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Tecnologia planare del Tecnologia planare del siliciosilicio

Crescita dei monocristalliCrescita dei monocristalli

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Perché il silicioPerché il silicioIl silicio è un materiale semiconduttore.Il silicio è un materiale semiconduttore.

La valenza degli atomi di silicio è 4 e la La valenza degli atomi di silicio è 4 e la struttura cristallina del solido è quella struttura cristallina del solido è quella di un reticolo cubicodi un reticolo cubico

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La valenza degli atomi di silicio è 4 e la La valenza degli atomi di silicio è 4 e la struttura cristallina del solido è quella di struttura cristallina del solido è quella di un reticolo cubico a facce centrate (un reticolo cubico a facce centrate (FCCFCC).).

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La valenza degli atomi di silicio è 4 e la La valenza degli atomi di silicio è 4 e la struttura cristallina del solido è quella di struttura cristallina del solido è quella di un reticolo cubico a facce centrate (un reticolo cubico a facce centrate (FCCFCC).).

La distribuzione degli La distribuzione degli atomi è tale che per atomi è tale che per ogni posizione reticolare ogni posizione reticolare ogni atomo ha quattro ogni atomo ha quattro prossimi vicini.prossimi vicini.

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La sviluppo dell’elettronica fonda le proprie La sviluppo dell’elettronica fonda le proprie basi su un processo tecnologico fondamentale:basi su un processo tecnologico fondamentale:

il drogaggio di un semiconduttoreil drogaggio di un semiconduttore

l’introduzione cioè di elementi con valenza l’introduzione cioè di elementi con valenza diversa da quella dell’elemento base del diversa da quella dell’elemento base del solido. Tale azione dà luogo a un cambiamento solido. Tale azione dà luogo a un cambiamento della della conducibilitàconducibilità del materiale stesso. del materiale stesso.

Importanza del solido con Importanza del solido con proprietà semiconduttiveproprietà semiconduttive

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L’operazione di drogaggio è L’operazione di drogaggio è impossibile da attuare in un impossibile da attuare in un conduttore.conduttore.

L’elevata conducibilità di un L’elevata conducibilità di un conduttore non può essere conduttore non può essere assolutamente modificata con un assolutamente modificata con un processo tecnologico.processo tecnologico.

Importanza del solido con Importanza del solido con proprietà semiconduttiveproprietà semiconduttive

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Drogaggio di tipo-n:Drogaggio di tipo-n: introducendo elementi introducendo elementi droganti con droganti con valenza superiorevalenza superiore a quella a quella degli atomi che compongono il solido degli atomi che compongono il solido ospite si ottiene un materiale in cui ospite si ottiene un materiale in cui aumenta la concentrazione di elettroni aumenta la concentrazione di elettroni liberi.liberi.

DrogaggioDrogaggio

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Drogaggio di tipo-p:Drogaggio di tipo-p: introducendo elementi introducendo elementi droganti con droganti con valenza inferiorevalenza inferiore a quella a quella degli atomi che compongono il solido degli atomi che compongono il solido ospite si ottiene un materiale in cui ospite si ottiene un materiale in cui aumenta la concentrazione di lacune libere aumenta la concentrazione di lacune libere (mancanza di elettroni di legame).(mancanza di elettroni di legame).

DrogaggioDrogaggio

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Drogaggio: tecnologiaDrogaggio: tecnologia

Il Il limite superiorelimite superiore di concentrazione di drogante di concentrazione di drogante è stabilito dalla è stabilito dalla solubilitàsolubilità di tale elemento nel di tale elemento nel solido.solido.

Quello inferiore dall’impossibilità pratica di avere Quello inferiore dall’impossibilità pratica di avere a disposizione un solido cristallino ideale, a disposizione un solido cristallino ideale, privo privo cioè di impurezzecioè di impurezze

Per le applicazioni elettroniche la purezza del Per le applicazioni elettroniche la purezza del silicio dev’essere silicio dev’essere migliore di una parte per migliore di una parte per miliardomiliardo (0.001 ppm) (0.001 ppm)

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La complementarità dei due tipi di drogaggio La complementarità dei due tipi di drogaggio (tipo-n e tipo-p) ha fondato la base per lo (tipo-n e tipo-p) ha fondato la base per lo sviluppo dell’elettronica. Il trasporto di corrente sviluppo dell’elettronica. Il trasporto di corrente nel solido può quindi essere dominato dagli nel solido può quindi essere dominato dagli elettroni (carica negativa) o dalle lacune (carica elettroni (carica negativa) o dalle lacune (carica positiva). Il dispositivo di base è la giunzione p-n positiva). Il dispositivo di base è la giunzione p-n che può definirsi l’elemento non lineare da cui ha che può definirsi l’elemento non lineare da cui ha potuto cominciare l’evoluzione fino alla moderna potuto cominciare l’evoluzione fino alla moderna elettronica.elettronica.

