Lab. Micro-OptoElettronica. Tecnologie di fabbricazione degli IC

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1 Tecnologie di fabbricazione degli IC

2 Tecnologie di Processo Convenzionali Processi fondamentali: Produzione materiale bulk Physical Vapor Deposition PVD Chemical Vapor Deposition CVD e Crescita Epitassiale Ossidazione Termica Diffusione Impiantazione ionica Litografia Etching (Chimico, Plasma) Chemical Mechanical Polishing CMP

3 Passi necessari per la produzione dei wafer

4 Tecnologia Planare materiale + step di processo = integrazione monolitica di partenza planare* di dispositivi multipli Si wafer sequenza di steps additivi e sottrattivi con lavorazione laterale ossidazione deposizione impiantazione ionica etching litografia

5 Esempio di Process Flow

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8 Raffinazione del materiale grezzo Materiale di partenza quarzite (un tipo di sabbia) SiO 2 Riduzione per riscaldamento a 2000 ºC in presenza di C, si ottiene silicio puro al 98% : SiO 2 + 2C = 2CO + Si (MGS Metallurgical Grade Silicon) MGS (per reazione con cloruro di idrogeno anidro HCl + N 2 ) a 300 ºC Si (solido) + 3HCl (gas) = SiHCl3 (gas) + H 2 (gas) fl SiHCl 3 triclorosilano (gassoso per T > 31.8 ºC) SiHCl 3 separato dalle impurità per distillazione frazionata SiHCl 3 puro convertito in poly-si mediante un processo CVD 2SiHCl 3 (gas) + 2H 2 (gas) 2Si (solido) + 6HCl (gas) si ottiene Polisilicio (EGS Electronic Grade Silicon) Il polisilicio EGS viene usato come materiale di partenza per la crescita di silicio cristallino dal fuso.

9 Metodo Siemens Depositare il silicio su barre di silicio già purificate per evitare la reintroduzione di impurità

10 Crescita del cristallo: metodo Czochralski

11 Meccanismo di crescita Temperatura in funzione della posizione all interfaccia Solido/Liquido MP = Melting Point (punto di fusione)

12 Profilo di temperatura Temperatura in funzione della posizione nel solido Rimozione del calore: Conduzione, Convezione, Irraggiamento

13 Processo di Solidificazione C k = s C l Coefficiente di Segregazione (Solido/Liquido) k Impurezze in Si Al As B C Cu Fe O P Sb E-6 8E C s = kc 1 1 X k o C s = Concentrazione nel solido X = Frazione of liquido solidificato

14 Crescita del cristallo: metodo Floating Zone (Zona fusa mobile) La caratteristica essenziale del metodo si basa sul fatto che il coefficiente di segregazione delle impurezze k=c sol /C liq <1,quindi vi sono all equilibrio più impurezze nel liquido che nel solido ( zone refining ).

15 Schema del processo a zona fusa mobile (nessun crogiolo!) 1. rod holder 2. policristallo da fondere 3. zona fusa 4. bobina d induzione 5. monocristallo in crescita Lunghezza massima della zona h max = 2.8 σ gρ σ tensione superficiale g accelerazione di gravità ρ densità del liquido

16 Taglio Lucidatura

17 Com è nella realtà

18 Identificazione dei wafer di Silicio

19 Riassumendo: Passi necessari per la produzione dei wafer

20 Ossidazione termica ruolo del SiO 2 nelle strutture al silicio Strati sottili di SiO 2 (Termico vs Depositato) Isolamento di regioni attive (LOCOS, Trench) Ossido di Porta (Gate) e di Campo (Field) Interstrati dielettrici per interconnessioni Film di processo (High Temperature or Etch Masking, Buffering, Stress Relief) Strati passivanti

21 Legami in SiO 2 cristallo di Quarzo legami ordinati Vetro legami disordinati

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23 Concetti fondamentali del processo di Ossidazione Termica Temperatura Sorgente Ossigeno Ambiente Specie in movimento (flusso) Schemi Reattori Reazioni Chimiche Reazioni Strutturali Espansione Volume

