Tecnologia Planare del silicio

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 licio policristallino Dielettrici e passivazione Metallizzazioni Realizzazione di un dispositivo 1

Perche il silicio I primi dispositivi a semiconduttore utilizzavano il Germanio (Ge), con la formazione di giunzioni tramite lega, un processo piu facile nel Ge (che fonde a 937 ºC) rispetto al (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. licio Germanio licio 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] 2

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 + -p bulk 3

La tecnologia Planare Per poter realizzare dispositivi in tecnologia planare è necessario disporre di un adeguato set di passi tecnologici che permettano la realizzazione di dispositivi dall alto! wafer di silicio con uno strato di ossido termico in superficie O 2 4

O 2 selettivamente rimosso O 2 deposizione di drogante O 2 5

atomi droganti depositati sulle superfici esposte O 2 Durante un trattamento termico gli atomi droganti diffondono nel ma non apprezzabilmente nell ossido O 2 6

Processo planare del silicio Il silicio possiede un ossido stabile (O 2 ) $ L O 2 e un ottimo isolante $ L acido fluoridrico (HF) rimuove il biossido di silicio ma non il $ L O 2 agisce come maschera nei confronti della diffusione di drogante $ L O 2 riduce la densita di stati di interfaccia sulla superficie del $ L O 2 puo essere usato come dielettrico delle strutture MOS Produzione di un Circuito integrato: - disporre della materia prima (silicio policrist.) - monocristallo di 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 licio (wafer) - Fasi di processo (Ossidazione, mascheratura, drogaggio, metallizzazioni,.. 7

Produzione di silicio policristallino O 2 + 2C ---- + 2CO Produzione di silicio policristallino Il silicio metallurgico viene fatto reagire con HCl gassoso per la sintesi di (Tricloro silano-tetracloruro di ) HCl 3 - Cl 4 - etc. La miscela di HCl 3 - Cl 4 - etc. viene distillata allo scopo di ottenere HCl 3 di grado elettronico. 8

Produzione di silicio policristallino Reattore per la sintesi del polysilicon 2HCl 3 + 2H 2 1100 C 2 + 6HCl Gas Gas Solido Gas Produzione di silicio policristallino Barra di silicio policristallino dopo che è stata smontata dal reattore di crescita 9

Produzione di silicio policristallino Ciottoli di licio Policristallino Crescita del cristallo monocristallo di 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) 10

Crescita secondo Czochralski Il metodo è stato studiato verso i primi anni del 1900. Czochralski ha pubblicato il metodo nel 1918 su Z. Phys. Chem. 92, 219-221 (1918). Puller CZ 11

Carica iniziale Schema del puller 12

Fase di crescita del seme Fase di crescita - apertura del cono 13

Crescita del monocristallo Aspetto del corpo del puller durante la crescita 14

Crescita del monocristallo Produzione del monocristallo Monocristallo in un puller appena aperto 15

Produzione del monocristallo Estrazione di un monocristallo da un puller 20 Resistività longitudinale 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- Cz 16

Crescita del cristallo monocristallo di 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. 17

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 18

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 e l orientazione cristallina 19

Trattamento del monocristallo Flat Lato piatto principale Lato piatto principale Lato piatto secondario {111} tipo p {111} tipo n Trattamento del monocristallo Flat Lato piatto principale Lato piatto principale Lato piatto secondario Lato piatto secondario {100} tipo n {100} tipo p 20

Taglio della barra Schema della taglierina. Taglio della barra Foto reale della taglierina 21

Taglio con filo Taglio della barra Taglio della barra Aspetto della superficie della fetta dopo il taglio con taglierina a filo 22

Trattamenti superficiali della fetta Lappatura: Questo trattamento superficiale incrementa la simmetria della fetta e rimuove le rughe superficiali. usa una sospensione di allumina in acqua. Trattamenti superficiali della fetta Lappatura 23

Trattamenti superficiali della fetta Attacco chimico La fetta viene trattata con HNO 3 /Hac e HF per rimuovere le cricche microscopiche e i danni superficiali creati dal trattamento di lappatura. Trattamenti superficiali della fetta Aspetto della superficie della fetta dopo la lappatura e successivo attacco chimico 24

Trattamenti superficiali della fetta Lucidatura Trattamenti superficiali della fetta Lucidatura 25

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. 26

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 (O 2 ) buona qualita dell interfaccia /O 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 27

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 (s) + O 2 (g) O 2 (s) Ossidazione wet (con vapore acqueo - piu rapida!) (s) + 2H 2 O(g) O 2 (s) + 2H 2 (g) 28

Ossidazione termica del silicio L ossidazione avviene all interfaccia -O 2 le specie ossidanti devono attraversare lo strato di ossido precedentemente formato nella fase iniziale, a basse T, con strati di O 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 O 2 gia formato. Durante l ossidazione, parte del silicio in superficie viene consumato : 0 2 : 2.2 10 22 atomi/cm 3 : 5 10 22 atomi/cm 3 Lo spessore di silicio consumato e 0.44 volte lo spessore del O 2 che si forma 29

