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Tecnologia Planare del silicio

Tecnologia del silicioPerche’ 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

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Perche’ il silicio

I primi dispositivi a semiconduttore utilizzavano il Germanio (Ge), con la formazione di giunzionitramite “lega”, un processo piu’ facile nel Ge (che fonde a937 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 [cm2/V s]

Mobilita’ (h+) 1900 471 [cm2/V s]

Energy-gap (300K) 0.67 1.12 [eV]

Concentrazione diportatori intrinseci ni @300K: 2.4××1013 1.45××1010 [cm-3]@400K: 1015 7.5××1012 [cm-3]

Campo elettrico critico 8××10 3××105 [V/cm]

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La tecnologia Planare Diodo

N (catodo)

P(anodo)

N

P

La tecnologia Planare npn BJT

n-

Si-p

bulk

n+

p

B E C

n+n+

N+

(emettitore)P

(base)N-

(collettore)

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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 dispositividall’alto!

SiO2

Si

wafer di silicio con uno strato di ossido termico in superficie

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SiO2

Si

SiO2selettivamenterimosso

SiO2

Si

deposizione di drogante

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SiO2

Si

atomi droganti depositati sulle superfici esposte

SiO2

Si

Durante un trattamento termico gli atomidroganti diffondono nel Si ma non apprezzabilmente

nell’ossido

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Processo planare del silicio

Il silicio possiede un ossido Il silicio possiede un ossido stabile (SiOstabile (SiO22))

$ L’SiO2 e’ un ottimo isolante

$ L’acido fluoridrico (HF) rimuove il biossido disilicio ma non il Si

$ L’SiO2 agisce come maschera nei confronti delladiffusione di drogante

$ L’SiO2 riduce la densita’ di stati di interfacciasulla superficie del Si

$ L’SiO2 puo’ essere usato come dielettrico dellestrutture MOS

Produzione di un Circuito integrato:

- disporre della materia prima (silicio policrist.)- monocristallo di Si privo di difetti

• di grande diametro (fino a 12”)• di purezza di 1 parte per miliardo

(1013 cm-3 impurezze su 5×1022 cm-3

atomi di silicio)- Produzione della fetta di Silicio (wafer)- Fasi di processo (Ossidazione, mascheratura, drogaggio, metallizzazioni, …..

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Produzione di silicio policristallino

SiO2 + 2C

----àà Si + 2CO

Produzione di siliciopolicristallino

• Il silicio metallurgico viene fatto reagirecon HCl gassoso per la sintesi di (Triclorosilano-tetracloruro di Si) SiHCl3- SiCl4-etc.

• La miscela di SiHCl3- SiCl4- etc. vienedistillata allo scopo di ottenere SiHCl3 digrado elettronico.

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Produzionedi silicio

policristallinoReattore per lasintesi del

polysilicon

2SiHCl3 + 2H2 2Si + 6HCl1100 °C

Gas Gas Solido Gas

Produzione di siliciopolicristallino

Barra di siliciopolicristallino dopoche è statasmontata dalreattore di crescita

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• Ciottoli diSilicio Policristallino

Produzione di siliciopolicristallino

Crescita del cristallo

•monocristallo di Si privo di difetti•di grande diametro (fino a 12”)•di purezza di 1 parte per miliardo

(1013 cm-3 impurezze su 5×1022 cm-3

atomi di silicio)

Tecniche:•Metodo Czochralski

•Metodo float-zone (zona fusa mobile)

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Crescita secondo Czochralski

• Il metodo è stato studiato verso iprimi anni del 1900.

• Czochralski ha pubblicato ilmetodo nel 1918 su Z. Phys. Chem.92 , 219-221 (1918).

