Il silicio poroso: un materiale nanostrutturato per la fabbricazione di nuovi dispositivi a stato solido

G. Barillaro, P. Bruschi, A. Diligenti, F. Pieri

Tecnologie Microelettroniche e MicrosistemiDipartimento di Ingegneria dell’InformazioneUniversità di Pisa (I)

Agenda

• Dissoluzione elettrochimica del silicio in soluzioni di H2O/HF– Materiale microstrutturato ordinato– Materiale nanostrutturato random

• Microlavorazione elettrochimica– Fabbricazione di matrici di nanopunte in silicio

• Silicio poroso nanostrutturato– Fabbricazione di un microchip per monitoraggio

ambientale

Agenda

• Dissoluzione elettrochimica del silicio in soluzioni di H2O/HF– Materiale microstrutturato ordinato– Materiale nanostrutturato random

• Microlavorazione elettrochimica– Fabbricazione di matrici di nanopunte in silicio

• Silicio poroso nanostrutturato– Fabbricazione di un microchip per monitoraggio

ambientale

Dissoluzione elettrochimica del silicio in H2O/HF

Caratteristica densità di corrente-

tensione

• La dissoluzione del silicio è attivata dalle lacune

• La morfologia dello strato risultante dipende dai parametri di attacco:– Materiale nanostrutturato

random– Materiale microstutturato

ordinato

Agenda

• Dissoluzione elettrochimica del silicio in soluzioni di H2O/HF– Materiale microstrutturato ordinato– Materiale nanostrutturato random

• Microlavorazione elettrochimica– Fabbricazione di matrici di nanopunte in silicio

• Silicio poroso nanostrutturato– Fabbricazione di un microchip per monitoraggio

ambientale

Microlavorazione elettrochimica

• Fabbricazione di microstrutture in silicio– Silicio di tipo n,

orientazione 100 – Ossidazione termica– Definizione geometria– Definizione “seed” – Attacco

elettrochimico in H2O/HF

– Asciugatura

Microlavorazione elettrochimica

• Fabbricazione di microstrutture in silicio– Silicio di tipo n,

orientazione 100 – Ossidazione termica– Definizione geometria– Definizione “seed” – Attacco

elettrochimico in H2O/HF

– Asciugatura

Microstrutture fabbricate - 1

Micropiani

Macropori

Spirali quadrate

Tubi Colonne Punte

Spirali circolari Strutture 3D

Microstrutture fabbricate - 2

Dispositivi a vuoto integrati – Nanotriodi (1)

• Applicazioni– Elettronica

• Dispositivi per le radiofrequenze

• Flat panel displays

– Spazio• Neutralizzatori di

carica

– Ambiente• Microsensori

Dispositivi a vuoto integrati – Nanotriodi (2)

• Emissione di elettroni ad effetto di campo– Emissione metallo-vuoto

Efe 0.5 V/Å

– Fowler-Nordheim:I = aV2exp(-b3/2/V) funzione lavoro del metallo

– Lastra metallica:Eplate= V/d

– Punta metallica:Etip= V/5rtip per rtip 100 Å

r

d

Anodo

Anodo

Gate

s S’

Matrici di nanopunte - 1

• Processo di fabbricazione

– Silicio n, 100, 2.4-4

·cm

– Ossidazione termica

– Definizione geometria

– Attacco in KOH

– Attacco elettrochimico

in H2O/HF

HF

• Processo di fabbricazione– Ossidazione termica

(ossido di isolamento) – Evaporazione elettrodo

di estrazione (cromo)– Lift-off delle nanopunte

in silicio

• Processo autoallineato ad una maschera

10 nm

Matricidi nanopunte - 2

Simulazioni nanopunte

• ISE-TCAD– Nanopunta

• Silicio cristallino di tipo n• Raggio curvatura: 10nm

– Isolamento• Ossido di silicio

– Elettrodo di estrazione• Metallo

– Corrente di emissione • 0.5 μA per punta@200V• 0.75 A/cm2@200V

Agenda

• Dissoluzione elettrochimica del silicio in soluzioni di H2O/HF– Materiale microstrutturato ordinato– Materiale nanostrutturato random

• Microlavorazione elettrochimica– Fabbricazione di matrici di nanopunte in silicio

• Silicio poroso nanostrutturato– Fabbricazione di un chip per monitoraggio

ambientale

Monitoraggio ambientale

• NO2 è un gas tossico– Legislazione italiana:

• Livello di attenzione: 106 ppb• Livello di allarme: 212 ppb

• Monitoraggio di NO2

– Sensori a stato solido

• Nuovi materiali per i sensori di gas integrati– Silicio poroso nanostrutturato

Sensori di gas integrati basati su silicio poroso nanostrutturato

• Il silicio poroso nanostrutturato (SPnS) è un materiale molto interessante per le tecnologie elettroniche– Proprietà morfologiche, chimiche e fisiche– Compatibilità con i processi di integrazione industriali

• Sensori di gas integrati basati su silicio poroso nanostrutturato random – Integrazione di uno strato di SPnS in prossimità di un

dispositivo elettronico standard (FET, diodo, resistore, etc.) – Modifica delle proprietà elettriche del dispositivo

elettronico integrato attraverso l’adsorbimento di molecole nello strato di SPnS

APSFET ̶̶̶̶ Principio di funzionamento

• Fabbricazione del sensore– Substrato di silicio p – Contatti in silicio n+

– Produzione dello strato sensibile di SPnS

• Principio di funzionamento– Adsorbimento di molecole

nel SPnS– Modulazione del canale del

FET

PSDrain Source

Drain

Drain

Source

Chip Integration in BCD6 (1)

• Progetto del chip– Elettronica

• 3 amplificatori operazionali

• 1 amplificatore differenziale per strumentazione

• Tensione di riferimento (architetura band-gap)

• Sensore di temperatura (ΔVBE-based )

• MOS di potenza da usare come riscaldatori

– Sensori• Matrice 2x4 di APSFET

Integrazione del chip in BCD6 (1)

• Fabbricazione del chip– 0.35 μm BCD6

(Bipolar+CMOS+DMOS) of STMicroelectronics

• Substrato di tipo p • Well di tipo p e n • Impianti di tipo p+ e n+ • 3 livelli di metal

– 4 mm x 4 mm large 4 mm

Integrazione del chip in BCD6 (2)

• Post-processing del chip– SPnS in aree opportune

• Maschera di photoresist• Rimozione ossido di silicio• Formazione SnS• Rimozione photoresist• Asciugatura

– Parametri di anodizzazione• Ietch=20 mA/cm2

• tetch=20 s

Electronics Sensor

Interfaccia integrata di pilotaggio-lettura

APSFET

On-chip elements

Dipendenza esponenziale: Vout-VREF=a●exp(b●[NO2])

• [NO2]=100 ppb corrisponde a VOUT=1.2 V

R2=0.9986

Vtsh

Circuito di allarme On-Chip per il rilevamento di NO2

On-chip elements

Vtsh=1.2 V corrisponde a [NO2]=100 ppb

RingraziamentiSi ringrazia STMicroelectronics

stabilimento di Cornaredo (Milano)-Italia

Grazie