Tecnologia Planare del silicio

Tecnologia del silicio Perche il silicio Crescita del cristallo Preparazione del wafer La tecnologia planare Ossidazione termica Tecniche litografiche Diffusione dei droganti Impiantazione ionica Tecniche di epitassia Tecniche di deposizione Silicio policristallino Dielettrici e passivazione Metallizzazioni Realizzazione di un dispositivo

Perche il silicio I primi dispositivi a semiconduttore utilizzavano il Germanio (Ge), con la formazione di giunzioni tramite lega, un processopiu facile nelge(chefondea 937 ºC) rispetto al Si (che fonde a 1412 ºC) Ge: ridotto energy gap alte correnti inverse limitato campo operativo ad alta T (max 70 C) basse tensioni di breakdown Il Germanio non possiede un ossido stabile

Germanio vs. Silicio Germanio Silicio Mobilita (e - ) 3900 1417 [cm 2 /V s] Mobilita (h + ) 1900 471 [cm 2 /V s] Energy-gap (300K) 0.67 1.12 [ev] Concentrazione di portatori intrinseci n i @300K: 2.4 10 13 1.45 10 10 [cm -3 ] @400K: 10 15 7.5 10 12 [cm -3 ] Campo elettrico critico 8 10 3 10 5 [V/cm]

La tecnologia Planare Diodo P (anodo) N (catodo) N P

La tecnologia Planare npn BJT N + (emettitore) P (base) N - (collettore) B E C p n + n - n + n + Si-p bulk

La tecnologia Planare Per poter realizzare dispositivi in tecnologia planare è necessario disposrre di un adeguato set di passi tecnologici che permettano la realizzazione di dispositivi dell alto!

wafer di silicio con uno strato di ossido termico in superficie SiO 2 Si

SiO 2 selettivamente rimosso SiO 2 Si

deposizione di drogante SiO 2 Si

atomidrogantidepositatisulle superfici esposte SiO 2 Si

Durante un trattamento termico gli atomi droganti diffondono nel Si ma non apprezzabilmente nell ossido SiO 2 Si

Processo planare del silicio Il silicio possiede un ossido stabile (SiO 2 ) L SiO 2 e un ottimo isolante L acido fluoridrico (HF) rimuove il biossido di silicio ma non il Si L SiO 2 agisce come maschera nei confronti della diffusione di drogante L SiO 2 riduce la densita di stati di interfaccia sulla superficie del Si L SiO 2 puo essereusatocome dielettricodellestrutture MOS

roduzione di un Circuito integrato: disporre della materia prima (silicio pilicrist.) monocristallo di Si privo di difetti di grande diametro (fino a 12 ) di purezza di 1 parte per miliardo (10 13 cm -3 impurezze su 5 10 22 cm -3 atomi di silicio) Produzione della fetta di Silicio (wafer) Fasi di processo (Ossidazione, mascheratura, drogaggio, metallizzazioni,..

roduzione di silicio policristallino SiO 2 + 2C ---- Si + 2CO

Produzione di silicio policristallino Il silicio metallurgico viene fatto reagire con HCl gassoso per la sintesi di (Tricloro silano-tetracloruro di Si) SiHCl 3 -SiCl 4 - etc. La miscela di SiHCl 3 -SiCl 4 - etc. viene distillata allo scopo di ottenere SiHCl 3 di grado elettronico.

Produzione di silicio policristallino Reattore per la sintesi del polysilicon 2SiHCl 3 + 2H 2 1100 C 2Si + 6HCl Gas Gas Solido Gas

Produzione di polysilicon Barra di polysilicon dopo che è stata smontata dal reattore di crescita

Produzione di polysilicon Ciottoli di Silicio Policristallino

Crescita del cristallo monocristallo di Si privo di difetti di grande diametro (fino a 12 ) di purezza di 1 parte per miliardo (10 13 cm -3 impurezze su 5 10 22 cm -3 atomi di silicio) Tecniche: Metodo Czochralski Metodo float-zone (zonafusamobile)

Crescita secondo Czochralski Il metodo è stato studiato verso i primi anni del 1900. Czochralskiha pubblicato il metodo nel 1918 su Z. Phys. Chem. 92, 219-221 (1918).