Drogaggio: la giunzione p-nDrogaggio: la giunzione p-n

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L’idea di integrazioneL’idea di integrazione

L’elettronica dello stato solido inizia nel L’elettronica dello stato solido inizia nel 1947, anno in cui venne brevettato il 1947, anno in cui venne brevettato il primo dispositivo a tre terminali allo primo dispositivo a tre terminali allo stato solido: il transistor in germanio.stato solido: il transistor in germanio.

Gli anni che seguirono segnarono Gli anni che seguirono segnarono l’inizio dell’integrazione su singolo chip.l’inizio dell’integrazione su singolo chip.

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L’idea fu quella di L’idea fu quella di integrare su una sola integrare su una sola piastrina di materiale piastrina di materiale semiconduttore diversi semiconduttore diversi dispositivi elettronici.dispositivi elettronici.

L’idea di integrazioneL’idea di integrazione

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L’isolamento tra i L’isolamento tra i dispositivi poteva essere dispositivi poteva essere garantito con la presenza garantito con la presenza di giunzioni p-n in di giunzioni p-n in polarizzazione inversa ...polarizzazione inversa ...

Isolamento mediante Isolamento mediante giunzione p-ngiunzione p-n

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… … che, come noto, che, come noto, presenta una presenta una zona di zona di svuotamento priva svuotamento priva di cariche libere.di cariche libere.

P N

Isolamento mediante Isolamento mediante giunzione p-ngiunzione p-n

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Dispositivi integratiDispositivi integrati

Basati su silicio Basati su silicio drogato, possono drogato, possono essere realizzati:essere realizzati:

diodi

resistori

transistor

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Prima partePrima parte

Realizzazione dei Realizzazione dei

wafer monocristalliniwafer monocristallini

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• Purificazione del silicioPurificazione del silicio

• Crescita di monocristalliCrescita di monocristalli

• Produzione dei waferProduzione dei wafer



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Il silicio abbonda in natura ed è per lo più Il silicio abbonda in natura ed è per lo più trovato in forma di trovato in forma di silicesilice: quarzo (SiO: quarzo (SiO22))

Il silicio in naturaIl silicio in natura

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Purificazione del silicioPurificazione del silicio

Grado di purezza raggiunto normalmente in qualunque industria di materiali

La purezza del materiale che si deve avere in campo La purezza del materiale che si deve avere in campo elettronico è almeno elettronico è almeno 7 ordini di grandezza7 ordini di grandezza migliore migliore di quella necessaria in altri settori industrialidi quella necessaria in altri settori industriali

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Produzione e Produzione e purificazione del siliciopurificazione del silicio

La prime fasi della tecnologia del silicio sono:La prime fasi della tecnologia del silicio sono:

1)1) produzione di silicio “metallurgico” (produzione di silicio “metallurgico” (MGSMGS) di ) di purezza pari al purezza pari al 2%2%;;

2)2) purificazione del silicio metallurgico e purificazione del silicio metallurgico e produzione del silicio di grado elettronico produzione del silicio di grado elettronico ((EGSEGS) di purezza pari almeno a ) di purezza pari almeno a 1010-9-9;;

3)3) produzione di lingotti di silicio produzione di lingotti di silicio monocristallinomonocristallino. .

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Produzione del silicio Produzione del silicio metallurgicometallurgico

Il materiale di partenza è silice Il materiale di partenza è silice relativamente pura. Questa viene posta in relativamente pura. Questa viene posta in fornace assieme a varie forme di carbone.fornace assieme a varie forme di carbone.

Le reazioni che hanno luogo ad alta Le reazioni che hanno luogo ad alta temperatura sono riassunte dalla:temperatura sono riassunte dalla:

SiC (sol)+SiOSiC (sol)+SiO22(sol)(sol)Si(sol)+SiOSi(sol)+SiO22(gas)(gas)+CO(gas)+CO(gas)

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Produzione del silicio EG (1)Produzione del silicio EG (1)

Il silicio solido ottenuto (puro al 98%) viene Il silicio solido ottenuto (puro al 98%) viene polverizzato e trattato in acido cloridrico (HCl) polverizzato e trattato in acido cloridrico (HCl) per formare l’unico composto liquido per formare l’unico composto liquido dell’elemento: il dell’elemento: il triclorosilanotriclorosilano (SiHCl (SiHCl33).).