24 Ossidazione Termica Gas O 2 Interfaccia mobile SiO 2 Si Condizioni: T C p = Vuoto - 10 atm Oxygen Supply x s Sorgente Silicio spessore x ox Interfaccia mobile

25 Reazioni Si O Reazioni chimiche Si(s) + O 2 (g) -> SiO 2 (s) (Ossidazione secca) Si(s) + 2H 2 O(g) -> SiO 2 (s) + 2H 2 (g) (Ossidazione umida) Effetti Strutturali Si + Si + O 2 -> Si - O - Si + O Si - Si + O -> Si - O - Si O 2 -> 2O O 2 <-2O

26 Espansione di Volume durante l ossidazione x ox Bilancio di Massa Silicio Ossido x s x ox = SiO 2 Spessore Film x s = SiO 2 avanzamento verso Si (arretramento Si) x s *N s = x ox *N ox Densità Atomiche: N s = 5x10 22 cm -3 in Si N ox = 2.3x10 22 cm -3 in SiO 2 x s = 0.46 x ox

27 Modello Deal-Grove (1) Gas- Solido- Gas Solido SiO 2 Solido Si F 1 F 2 F 3 Flussi in moto in moto C G C s C 0 profilo di concentrazione F 1 = specie ossidante dalla fase gassosa interfaccia gas/ossido F 2 = specie ossidante dalla fase ossido interfaccia ossido/silicio F 3 = consumo specie ossidante: reazione all interfaccia ossido/silicio C i

28 Modello Deal-Grove (2) Silicio in contatto con la specie ossidante: C sup = C 0 Conc. equilibrio C*= conc. equilibrio bulk ossido ( * ) F = hc C flusso specie ossidante 1 0 h = h g HkT Legge di Henry moto specie ossidante attraverso strato limite H=costante di Henry dc ( C ) D C * 0 s g 0 i F2 = D ; Legge di Fick dx0 x0 x=spessore ossido 0 i 3 s i C =HP (superficie) C =HP (gas) F = kc k= velocità reazione chimica C=conc.specie ossidante interfacciasio /Si 2

29 Modello Deal-Grove (3) F = F = F risolvendo ( sistema 2 eq.2 incognite C ec): * kx s 0 * C 1 C + D Ci = C0 = ks kx s 0 ks kx s h D h D Casi limite : 1) Dmolto piccolo crescita controllata da diffusione: C 0; C C 2) Dmolto grande C i * C = C0 = ks 1+ h i flusso attraverso SiO molto limitato i processo controllato dalla reazionechimica ( k, C ) * s i

30 Calcolo rate crescita dell ossido N 1 = cm -3 per O 2 (ossidazione secca dry ) mol specie ossid. N 1 = cm -3 per H 2 O (ossidazione umida wet ) * dx0 kc s N1 = F3 = kc s i = dt ks kx s h D risolvendo leq '. differenziale ponendo x = x per t = 0( ossido nativo) ( τ ) x + Ax = B t+ con * DC xi + Axi A= 2D + B = τ = ks h N1 B τ rappresentalo spostamento temporale necessario per tenere conto dello strato di ossido iniziale x Casi limite per t? τ( tempi lunghi) x = Bt crescita parabolica A B per ( t+ τ) = ( tempi brevi) x0 = ( t+ τ) crescita lineare 4B A * B kh s C * Es kt = indipendente da D, con B= B0( C, N1) e A k + hn s i 0 i

31 Rate di crescita vs. modello D-G

32 Drogaggio elettronico Inserimento in posizione sostituzionale di atomi impurezza del III (B) o V (P, As) gruppo. Il substrato di partenza viene drogato in fase di crescita dal materiale fuso Come si fa a realizzare, successivamente, il drogaggio di zone ben definite del substrato? a)diffusione termica (moto sotto l azione di un gradiente di concentrazione, a temperature elevate) Perché degli atomi impurezza possono muoversi all interno di un reticolo cristallino perfetto? Semplicemente perché non è perfetto Esiste una certa concentrazione di difetti strutturali b)impiantazione ionica Inserimento di ioni di alta energia (come proiettili)