Puller CZ

Carica iniziale

Schema del puller

Fase di crescita del seme

Fase di crescita - apertura del cono

Crescita del monocristallo

Aspetto del corpo del puller durante la crescita

Crescita del monocristallo

Produzione del monocristallo Monocristallo in un puller appena aperto

Produzione del monocristallo Estrazione di un monocristallo da un puller

Resistività longitudinale 20 15 avg res 10 5 0 0 10 25 40 50 60 67 75 85 100 105 110 116 cm from seed end Andamento della resistività (ohm * cm) lungo la barra P- Si Cz

Crescita del cristallo monocristallo di Si privo di difetti di grande diametro (fino a 12 ) di purezza di 1 parte per miliardo (10 13 cm -3 impurezze su 5 10 22 cm -3 atomi di silicio) Tecniche: Metodo Czochralski Metodo float-zone (zona fusa mobile)

Produzione del monocristallo Prima della tecnica Cz si utilizzava la tecnica Fz.

Metodo float-zone (a zona fusa mobile) Le impurezze vengono segregate nella zona fusa Adatto per silicio ultrapuro (ρ = 20-100 Ω-cm) Meno dell 1% dell ossigeno presente con Czochralski

Produzione del monocristallo Particolare della zona di fusione

Produzione delle fette

Trattamento del monocristallo Il monocristallo ora è pronto per essere rettificato. Successivamente vengono incisi i flat per individuare visivamente il tipo ( p- o n-) di Si e l orientazione cristallina

Trattamento del monocristallo Flat Si Lato piatto principale Si Lato piatto principale Lato piatto secondario {111} tipo p {111} tipo n

Trattamento del monocristallo Flat Si Lato piatto principale Si Lato piatto principale Lato piatto secondario Lato piatto secondario {100} tipo n {100} tipo p

Schema della taglierina. Taglio della barra

Taglio della barra Foto reale della taglierina

Taglio con filo Taglio della barra

Aspetto della superficie della fetta dopo il taglio con taglierina a filo Taglio della barra

Trattamenti superficiali della fetta appatura: Questo trattamento superficiale incrementa la simmetria della fetta e rimuove le rughe superficiali. Si usa una sospensione di allumina in acqua.

Trattamenti superficiali della fetta Lappatura

Trattamenti superficiali della fetta Attacco chimico La fetta viene trattata con HNO 3 /Hac e HF per rimuovere le cricche microscopiche e danni superficiali creati dal trattamento di lappatura.

Trattamenti superficiali della fetta Aspetto della superficie della fetta dopo la lappatura e successivo attacco chimico

Trattamenti superficiali della fetta Lucidatura

Dopo taglio Dopo arrotondamento del bordo Dopo lappatura Dopo attacco chimico Dopo lucidatura

Trattamenti superficiali della fetta Pulizia wafer Il wafer viene pulito con lavaggi in cascata utilizzando soluzioni sia acide che basiche. Rimozione impurità organiche: NH 3 /H 2 O 2 /H 2 O. Rimozione metalli e ossidi naturali: HF/ H 2 O. Ulteriore pulizia: HF/ H 2 O 2.

Ossidazione termica del silicio Ossido nativo: 2 nm a 300 K Ossidazione termica: gli atomi di silicio in superficie si legano con ossigeno ossido stechiometrico (SiO 2 ) buona qualita dell interfaccia Si/SiO 2 proprieta elettriche stabili e controllabili Deposizione: sia il silicio che l ossigeno sono trasportati sulla superficie del wafer dove reagiscono tra loro strati di passivazione

Ossidazione termica in tubo di quarzo a temperature tra 850 C e 1100 C la velocita di reazione aumenta con la temperatura secondo la legge di Arrhenius v A exp (-Ea/kT) Ea = energia di attivazione [ev] Ossidazione dry Si(s) + O 2 (g) SiO 2 (s) Ossidazione wet (con vapore acqueo - piu rapida!) Si(s) + 2H 2 O(g) SiO 2 (s) + 2H 2 (g)

Ossidazione termica del silicio L ossidazione avviene all interfaccia Si-SiO 2 le specie ossidanti devono attraversare lo strato di ossido precedentemente formato nella fase iniziale, a basse T, con strati di SiO 2 sottili : crescita limitata dalla velocita di reazione superficiale a T elevate e con ossidi spessi: crescita limitata dalla diffusione delle specie ossidanti attraverso l SiO 2 gia formato.