Le reazioni che hanno luogo a 300 °C sono Le reazioni che hanno luogo a 300 °C sono riassunte dalla:riassunte dalla:

Si (sol)+3HCl(gas)Si (sol)+3HCl(gas)SiHClSiHCl33(gas)+H(gas)+H22(gas)(gas)

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e l’apparato utilizzato per tale e l’apparato utilizzato per tale produzione segue lo schema produzione segue lo schema seguenteseguente

SiHClSiHCl33

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L’importanza di avere a disposizione un composto L’importanza di avere a disposizione un composto liquido sta nella possibilità di procedere alla sua liquido sta nella possibilità di procedere alla sua purificazione attraverso il semplice metodo di purificazione attraverso il semplice metodo di distillazione frazionatadistillazione frazionata::

la concentrazione di impurità è diversa nelle due la concentrazione di impurità è diversa nelle due fasi gassosa e liquida. Il processo di distillazione fasi gassosa e liquida. Il processo di distillazione consente, per il triclorosilano, di ottenere un vapore consente, per il triclorosilano, di ottenere un vapore in cui la concentrazione di impurezze è minore di in cui la concentrazione di impurezze è minore di quella che si ha nella fase liquida.quella che si ha nella fase liquida.

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Con l’impiego di Con l’impiego di più torri di più torri di distillazione si distillazione si può raggiungere può raggiungere il grado di il grado di purezza purezza desiderato per la desiderato per la fase liquida.fase liquida.Il metodo di distillazione frazionata consente Il metodo di distillazione frazionata consente di avere triclorosilano con un grado di purezza di avere triclorosilano con un grado di purezza pari ad almeno una parte su 10pari ad almeno una parte su 1099..

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Il triclorosilano puro ottenuto viene quindi Il triclorosilano puro ottenuto viene quindi ridotto in idrogeno al fine di ottenere silicio ridotto in idrogeno al fine di ottenere silicio solido, anch’esso, ovviamente, di grado solido, anch’esso, ovviamente, di grado elettronico. elettronico.

La reazione che ora ha luogo è:La reazione che ora ha luogo è:

SiHClSiHCl33(gas)+H(gas)+H22(gas) (gas) Si (sol)+3HCl(gas) Si (sol)+3HCl(gas)

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La reazione La reazione avviene in una avviene in una camera in cui è camera in cui è posta una barra di posta una barra di silicio puro silicio puro utilizzata come utilizzata come zona di nucleazione zona di nucleazione per il silicio.per il silicio.

CVD: Chemical CVD: Chemical Vapor Vapor DepositionDeposition

Il processo è di Il processo è di deposizione chimica da deposizione chimica da fase vapore del silico.fase vapore del silico.

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Nel processo di Nel processo di deposizione da deposizione da fase vapore nuovo fase vapore nuovo silicio si deposita silicio si deposita sulla barra. sulla barra.

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Al termine si ottiene una barra del diametro di Al termine si ottiene una barra del diametro di alcuni cm che può essere polverizzata prima di alcuni cm che può essere polverizzata prima di passare alle successive fasi di lavorazionepassare alle successive fasi di lavorazione

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Crescita del silicio Crescita del silicio monocristallinomonocristallinoIl corretto funzionamento di un dispositivo Il corretto funzionamento di un dispositivo

elettronico dipende fortemente dalla elettronico dipende fortemente dalla concentrazione di difetti di tipo strutturale concentrazione di difetti di tipo strutturale del materiale semiconduttivo. Oltre che del materiale semiconduttivo. Oltre che dalle impurezze “non volute”, il trasporto di dalle impurezze “non volute”, il trasporto di carica elettrica, e quindi la “fisica” del carica elettrica, e quindi la “fisica” del dispositivo, è limitato anche dai difetti del dispositivo, è limitato anche dai difetti del reticolo cristallino:reticolo cristallino:

dislocazioni, vacanze, bordi di granodislocazioni, vacanze, bordi di grano

E’ per tale motivo che si deve avere a E’ per tale motivo che si deve avere a disposizione un materiale avente un disposizione un materiale avente un eccellente grado di cristallinitàeccellente grado di cristallinità

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Crescita del monocristallo (1)Crescita del monocristallo (1)

Per prima cosa i frammenti di silicio puro Per prima cosa i frammenti di silicio puro vengono posti in un crogiolo di grafite vengono posti in un crogiolo di grafite rivestito di silicerivestito di silice

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Crescita del monocristallo (1)Crescita del monocristallo (1)

L’aggiunta di una quantità nota di un L’aggiunta di una quantità nota di un certo elemento permetterà di ottenere certo elemento permetterà di ottenere silicio già drogatosilicio già drogato

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Crescita del monocristalloCrescita del monocristallo

Il corgiolo, inserito Il corgiolo, inserito in una camera in una camera riempita con gas riempita con gas inerte Argon per inerte Argon per prevenire prevenire qualunque tipo di qualunque tipo di contaminazione, contaminazione,

viene portato a una temperatura viene portato a una temperatura superiore a quella di fusione del silicio superiore a quella di fusione del silicio (1420 °C).(1420 °C).

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Crescita del monocristallo:Crescita del monocristallo:metodo Czochralskimetodo Czochralski

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Sul fuso viene Sul fuso viene posto a contatto posto a contatto un seme un seme cristallino di cristallino di silicio.silicio.