33 Difetti cristallini 0-D e 1-D Difetti di punto 0-D Vacanza Interstiziale Coppia Vacanza-Interstiziale Agglomerati ( clusters ) più complessi Difetti di linea (Unidimensionali 1-D) Dislocazione a soglia Dislocazione a vite More Complex Dislocations, e.g. 60 o

34 Vacanza Vibrazioni reticolari altro sito, superficie Modello 2D Concentrazione attivata energeticamente (barriera E s ) n s = N exp E s kt N = Densità Atomica 5x10 22 cm Si E s = Energia di Attivazione 2.3 Si exp(-e s /kt) = 300K 1000K

35 Interstiziale Vibrazioni reticolari Concentrazione attivata energeticamente (barriera E s ) n I = N ' exp E I kt altro sito, superficie N = Densità siti 5x10 22 cm Si E I = Energia di attivazione ~ 2.3 Si Modello 2D

36 Coppia Vacanza-Interstiziale Vibrazioni reticolari altro sito, superficie Concentrazione attivata energeticamente (barriera E V-I ) n V I = NN ' exp N = Densità atomica N = Densità di siti E V-I = Energia di attivazione ~ Si E V I kt Modello 2D meccanismo per la diffusione

37 Dislocazione di taglio edge * La dislocazione si trova alla fine del piano extra

38 Dislocazione a vite Piano di slittamento Asse dislocazione

39 Diffusione Termica Tecnica di Drogaggio Gradiente chimico ( Driving Force ) Meccanismi di Diffusione Vacanze Interstiziali Coppie Vacanza-Interstiziale Modelli di Diffusione Continuo Atomico (Cinetica dei difetti di punto)

40 Metodi di Drogaggio dei Semiconduttori in fase di crescita del cristallo Diffusione da sorgente limitata N N 1/2 N Constant Gaussian Diffusione da sorgente infinita erfc x x x N Gaussian Impiantazione ionica N a piacere Epi MBE, CVD

41 Meccanismi di Diffusione Flusso Atomo ospite Vacanza Interstiziale specie diffondente

42 Leggi di Fick (1) r r J = D N + NE N r J t = Eq. Trasporto µ I legge di Fick Eq. Continuità J = Flusso di Particelle [cm -2 s -1 ] E = Campo Elettrico [V/cm] N = Densità di Particelle [cm -3 ] D = Diffusività [cm 2 /s] (Tensore)

43 Leggi di Fick (2) Eq. Trasporto Eq. Continuità N t = D N µ r NE Approssimazione E = 0 (Campo nullo) D indipendente dalla posizione (cioè conc. drogante) N t = D 2 II legge di Fick N 2 1 D: Nxt (,) = D Nxt (,) t x 2

44 Sorgente di Diffusione Infinita Ipotesi : N(0,t) = N o = Concentrazione Superficiale Costante E(x,t) = 0 campo Elettrico nullo N(x, t< 0) = 0 Concentrazione iniziale nulla N o Determinato dalla Solubilità Solida N s e da T [Condizioni di Predeposizione ] T N o N(x,t) N x=0 o x

45 Sorgente di Diffusione Infinita Dobbiamo Risolvere 2 Nxt (,) = D Nxt (,) t x 2 mediante Transformata di Laplace o Funzione di Green N x, t = N erfc o 2 x Dt Contenuto Totale Impurità 2 Qt ( ) = Nxtdx (, ) = N A Dt o 0 π Lunghezza Diffusione Dt [mm]

46 Proprietà di erfc(z) erf() z = 2 z exp 2 x dx π 0 erfc() z = 2 exp x 2 dx= 1 erf() z π z erf (0) = 0 erf ( + ) = 1 erf( z) = erf() z erfc( ) = 2 erfc(0) = 1 erfc( + ) = 0

47 Proprietà di erfc(z) 2 erfc(z) 1 1 erf(z) 0 0 z +

48 Impiantazione ionica inserimento in Si di ioni di alta energia, utilizzati come proiettili Profilo concentrazione vs. profondità è una funzione a singolopicco l impiantazione avviene, normalmente, a temperatura ambiente; successivamente una procedura di annealing (> 900 C) per rimuovere i difetti