Puller CZ

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Carica iniziale

Schema del puller

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Fase di crescita del seme

Fase di crescita - apertura delcono

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Crescita del monocristallo

Aspetto del corpo del puller durante lacrescita

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Crescita del monocristallo

Produzionedel

monocristallo

Monocristallo inun puller appenaaperto

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Produzionedel

monocristallo

Estrazione diunmonocristalloda un puller

Resistività longitudinale

0

5

10

15

20

0 10 25 40 50 60 67 75 85 100 105 110 116

cm from seed end

avg

res

Andamento della resistività (ohm * cm) lungo la barraP- Si Cz

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Crescita del cristallo

•monocristallo di Si privo di difetti•di grande diametro (fino a 12”)•di purezza di 1 parte per miliardo

(1013 cm-3 impurezze su 5×1022 cm-3

atomi di silicio)

Tecniche:•Metodo Czochralski

•Metodo float-zone (zona fusa mobile)

Produzione del monocristallo

Prima dellatecnica Czsi utilizzavala tecnicaFz.

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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’ossigenopresente con Czochralski

Produzione del monocristallo• Particolare della zona di fusione

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Produzione delle fette

Trattamento del monocristallo

• Il monocristallo ora èpronto per essererettificato.

• Successivamentevengono incisi i flatper individuarevisivamente il tipo ( p-o n-) di Si el’orientazionecristallina

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Trattamento del monocristallo• Flat

SiLatopiattoprincipale

111 tipo p

SiLatopiattoprincipale

111 tipo n

Lato piatto

secondario

Trattamento del monocristallo• Flat

100 tipo n

SiLatopiattoprincipale

100 tipo p

SiLatopiattoprincipale

Lato piattosecondario

Lato piattosecondario

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Taglio della barra

• Schema dellataglierina.

Taglio della barra• Foto reale della taglierina

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Taglio della barra• Taglio con filo

Taglio della barra

• Aspettodellasuperficiedella fettadopo iltaglio contaglierina afilo

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Trattamenti superficiali della fettaLappatura: Questo

trattamentosuperficialeincrementa lasimmetria dellafetta e rimuovele rughesuperficiali. Siusa unasospensione diallumina inacqua.

Trattamenti superficiali della fetta

• Lappatura

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Trattamenti superficiali della fetta

• Attacco chimico

• La fetta viene trattata conHNO3/Hac e HF per rimuovere lecricche microscopiche e i dannisuperficiali creati dal trattamento dilappatura.

Trattamenti superficiali della fetta

Aspettodellasuperficiedella fettadopo lalappatura esuccessivoattaccochimico

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Trattamenti superficiali della fetta

• Lucidatura

Trattamenti superficiali della fetta• Lucidatura

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Dopo taglio

Dopo arrotondamentodel 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 acideche basiche.

• Rimozione impurità organiche:NH3/H2O2/H2O.

• Rimozione metalli e ossidi naturali:HF/ H2O.

• Ulteriore pulizia: HF/ H2O2.

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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 (SiO2)buona qualita’ dell’interfaccia Si/SiO2proprieta’ elettriche stabili e controllabili

Deposizione: sia il silicio che l’ossigeno sono trasportatisulla superficie del wafer dove reagiscono tra loro

strati di passivazione

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Ossidazione termica

in tubo di quarzo a temperature tra 850°C e 1100°C

la velocita’ di reazione aumenta con la temperaturasecondo la legge di Arrheniusv ≈ A exp (-Ea/kT) Ea = energia di attivazione [eV]

Ossidazione “dry” Si(s) + O2(g) → SiO2(s)

Ossidazione “wet” (con vapore acqueo - piu’ rapida !)

Si(s) + 2H2O(g) → SiO2(s) + 2H2(g)

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Ossidazione termica del silicio

L’ossidazione avviene all’interfaccia Si-SiO2

le specie ossidanti devono attraversare lo stratodi ossido precedentemente formato

nella fase iniziale, a basse T, con stratidi SiO2 sottili : crescita limitata dallavelocita’ di reazione superficiale

a T elevate e con ossidi spessi:crescita limitata dalla diffusione dellespecie ossidanti attraverso l’SiO2 gia’formato.

