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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 dispositivi sulla

superficie superiore del wafer

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La tecnologia Planare

DiodoN

(catodo)P

(anodo)

N

P

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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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Transistore MOS

S D

G

Processi tecnologici sui wafer di Si

• Ossidazione termica del silicio

• Deposizione di film di isolanti o conduttori

• Fotolitografia

• Attacchi chimici selettivi

• Impiantazione ionica (drogaggio)

• Diffusione termica

• Metallizzazioni e contatti

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Ossidazione termica del Si

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

la velocita’ di reazione aumenta con la temperatura

• 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 strati di SiO2 sottili : crescita limitata dalla velocita’ di reazione superficiale

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

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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’0.46 volte lo spessore del SiO2 che si forma

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Local Oxidation Of Silicon (LOCOS)

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Tecniche di deposizione di materiali

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

- Epitassia (Si su Si)

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

- Deposizione di silicio policristallino

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Deposizione di silicio su silicio

• Crescita epitassiale: substrato a 900ºC- 1250ºC

• Silicio policristallino: substrato a 600ºC - 700 ºC

• Silicio amorfo: substrato a < 600ºC

Deposizione di isolanti

• Biossido di silicio, SiO2: isolante tra diversi livelli di metallizzazione, “passivazione” contro la contaminazione esterna sulla superficie del chip finito

• 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- N

SiO2

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

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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: N. di wafer processati in un ora

PULIZIA: processo privo di difetti

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FOTOLITOGRAFIA

Esposizione a luce UV

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Fotoresist positivo e negativo

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ATTACCO (ETCHING)

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

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SOVRATTACCO

SiO2

Fotoresist

Silicio

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FILM

MASK

ATTACCO

MASK

SUB. SUB.

FILM

ISOTROPO ANISOTROPO

Attacchi chimici selettivi

a) Attacchi in umido (wet etch) - Attacchi isotropici selettivi: per Si, SiO2, Nitruro, Alluminio

- Attacchi preferenziali per Si: NaOH, KOH (agiscono di preferenza

su un piano cristallino)

a) Attacchi a secco (Dry etch) Sono attacchi selettivi in camere di reazione dipendono dal tipo di gas utilizzato - attacchi in plasma (plasma etching) meno preferenziali - attacchi con ioni reattivi (RIE etching) fortemente preferenziali

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Dry Etching

– Reactive Ion Etching

– Chemical+Physical etchingChemical+Physical etching

– AnisotropicAnisotropic

– Plasma etching– Purely chemical etching – Isotropic– Photoresist striping (ashing)

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Inserimento di atomi droganti nel Si

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

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Drogaggio per diffusione

P-Six

concentrazione

erfc(x)

ln(x)

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Predeposizione + diffusione

Ln(C)

x

erfcPredeposizione

Diffusione t1

Diffusione t2>t1

Diffusione t3>t2

Gaussiana

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Limiti del drogaggio per diffusione

Diffusione laterale

Molto sensibile alla superficie

Il picco di concentraz. è sempre in superficie

Ion Implantation

Multiple collision vs Channeling

semiconductor

Rp

Ion trajectory &Projected range

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Ion Implanter

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Ion Range

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Drogaggio per impiantazione

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 è necessario: impiantazione ionica ricristallizzazione diffusione

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Drogaggio per impiantazione

Piccola diffusione laterale

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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 stdandard

RTA (rapid thermal annealing)Alte temperature (1000 °C)per tempi brevi (10 sec) è una soluzione

RTA

Metallizzazioni e contatti

Sputtering di metalli (W, Al emesso dal catodo per bombardamento di ioni Ar

Evaporazione sottovuoto di metalli (Al) per riscaldamento in crogiuolo

crogiuolo

Ar Ar

catodo