F(1) = flusso della corrente gassosa alla superficie F(2) = diffusione delle specie ossidanti attraverso O 2 F(3) = velocita di reazione all interfaccia O 2 / C 0 = concentrazione delle specie ossidanti alla superficie C 1 = concentrazione delle specie ossidanti all interfaccia O 2 / Ossidazione termica Tre fasi: (1) trasferimento dalla fase gassosa all O 2 (2) diffusione attraverso l O 2 gia formato (3) reazione con il sottostante 30

Local Oxidation Of licon (LOCOS) zona isolata tramite ossido di campo zona attiva con ossido sottile substrato di silicio 31

Tecniche di deposizione Deposizione chimica da fase vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD) - epitassia ( su ) - deposizione di materiali dielettrici (O 2, 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) 32

Epitassia pirolisi del silano: H 4 (s) + 2H 2 (gas) reazione del tetracloruro di silicio con idrogeno: Cl 4 (gas) + 2 H 2 (gas) (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 33

licio policristallino (gate dei transistor MOS) - substrato a 600ºC - 700 ºC licio amorfo (celle solari, dispositivi particolari) - substrato a < 600ºC Deposizione di isolanti biossido di silicio, O 2 : isolante tra diversi livelli di metallizzazione, passivazione contro la contaminazione esterna sulla superficie del chip finito H 4 (gas) + O 2 (gas) O 2 (s) + 2H 2 (gas) nitruro di silicio, 3 N 4 : maschera l ossidazione, essendo impermeabile alle specie ossidanti; utilizzato per l isolamento tramite ossidazione locale e come passivazione 34

Dobbiamo essere in grado di aprire delle finestre per introdurre droganti in modo selettivo O 2 - Bulk FOTOLITOGRAFIA maschera FOTO-RESIST O 2 - Bulk 35

FOTOLITOGRAFIA FOTO-RESIST O 2 - Bulk FOTOLITOGRAFIA O 2 - Bulk 36

FOTOLITOGRAFIA - Bulk FOTOLITOGRAFIA (negativa) maschera FOTO-RESIST O 2 - Bulk 37

FOTOLITOGRAFIA FOTO-RESIST O 2 - Bulk FOTOLITOGRAFIA FOTO-RESIST O 2 - Bulk 38

FOTOLITOGRAFIA O 2 - Bulk FOTOLITOGRAFIA maschera Fotoresist licio 39

FOTOLITOGRAFIA Fotor. licio Fotor. licio FOTOLITOGRAFIA La 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: numero di fette processate in un ora PULIZIA: processo privo di difetti 40

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 di tipo fisico o chimico, è il trasferimento di una figura nello strato. La fedeltà nel trasferimento della figura viene quantificata da due parametri: SOVRATTACCO: TOLLERANZA SOVRATTACCO Fotoresist O 2 licio 41

SOVRATTACCO Differenza 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 42

ATTACCO ISOTROPO WET etching Mask O 2 licio ATTACCO ANISOTROPO DRY etching Mask O 2 licio 43

44

45

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- 46

Drogaggio per diffusione concentrazione ln(x) P- x erfc(x) Diffusione di Atomi Droganti Diffusione sostituzionale Soluzione contenente atomi PP P P P P P P P droganti PP tipo n (P) 47

Diffusione di Atomi Droganti Diffusione per Rimpiazzamento Soluzione contenente atomi PP P P P P P P P droganti PP tipo n (P) Diffusione di Atomi Droganti Diffusione Interstiziale Soluzione contenente atomi droganti tipo n (P) PPPP P P PP P P P 48

Droganti attivi e non Gli atomi droganti per essere attivi e quindi donare portatori liberi devono essere in posizione sostituzionale. INATTIVE P P P ATTIVE P 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 49

Predeposizione + diffusione Ln(C) Predeposizione erfc Diffusione t 1 Diffusione t 2 >t 1 Diffusione t 3 >t 2 Gaussiana x Limiti del drogaggio per diffusione $ Diffusione laterale $ Molto sensibile alla superficie $ Il picco di concentraz. è sempre in superficie 50

Impiantazione ionica Drogaggio per impiantazione P- 51

Drogaggio per impiantazione caratteristiche (I) Picco di concentrazione in profondità concentrazione ln(x) P- x Gaussiana Drogaggio per impiantazione caratteristiche (II) Piccola diffusione laterale 52

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 ridistribuzione 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 53

Impiantazione + annealing??? La fase di annealing (necessaria) Ln(C) fa perdere il vantaggio del picco di concentrazione lontano dalla superficie. As implanted RTA Annealing standard RTA (rapid thermal annealing) Alte temperature (1000 C) per tempi brevi (10 sec) risolve il problema! (più difficile da controllare!) x Impiantazione: CHANNELLING! 54

npn BJT B E C p n + n - n + n + P- 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. 55