Durante l’ossidazione, parte del silicio in superficie viene “consumato”:

Si02 : 2.2 × 1022 atomi/cm3

Si: 5 × 1022 atomi/cm3

Lo spessore di silicio consumato e’0.44 volte lo spessore del SiO2 che si forma

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F(1) = flusso della corrente gassosa alla superficieF(2) = diffusione delle specie ossidanti attraverso SiO2F(3) = velocita’ di reazione all’interfaccia SiO2/Si

C0 = concentrazione delle specie ossidanti alla superficieC1 = concentrazione delle specie ossidanti all’interfaccia SiO2/Si

Ossidazione termica

Tre fasi:

(1) trasferimento dalla fase gassosa all’SiO2

(2) diffusione attraverso l’SiO2 gia’ formato

(3) reazione con il Si sottostante

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Local Oxidation Of Silicon (LOCOS)

zona isolata tramite “ossido di campo”

zona attiva con ossido sottile

substrato di silicio

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Tecniche di deposizione

Deposizione chimica da fase vapore(Chemical Vapor Deposition, CVD)

- epitassia (Si su Si)

- deposizione di materiali dielettrici (SiO2, Si3N4, ...)

- 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)

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Epitassia

pirolisi del silano: SiH4 → Si (s) + 2H2 (gas)

reazione del tetracloruro di silicio con idrogeno:SiCl4 (gas) + 2 H2 (gas) → Si (s) + 4HCl (gas)

crescita epitassiale: substrato a 900ºC- 1250ºC

gas droganti: arsina (AsH3, fosfina PH3, diborano B2H6)

Epitassia

Tecnica molto costosa e usata solo se necessario

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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, SiO2: isolante tra diversi livelli dimetallizzazione, “passivazione” contro lacontaminazione esterna sulla superficie del chipfinito

SiH4 (gas) + O2 (gas) → SiO2 (s) + 2H2 (gas)

nitruro di silicio, Si3N4: “maschera” l’ossidazione, essendo impermeabile alle specie ossidanti; utilizzato per l’isolamento tramite “ossidazione locale” e come “passivazione”

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Si- Bulk

Si

SiO2

Dobbiamo essere in grado di aprire delle “finestre” per introdurre droganti in modo selettivo

FOTOLITOGRAFIA

Si- Bulk

Si

SiO2

FOTO-RESIST

maschera

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FOTOLITOGRAFIA

Si- Bulk

Si

SiO2

FOTO-RESIST

FOTOLITOGRAFIA

Si- Bulk

Si

SiO2

37

FOTOLITOGRAFIA

Si- Bulk

Si

FOTOLITOGRAFIA (negativa)

Si- Bulk

Si

SiO2

FOTO-RESIST

maschera

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FOTOLITOGRAFIA

Si- Bulk

Si

SiO2

FOTO-RESIST

FOTOLITOGRAFIA

Si- Bulk

Si

SiO2

FOTO-RESIST

39

FOTOLITOGRAFIA

Si- Bulk

Si

SiO2

Silicio

Fotoresist

maschera

FOTOLITOGRAFIA

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Silicio

Fotor.

Silicio

Fotor.

FOTOLITOGRAFIA

FOTOLITOGRAFIALa fotolitografia è il procedimento di trasferimento

di una geometria da una maschera alla superficiedella fetta di silicio

Criteri di valutazione della Fotolitografia:

RISOLUZIONE: minima geometria che può esseresviluppata con ripetibilità

ALLINEAMENTO: quanto strettamente due mascheresuccessive possono essere sovrapposte

THROUGHPUT: numero di fette processate in un’oraPULIZIA: processo privo di difetti

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ETCHING (o ATTACCO)L’attacco è il processo di rimozione di una parte di

strato, definita per mezzo di una maschera: ilrisultato, ottenuto con meccanismi di tipo fisico o

chimico, è il trasferimento di una figura nello strato.

La fedeltà nel trasferimento della figura vienequantificata da due parametri:

SOVRATTACCO:

TOLLERANZA

SOVRATTACCO

SiO2

Fotoresist

Silicio

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FILM

SOVRATTACCO

dm

df

Differenza tra le dimensioni laterali della figura dopoattacco e quelle della maschera

SUB.