Metodo CzochralskiMetodo Czochralski

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Durante la lenta solidificazione, Durante la lenta solidificazione, gli atomi di silicio tenderanno a gli atomi di silicio tenderanno a disporsi seguendo l’orientazione disporsi seguendo l’orientazione cristallografica del semecristallografica del seme

Lentamente, il seme viene Lentamente, il seme viene tirato via dal pelo del fuso in tirato via dal pelo del fuso in modo tale che il silicio possa modo tale che il silicio possa solidificarsi intorno ad esso. solidificarsi intorno ad esso.


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Crogiolo e seme vengono fatti Crogiolo e seme vengono fatti ruotare lentamente in versi opposti. ruotare lentamente in versi opposti. La velocità di tiraggio e quella di La velocità di tiraggio e quella di rotazione relativa determineranno il rotazione relativa determineranno il diametro del lingotto di silicio diametro del lingotto di silicio monocristallino così cresciuto. monocristallino così cresciuto.


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Il metodo CZ consente Il metodo CZ consente di ottenere monocristalli di ottenere monocristalli di silicio di ottima qualità.di silicio di ottima qualità.


Attualmente il diametro Attualmente il diametro dei lingotti è pari a 30 cm.dei lingotti è pari a 30 cm.

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Come prima fase relativa alla produzione Come prima fase relativa alla produzione dei wafer, vengono eliminate le parti dei wafer, vengono eliminate le parti finali, maggiormente difettate, del lingottofinali, maggiormente difettate, del lingotto

Preparazione dei waferPreparazione dei wafer

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Il lingotto viene rettificato per ottenere Il lingotto viene rettificato per ottenere un cilindro con un diametro costante un cilindro con un diametro costante lungo tutta la sua lunghezzalungo tutta la sua lunghezza


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Viene poi fresato un piano utilizzato Viene poi fresato un piano utilizzato come linea giuda per tutte le le come linea giuda per tutte le le operazioni di lavorazione successiveoperazioni di lavorazione successive


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Ne viene controllata l’orientazione Ne viene controllata l’orientazione cristallografica e viene fresato un nuovo cristallografica e viene fresato un nuovo piano per la sua corretta identificazione.piano per la sua corretta identificazione.


XRD: X-ray diffractionXRD: X-ray diffraction(misura di diffrazione (misura di diffrazione

a raggi X)a raggi X)

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La posizione relativa dei due tagli permetterà La posizione relativa dei due tagli permetterà in seguito di identificare visivamente in seguito di identificare visivamente l’orientazione cristallografica delle fettel’orientazione cristallografica delle fette


Tipo-n Tipo-p

Tipo-pTipo-n

[111] [111]

[100][100]

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Il lingotto, ormai pronto per le successive Il lingotto, ormai pronto per le successive fasi di lavorazione, è incollato, lungo il fasi di lavorazione, è incollato, lungo il piano giuda, su un supporto ...piano giuda, su un supporto ...


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… … e posto in una sega circolare per e posto in una sega circolare per essere affettato in piastrine dello essere affettato in piastrine dello spessore di 1 mm circa.spessore di 1 mm circa.


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Le fette ottenute vengono poste in un Le fette ottenute vengono poste in un apparato utile alla lucidatura delle apparato utile alla lucidatura delle superfici ...superfici ...


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… … e la superficie superiore dei wafer e la superficie superiore dei wafer viene ricoperta di pasta contenete polvere viene ricoperta di pasta contenete polvere di diamante o di carburo di silicio. di diamante o di carburo di silicio.


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Una prima fase di lappatura meccanica elimina Una prima fase di lappatura meccanica elimina grossolanamente le asperità di superficie grossolanamente le asperità di superficie inevitabilmente presenti dopo il taglioinevitabilmente presenti dopo il taglio


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Infine, una lucidatura in soda caustica rende la Infine, una lucidatura in soda caustica rende la superficie superiore dei wafer perfettamente superficie superiore dei wafer perfettamente speculari. speculari. La rugosità superficiale è La rugosità superficiale è inferiore a 1 inferiore a 1 mm


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Prima del loro impiego effettivo, Prima del loro impiego effettivo, vengono eseguiti una serie di test utili vengono eseguiti una serie di test utili alla caratterizzazione dei singoli waferalla caratterizzazione dei singoli wafer

Caratterizzazioni dei waferCaratterizzazioni dei wafer

spessorespessore

diametrodiametro

rugositàrugosità

Uniformità della Uniformità della conducibilitàconducibilità

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Fabbricazione dei waferFabbricazione dei wafer

I wafer così prodotti possono essere I wafer così prodotti possono essere ora utilizzati per i successivi processi ora utilizzati per i successivi processi tecnologici.tecnologici.

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