrato x R p = penetrazione media (projected range) R perp = varianza laterale (lateral straggle) R p = varianza (straggle) Profilo gaussiano (S dose impiantata, cm -2 ) N i x S 1 x R p exp - 2 Rp 2 R p Dispositivi Elettronici Tecnologia 29 2 [at/cm 3 ] Profondita media Dispositivi Elettronici Tecnologia 30
16 Varianza 0.1 Varianza laterale e verticale (m) 0.01 B P R p nel Si R nel Si As Energia (kev) Dispositivi Elettronici Tecnologia 31
17 Ricottura (annealing) Nell impiantazione ionica il reticolo cristallino viene danneggiato (gli ioni si arrestano cedendo anche energia al reticolo); inoltre gli ioni non sono posizionati in siti sostituzionali mancata attivazione come droganti E necessario trattare termicamente il substrato per riparare il danno reticolare e attivare gli ioni annealing (ricottura) Se l annealing e di durata lunga (annealing termico) il profilo cambia per diffusione fast annealing con sorgenti impulsate ad alta energia (e.g. laser) Dispositivi Elettronici Tecnologia 33 Deposizione dielettrici / metalli Deposizione chimica: Il materiale deposto viene creato in loco da una reazione chimica, di solito da fase vapore (CVD) Esempi: Ossido di silicio, Nitruro di silicio, Silicio policristallino Deposizione fisica: Il materiale viene deposto direttamente da fase vapore attraverso Evaporazione o Sputtering Esempi: metalli (Al) Altre tecniche: Centrifugazione (spinning): fotoresist, polimide Crescita galvanica (Au), sinterizzazione (siliciuri) Dispositivi Elettronici Tecnologia 34
18 Deposizione PVD Evaporazione sottovuoto Metal (es. Al) evaporato da crogiolo per riscaldamento joule o e- beam M Evaporazione Sputtering DC Metallo (es. Al, W, Ti ecc.) emesso dal catodo (target) per bombardamento da ioni Ar -V M A r + vuoto Sputtering Sputtering RF per dielettrici A r Dispositivi Elettronici Tecnologia 35 Silicio policristallino (polisilicio) Si policristallino drogato con Sb Si monocristallino Si policristallino drogato con P Dose, cm -2 Il polisilicio (silicio policristallino) e utilizzato come conduttore; presenta migliore resistenza a temperature elevate rispetto allo Al Resistenza di strato: resistenza di un conduttore quadrato di sezione t*w e lunghezza W Dispositivi Elettronici Tecnologia 36
19 Circuiti discreti, ibridi, integrati Circuiti discreti: componenti (RLC, componenti attivi) connessi attraverso interconnessioni spesso integrate nel supporto meccanico (circuiti stampati) Circuiti integrati ibridi: tutti gli elementi sono integrati nel substrato/supporto meccanico, salvo gli attivi; il substrato e dielettrico, i conduttori film spesso/sottile Circuiti integrati monolitici: tutti i componenti, attivi e passivi, sono integrati nel substrato semiconduttore (Si, GaAs, InP...) Dispositivi Elettronici Tecnologia 37 Circuito stampato Dispositivi Elettronici Tecnologia 38
20 Circuito ibrido Dispositivi Elettronici Tecnologia 39 Circuito integrato digitale Dispositivi Elettronici Tecnologia 40
21 Circuito integrato analogico Dispositivi Elettronici Tecnologia 41 Dicing, testing, packaging Dispositivi Elettronici Tecnologia 42
22 Bonding: wire, flip-chip Dispositivi Elettronici Tecnologia 43
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