FILM

MASK

ATTACCO

MASK

SUB. SUB.

FILM

ISOTROPO ANISOTROPO

WET etching DRY etching

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Silicio

SiO2

Mask

ATTACCO

ISOTROPOWET etching

Silicio

SiO2

Mask

ATTACCOANISOTROPO

DRY etching

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Inserimento di Atomi drogantiDrogaggio è il processo con cui si introducono nelsilicio impurezze (atomi) di tipo accettore odonore e che quindi forniscono portatori liberi.

Elemento Gruppo Tipo PortatoriB III P lacuneP V N elettroniAs V N elettroni

Tecnologie principali:& predeposizione + diffusione& impiantazione ionica + ricristall. + diffusione

Drogaggio per diffusione

P-Si

Soluzione con Atomi Droganti

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Drogaggio per diffusione

P-Six

concentrazione

erfc(x)

ln(x)

Diffusione di Atomi Droganti

Si Si

Si

Si

Si

Si Si Si

PP P P P P PPPPP

Soluzione contenente

atomi droganti

tipo n(P)

Diffusione sostituzionale

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SiSiSiSiSiSi

Diffusione di Atomi Droganti

Si Si

Si

Si

Si

Si Si Si

PP P P P P PPPPP

Soluzione contenente

atomi droganti

tipo n(P)

Diffusione per Rimpiazzamento

Diffusione di Atomi Droganti

Si Si

Si

Si

Si

Si Si Si

PPPP P P PP P P P

Soluzione contenente

atomi droganti

tipo n(P)

Diffusione Interstiziale

Si

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Droganti attivi e non

Si Si

SiSi

Si Si

SiSi

Si Si

SiSi

Si Si

SiSi

P

P

P

P

Gli atomi drogantiper essere attivi equindi donareportatori liberidevono essere inposizionesostituzionale.

INATTIVE

ATTIVE

Droganti attivi e nonDopo una prima fase di diffusione c’è bisogno di un riscaldamento ad alta temperatura per permettere a tuttele impurezze di occupare posizioni sostituzionali e quindi di diventare attive.

In definitiva il drogaggio avviene in due Fasi:

& predeposizione& diffusione

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Predeposizione + diffusione

Ln(C)

x

erfcPredeposizione

Diffusione t1

Diffusione t2>t1

Diffusione t3>t2

Gaussiana

Limiti del drogaggio per diffusione$ Diffusione laterale

$ Molto sensibile alla superficie

$ Il picco di concentraz. è sempre in superficie

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Impiantazione ionica

Drogaggio per impiantazione

P-Si

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Drogaggio per impiantazionecaratteristiche (I)

P-Si

Picco di concentrazione in profondità

concentrazione

Gaussiana

ln(x)

x

Drogaggio per impiantazionecaratteristiche (II)

Piccola diffusione laterale

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Drogaggio per impiantazionecaratteristiche (III)

Grande danno reticolareserve una fase di riassestamento delcristallo che viene fatto ad altatemperatura (annealing) che a sua voltacausa un fenomeno di ridistribuzione deldrogante (per diffusione, non voluto)

Per questo si è detto:& impiantazione ionica& ricristallizzazione& diffusione

Impiantazione + ricrist. e diff.

Ln(C)

x

GaussianaImpiantazione

Ricristallizzazione t1

Ricristall. t2>t1

Ricristall. t3>t2

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Impiantazione + annealing ???

Ln(C)

x

La fase di annealing (necessaria) fa perdere il vantaggiodel picco di concentrazionelontano dalla superficie.

As implanted

Annealing standard

RTA (rapid thermal annealing)Alte temperature (1000 °C)per tempi brevi (10 sec)risolve il problema!(più difficile da controllare!)

RTA

Impiantazione: CHANNELLING!

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n-

P-Si

npn BJT

bulk

n+

p

B E C

n+n+

Finchè non si è riusciti a crescere perepitassia lo strato sepolto (buried layer) disubcollettore il bjt in tecnologia planare non èriuscito ad imporsi per il problema della RC.