Durante l ossidazione, parte del silicio in superficie viene consumato : Si0 2 : 2.2 10 22 atomi/cm 3 Si: 5 10 22 atomi/cm 3 Lo spessore di silicio consumato e 0.44 volte lo spessore del SiO 2 che si forma

F(1) = flusso della corrente gassosa alla superficie F(2) = diffusione delle specie ossidanti attraverso SiO 2 F(3) = velocita di reazione all interfaccia SiO 2 /Si C 0 = concentrazione delle specie ossidanti alla superficie C 1 = concentrazione delle specie ossidanti all interfaccia SiO 2 /Si

ssidazione termica Tre fasi: (1) trasferimento dalla fase gassosa all SiO 2 (2) diffusione attraverso l SiO 2 gia formato (3) reazione con il Si sottostante CINETICA OSSIDAZIONE

Local Oxidation Of Silicon (LOCOS)

zona isolata tramite ossido di campo zona attiva con ossido sottile substrato di silicio

Tecniche di deposizione Deposizione chimica da fase vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD) - epitassia (Si su Si) - deposizione di materiali dielettrici (SiO 2, Si 3 N 4,...) - deposizione di silicio policristallino (drogato = pista conduttiva)

Chemical vapor deposition struttura del film depositato - substrato (amorfo o cristallino) - temperatura dell ambiente e del substrato - velocita di deposizione - pressione del gas - presenza di campi elettromagnetici (plasma a radiofrequenza)

Epitassia pirolisi del silano: SiH 4 Si (s) + 2H 2 (gas) reazione del tetracloruro di silicio con idrogeno: SiCl 4 (gas) + 2 H 2 (gas) Si (s) + 4HCl (gas) crescita epitassiale: substrato a 900ºC- 1250ºC gas droganti: arsina (AsH 3, fosfina PH 3, diborano B 2 H 6 )

Epitassia Tecnica molto costosa e usata solo se necessario

Silicio policristallino (gate dei transistor MOS) - substrato a 600ºC - 700 ºC Silicio amorfo (celle solari, dispositivi particolari) - substrato a < 600ºC

Deposizione di isolanti biossido di silicio, SiO 2 : isolante tra diversi livelli d metallizzazione, passivazione contro la contaminazione esterna sulla superficie del chip finito SiH 4 (gas) + O 2 (gas) SiO 2 (s) + 2H 2 (gas) nitruro di silicio, Si 3 N 4 : maschera l ossidazione, essendo impermeabile alle specie ossidanti; utilizzato per l isolamento tramite ossidazione locale e come passivazione

Dobbiamo essere in grado di aprire delle finestre per introdurre droganti in modo selettivo SiO 2 Si- epitassiato Si- Bulk

FOTOLITOGRAFIA maschera FOTO-RESIST SiO 2 Si- epitassiato Si- Bulk

FOTOLITOGRAFIA FOTO-RESIST SiO 2 Si- epitassiato Si- Bulk

FOTOLITOGRAFIA SiO 2 Si- epitassiato Si- Bulk

FOTOLITOGRAFIA Si- epitassiato Si- Bulk

FOTOLITOGRAFIA (negativa) maschera FOTO-RESIST SiO 2 Si- epitassiato Si- Bulk

FOTOLITOGRAFIA FOTO-RESIST SiO 2 Si- epitassiato Si- Bulk

FOTOLITOGRAFIA Si- epitassiato Si- Bulk

FOTOLITOGRAFIA maschera Fotoresist Silicio

FOTOLITOGRAFIA Fotor. Silicio Fotor. Silicio

FOTOLITOGRAFIA a fotolitografia è il procedimento di trasferimento di una geometria da una maschera alla superficie della fetta di silicio Criteri di valutazione della Fotolitografia: RISOLUZIONE: minima geometria che può essere sviluppata con ripetibilità ALLINEAMENTO: quanto strettamente due maschere successive possono essere sovrapposte THROUGHPUT: N. di wafere processati in un ora PULIZIA: processo privo di difetti

ETCHING (o ATTACCO) L attacco è il processo di rimozione di una parte di strato, definita per mezzo di una maschera: il risultato, ottenuto con meccanismi ti tipo fisico o himico, è il trasferimento di un a figura nello strato La fedeltà nel trasferimento della figura viene quantificata da due parametri: SOVRATTACCO: TOLLERANZA