49 Vantaggi a. preciso controllo della dose e del profilo (ripetibilità ed uniformità migliore di ± 1%), quindi nettamente superiore alle tecniche chimiche per concentrazioni #at/cm 3 b. eccellente uniformità laterale della dose (dispositivi più piccoli) c. la separazione di massa consente di selezionare i singoli elementi da impiantare (anche se la sorgente ne contiene diversi) d. un singolo impiantatore può impiantare specie diverse e. impiantazione attraverso sottili strati superficiali (ossidi), quindi minore sensibilità alle successive procedure di pulizia superficiale f. processo a bassa temperatura (si può usare il fotoresist come maschera) g. ampia scelta di materiali per le maschere (fotoresist, ossido, poly-si, metalli) h. accurata modellizzazione della distribuzione di ioni impiantati in Si i. realizzazione di complessi profili di drogaggio, sovrapponendo impianti multipli j. intrinseca purezza del processo che viene realizzato in alto vuoto

50 Esempio formazione di regioni source/drain autoallineate

51 Problemi/Limitazioni a. danneggiamento (difetti e/o zone amorfe) della struttura del materiale target, rimossa con processi termici (annealing), ma non sempre completamente b. massima profondità di impiantazione 1 µm c. distribuzione laterale piccola, ma non trascurabile d. resa (no. fette trattate/tempo) inferiore alle tecniche di diffusione e. impiantatori sono macchine complesse (costose) da mantenere e gestire (personale specializzato) f. incremento dei potenziali pericoli del personale di gestione (alta tensione, radiazioni, gas tossici), quindi specifiche procedure di sicurezza devono essere seguite

52 Impiantatore ionico

53 Impiantatore ionico Foto dell impiantatore ad alta energia Eaton HE3 Si osservi il fascio ionico che colpisce la superficie di un wafer da 300 mm montato sulla stazione portasubstrati

54 Arresto degli ioni gli ioni perdono energia aseguito di collisioni con nuclei eelettroni si arrestano ar(range) :distanza percorsa dallo ione fino all arresto projected range R p :distanza percorsa in direzione parallela al fascio incidente projected straggle DR p : fluttuazioni statistiche della distanza di arresto lungo R p I(t) E i Mask N(x) Collisioni a cascata S 1 Scattering Elettronico S 3 E f S n S 2 Scattering Nucleare DR p Atomo target spostato R p x D i s t

55 Arresto degli ioni projected lateral straggle DR^: fluttuazioni statistiche dello spostamento lungo una direzione perpendicolare alla direzione di incidenza.

56 Caratteristiche impiantazione a) la profondità (range) ed il profilo dipendono dall energia dello ione (per una specifica combinazione ione/substrato) b) l altezza (concentrazione) del profilo dipende dalla dose di impiantazione [Conc] = # atomi/cm 3 [dose] = # atomi/cm 2

57 Caratteristiche impiantazione c) lo spessore dello strato maschera può impedire la pentrazione degli ioni

58 Significato di Dose e Concentrazione

59 Interazioni ione/target

60 Meccanismi di arresto dello ione durante il suo moto all interno della matrice solida lo ione perde energia a causa di collisioni con i nuclei del reticolo (collisioni nucleari) e per l interazione coulombiana con gli elettroni del target definiamo la perdita di energia/unità di lunghezza S funzione dell energia degli ioni incidenti S(E) de de de S= = + = S E + S E dx dx dx n e tot nuc elec se la distanza di arresto è R R 0 = dr 0 E de dr ( ) ( ) essendo E 0 l energia iniziale dello ione

61 Meccanismi di arresto ione incidente Z 1, M 1, v 1 atomo target Z 2, M 2 q 1 Z 1, M 1, u 1 angoli di scattering q 2 arresto nucleare Z 2, M 2, u 2 in prima approssimazione si può trattare come l urto tra due sfere rigide più correttamente occore definire un potenziale di interazione coulombiano V(r): nel modello LSS si usa un potenziale schermato tipo Thomas-Fermi a basse energie S n cresce linearmente raggiunge un max e poi diminuisce ad alte energie (lo ione è talmente veloce che l interazione è ridotta) arresto elettronico per S e (potere di arresto elettronico) il meccanismo è simile all arresto di un proiettile in un mezzo viscoso S E = k E e ( ) e

62 Potere di arresto