Post on 15-Feb-2019
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
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]
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 dispositividell’alto!
SiO2
Si
Durante un trattamento termico gli atomidroganti diffondono nel Si ma non apprezzabilmente
nell’ossido
Processo planare del silicio
Il Il siliciosilicio possiedepossiede un un ossidoossido stabile (SiOstabile (SiO22))
L’SiO2 e’ un ottimo isolante
L’acido fluoridrico (HF) rimuove il biossido di silicio 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 delle struttureMOS
Produzione 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
(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, …..
Produzione di silicio policristallino
• Il silicio metallurgico viene fatto reagire con HCl gassoso per la sintesi di (Triclorosilano-tetracloruro di Si) SiHCl3- SiCl4-etc.
• La miscela di SiHCl3- SiCl4- etc. viene distillata allo scopo di ottenere SiHCl3 di grado elettronico.
Produzione di silicio
policristallinoReattore per la sintesi del
polysilicon
2SiHCl3 + 2H2 2Si + 6HCl 1100 °C
Gas Gas Solido Gas
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)
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).
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
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)
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
Trattamento del monocristallo
• Il monocristallo ora è pronto per essere rettificato.
• Successivamente vengono incisi i flatper individuare visivamente il tipo ( p-o n-) di Si e l’orientazione cristallina
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
Trattamenti superficiali della fettaLappatura:
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
• Attacco chimico
• La fetta viene trattata con HNO3/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
• Pulizia wafer• Il wafer viene pulito con lavaggi in
cascata utilizzando soluzioni sia acide che basiche.
• Rimozione impurità organiche: NH3/H2O2/H2O.
• Rimozione metalli e ossidi naturali: HF/ H2O.
• Ulteriore pulizia: HF/ H2O2.
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
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)
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
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
CINETICA OSSIDAZIONE
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)
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)
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”
Si- Bulk
Si- epitassiato
SiO2
Dobbiamo essere in grado di aprire delle “finestre” per introdurre droganti in modo selettivo
FOTOLITOGRAFIALa 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 mascheresuccessive possono essere sovrapposte
THROUGHPUT: N. di wafere processati in un oraPULIZIA: 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
chimico, è il trasferimento di un a figura nello strato.
La fedeltà nel trasferimento della figura viene quantificata da due parametri:
SOVRATTACCO:
TOLLERANZA
FILM
SOVRATTACCO
dm
df
Differenza tra le dimensioni laterali della figura dopo attacco e quelle della maschera
SUB.
Inserimento di Atomi drogantiDrogaggio 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 PortatoriB III P lacuneP V N elettroniAs V N elettroni
Tecnologie principali:predeposizione + diffusioneimpiantazione ionica + ricristall. + diffusione
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
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
Droganti attivi e non
Si Si
SiSi
Si Si
SiSi
Si Si
SiSi
Si Si
SiSi
P
P
P
P
Gli atomi droganti per essere attivi e quindi donare portatori liberi devono essere in posizione sostituzionale.
INATTIVE
ATTIVE
Droganti attivi e non
Dopo 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:
predeposizionediffusione
Predeposizione + diffusione
Ln(C)
x
erfcPredeposizione
Diffusione t1
Diffusione t2>t1
Diffusione t3>t2
Gaussiana
Limiti del drogaggio per diffusioneDiffusione laterale
Molto sensibile alla superficie
Il picco di concentraz. è sempre in superficie
Drogaggio per impiantazionecaratteristiche (I)
P-Si
Picco di concentrazione in profondità
concentrazione
Gaussiana
ln(x)
x
Drogaggio per impiantazionecaratteristiche (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 ionicaricristallizzazionediffusione
Impiantazione + ricrist. e diff.
Ln(C)
x
GaussianaImpiantazione
Ricristallizzazione t1
Ricristall. t2>t1
Ricristall. t3>t2
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)risolve il problema!(più difficile da controllare!)
RTA
n-
P-Si
npn BJT
bulk
n+
p
B E C n+n+
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 RC.