SOVRATTACCO Fotoresist SiO 2 Silicio

SOVRATTACCO ifferenza tra le dimensioni laterali della figura dopo attacco e quelle della maschera d m FILM SUB. d f

ATTACCO ISOTROPO MASK FILM ANISOTROPO MASK FILM SUB. SUB. WET etching DRY etching

ATTACCO ISOTROPO WET etching Mask SiO 2 Silicio

ATTACCO ANISOTROPO DRY etching Mask SiO 2 Silicio

Inserimento di Atomi droganti Drogaggio è il processo con cui si introducono nel silicio impurezze (atomi) di tipo accettore o donore e che quindi forniscono portatori liberi. Elemento Gruppo Tipo Portatori B III P lacune P V N elettroni As V N elettroni Tecnologie principali: predeposizione + diffusione impiantazione ionica + ricristall. + diffusione

Drogaggio per diffusione Soluzione con Atomi Droganti P-Si

Drogaggio per diffusione concentrazione ln(x) P-Si x erfc(x)

Diffusione di Atomi Droganti Diffusione sostituzionale Si Si Si Soluzione contenente atomi Si Si PP P P P P P P P PP droganti tipo n (P) Si Si Si

Diffusione di Atomi Droganti Diffusione per Rimpiazzamento Si Si Si Soluzione Si Si contenente Si Si atomi Si Si Si Si PP P P P P P P P PP droganti tipo n (P) Si Si Si

Diffusione di Atomi Droganti Diffusione Interstiziale Soluzione contenente atomi droganti tipo n (P) Si Si Si Si Si Si PPPP P P PP P P P Si Si Si

Droganti attivi e non Gli atomi droganti per essere attivi e quindi donare portatori liberi devono essere in posizione sostituzionale. INATTIVE Si Si Si P Si Si Si Si Si P Si P Si Si Si ATTIVE Si Si P Si Si

Droganti attivi e non Dopo una prima fase di diffusione c è bisogno di un riscaldamento ad alta temperatura per permettere a tutte le impurezze di occupare posizioni sostituzionali e quindi di diventare attive. In definitiva il drogaggio avviene in due Fasi: predeposizione diffusione

Predeposizione + diffusione Ln(C) Predeposizione erfc Diffusione t 1 Diffusione t 2 >t 1 Diffusione t 3 >t 2 Gaussiana x

Predeposizione + diffusione Cinetica della diffusione

Limiti del drogaggio per diffusione Diffusione laterale Molto sensibile alla superficie Il picco di concentraz. è sempre in superficie

Impiantazione ionica

Drogaggio per impiantazione P-Si

Drogaggio per impiantazione caratteristiche (I) Picco di concentrazione in profondità concentrazione ln(x) P-Si x Gaussiana

Drogaggio per impiantazione caratteristiche (II) Piccola diffusione laterale

Drogaggio per impiantazione caratteristiche (III) Implant dose monitor

Drogaggio per impiantazione caratteristiche (III) Grande danno reticolare serve una fase di riassestamento del cristallo che viene fatto ad alta temperatura (annealing) che a sua volta causa un fenomeno di rididtribuzione del drogante (per diffusione, non voluto) Per questo si è detto: impiantazione ionica ricristallizzazione diffusione

Impiantazione + ricrist. e diff. Ln(C) Impiantazione Gaussiana Ricristallizzazione t 1 Ricristall. t 2 >t 1 Ricristall. t 3 >t 2 x

Impiantazione + annealing??? La fase di annealing (necessaria) Ln(C) fa perdere il vantaggio del picco di concentrazione lontano dalla superficie. RTA (rapid thermal annealing) Alte temperature (1000 C) per tempi brevi (10 sec) risolve il problema! (più difficile da controllare!) As implanted RTA Annealing stdandard

Impiantazione: CHANNELLING!

Impiantazione Cinetica dell impiantazione

npn BJT B E C p n + n - n + n + P-Si bulk Finchè non si è riusciti a crescere per epitassia lo strato sepolto (buried layer) di subcollettore il bjt in tecnologia planare non è riuscito ad imporsi per il problema della R C.

Realizzazione CMOS