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•Planarizzazione

Packaging

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: 2.41013 1.451010 [cm-3]@400K: 1015 7.51012 [cm-3]

Campo elettrico critico 810 3105 [V/cm]

Processo planare del silicio

Il silicio possiede un ossido stabile (SiO2)

•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 della diffusione di drogante

•L’SiO2 riduce la densita’ di stati di interfaccia sulla superficie del Si

•L’SiO2 puo’ essere usato come dielettrico delle strutture MOS

SiO2

Si

wafer di silicio con uno strato di ossido termico in superficie

SiO2

Si

SiO2

selettivamenterimosso

SiO2

Si

deposizione di drogante

SiO2

Si

atomi droganti depositati sulle superfici esposte

SiO2

Si

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

nell’ossido

Crescita del cristallo

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

(1013 cm-3 impurezze su 51022 cm-3

atomi di silicio)

Tecniche:•Metodo Czochralski•Metodo float-zone (zona fusa mobile)

Metodo Czochralski

Peso del lingotto: da 20 a 150 kg

Velocita’ di crescita:

Metodo float-zone(a zona fusa mobile)

Le impurezze vengono segregate nella zona fusa

Adatto per silicio ultrapuro( = 20-100 -cm)

Meno dell’1% dell’ossigenopresente con Czochralski

Dopo taglio

Dopo arrotondamentodel bordo

Dopo lappatura

Dopo attacco chimico

Dopo lucidatura

1 mil = 25 m

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/SiO2

proprieta’ 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 strati di 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.

F(1) = flusso della corrente gassosa alla superficieF(2) = diffusione delle specie ossidanti attraverso SiO2

F(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

Trasferimento dalla fase gassosa all’SiO2

F(1) = h(C* - C0)

Ossidazione termica

F(1) = flusso della corrente gassosa alla superficie h = coefficiente di trasferimento di massa in fase gassosa C*= concentrazione delle specie ossidanti nell’ossido all’equilibrio C0= concentrazione alla superficie

F( DC C

xi

ox

2 0)( )

Ossidazione termica

Diffusione attraverso l’SiO2 gia’ formato

D = diffusivita’

xox = spessore dell’ossido

(C0 - Ci)/xox = gradiente di concentrazione in SiO2

Ossidazione termica

Reazione con il Si all’ interfaccia SiO2/Si

F(3) = ks Ci

A regime:F(1)=F(2)=F(3)=F

h C C DC C

Xk C Fo

o i

oxs i( )

( )*

DC C

XFo i

ox

( )

F xDk

DCoxs

oFHG

IKJ

k C Fs i

CFki

s

FDC

xDk

o

oxs

F h C Co ( )* CFh

Co*

FD C F

hx D

koxs

( )*

FD C F

hx D

koxs

( )*

F(x D k DC F(D h

F(x D k D h DC

F(x k D k h k C

Fk C

k h x k D

ox s

ox s

ox s s s

s

s ox s

) )

)

)

( )

*

*

*

*

1

1

Nox=n. molecole della specie ossidante nell’ossido per unita’ di volume

2.2 1022 molecole/cm3 di SiO2

Nox = 2.2 1022 cm-3 per O2 seccoNox = 4.4 1022 cm-3 per H2O

Velocita’ di crescita dell’ossido:

Rdxdt

FN

k CN k h x k D

ox

ox

s

ox s ox s

*

( )1

Rdxdt

FN

k CN k h x k D

ox

ox

s

ox s ox s

*

( )1

( )*

1 k h x k D dxk CN

dts ox s oxs

ox

Dk

Dh

x dxDCN

dts

ox oxox

FHG

IKJ

*

Dk h

x dxDCN

dts

ox oxox

1 1

FHG

IKJ

FHG

IKJ

*

Dk h

x dxDCN

dts

ox oxox

1 1

FHG

IKJ

FHG

IKJ

*

x Dk h

xDCN

toxs

oxox

2 21 1 2

FHG

IKJ

*

( )

xA t

A Box

LNMM

OQPP2

14

12

( )

A Dk hs

LNM

OQP2

1 1

BDCN ox

2 *

xA t

A Box

LNMM

OQPP2

14

12

( )

e’ lo shift temporale legato al fatto chea t=0 e’ gia’ presente l’ossido nativo xox(0)

tempi brevi: crescita limitata dalla reazione superficiale

tempi lunghi: crescita limitata dalla diffusione attraverso l’SiO2

x B t Btox ( )

x B A tox ( )

A Dk hs

LNM

OQP2

1 1coefficiente di crescita

parabolico

coefficiente di crescita lineare:dipende dall’orientazione cristallografica del cristallo: in (111) piu’ rapida che in (100)

BA

La velocita’ di crescita dipende da:

•temperatura•ambiente ossidante•drogaggio del substrato

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

D = D0 exp(-EA/kT)

Spessore dell’ossido : Si (111)

Dry Wet