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Tecnologia del silicio Perche il silicio Crescita del cristallo Preparazione del wafer La tecnologia planare Ossidazione termica Tecniche litografiche.

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Presentazione sul tema: "Tecnologia del silicio Perche il silicio Crescita del cristallo Preparazione del wafer La tecnologia planare Ossidazione termica Tecniche litografiche."— Transcript della presentazione:

1 Tecnologia del silicio Perche 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

2 Perche il silicio I primi dispositivi a semiconduttore utilizzavano il Germanio (Ge), con la formazione di giunzioni tramite lega, un processo piu facile nel Ge (che fonde a 937 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

3 Germanio vs. Silicio Germanio Silicio Mobilita (e - ) [cm 2 /V s] Mobilita (h + ) [cm 2 /V s] Energy-gap (300K) [eV] Concentrazione di portatori intrinseci n [cm [cm -3 ] Campo elettrico critico [V/cm]

4 Processo planare del silicio Il silicio possiede un ossido stabile (SiO 2 ) LSiO 2 e un ottimo isolante Lacido fluoridrico (HF) rimuove il biossido di silicio ma non il Si LSiO 2 agisce come maschera nei confronti della diffusione di drogante LSiO 2 riduce la densita di stati di interfaccia sulla superficie del Si LSiO 2 puo essere usato come dielettrico delle strutture MOS

5 SiO 2 Si wafer di silicio con uno strato di ossido termico in superficie

6 SiO 2 Si SiO 2 selettivamente rimosso

7 SiO 2 Si deposizione di drogante

8 SiO 2 Si atomi droganti depositati sulle superfici esposte

9 SiO 2 Si Durante un trattamento termico gli atomi droganti diffondono nel Si ma non apprezzabilmente nellossido

10 Crescita del cristallo Obiettivi: monocristallo di Si privo di difetti di grande diametro (fino a 12) di purezza di 1 parte per miliardo (10 13 cm -3 impurezze su cm -3 atomi di silicio) Tecniche: Metodo Czochralski Metodo float-zone (zona fusa mobile)

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14 Metodo Czochralski Peso del lingotto: da 20 a 150 kg Velocita di crescita:

15 Metodo float-zone (a zona fusa mobile) Le impurezze vengono segregate nella zona fusa Adatto per silicio ultrapuro ( = cm) Meno dell1% dellossigeno presente con Czochralski

16 Dopo taglio Dopo arrotondamento del bordo Dopo lappatura Dopo attacco chimico Dopo lucidatura 1 mil = 25 m

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18 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 (SiO 2 ) buona qualita dellinterfaccia Si/SiO 2 proprieta elettriche stabili e controllabili Deposizione: sia il silicio che lossigeno sono trasportati sulla superficie del wafer dove reagiscono tra loro strati di passivazione

19 Ossidazione termica in tubo di quarzo a temperature tra 850°C e 1100°C la velocita di reazione aumenta con la temperatura secondo la legge di Arrhenius v A exp (-Ea/kT) Ea = energia di attivazione [eV] Ossidazione dry Si(s) + O 2 (g) SiO 2 (s) Ossidazione wet (con vapore acqueo - piu rapida !) Si(s) + 2H 2 O(g) SiO 2 (s) + 2H 2 (g)

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22 Ossidazione termica del silicio Lossidazione avviene allinterfaccia Si-SiO 2 le specie ossidanti devono attraversare lo strato di ossido precedentemente formato nella fase iniziale, a basse T, con strati di SiO 2 sottili : crescita limitata dalla velocita di reazione superficiale a T elevate e con ossidi spessi: crescita limitata dalla diffusione delle specie ossidanti attraverso lSiO 2 gia formato.

23 F(1) = flusso della corrente gassosa alla superficie F(2) = diffusione delle specie ossidanti attraverso SiO 2 F(3) = velocita di reazione allinterfaccia SiO 2 /Si C 0 = concentrazione delle specie ossidanti alla superficie C 1 = concentrazione delle specie ossidanti allinterfaccia SiO 2 /Si

24 Ossidazione termica Tre fasi: (1) trasferimento dalla fase gassosa allSiO 2 (2) diffusione attraverso lSiO 2 gia formato (3) reazione con il Si sottostante

25 Trasferimento dalla fase gassosa allSiO 2 F(1) = h(C * - C 0 ) Ossidazione termica F(1) = flusso della corrente gassosa alla superficie h = coefficiente di trasferimento di massa in fase gassosa C * = concentrazione delle specie ossidanti nellossido allequilibrio C 0 = concentrazione alla superficie

26 Ossidazione termica Diffusione attraverso lSiO 2 gia formato D = diffusivita x ox = spessore dellossido (C 0 - C i )/x ox = gradiente di concentrazione in SiO 2

27 Ossidazione termica Reazione con il Si all interfaccia SiO 2 /Si F(3) = k s C i A regime: F(1)=F(2)=F(3)=F

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31 N ox =n. molecole della specie ossidante nellossido per unita di volume molecole/cm 3 di SiO 2 N ox = cm -3 per O 2 secco N ox = cm -3 per H 2 O Velocita di crescita dellossido:

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34 e lo shift temporale legato al fatto che a t=0 e gia presente lossido nativo x ox (0) tempi brevi: crescita limitata dalla reazione superficiale tempi lunghi: crescita limitata dalla diffusione attraverso lSiO 2

35 coefficiente di crescita parabolico coefficiente di crescita lineare: dipende dallorientazione cristallografica del cristallo: in (111) piu rapida che in (100) La velocita di crescita dipende da: temperatura ambiente ossidante drogaggio del substrato

36 Durante lossidazione, parte del silicio in superficie viene consumato: Si0 2 : atomi/cm 3 Si: atomi/cm 3 Lo spessore di silicio consumato e 0.44 volte lo spessore del SiO 2 che si forma

37 D = D 0 exp(-E A /kT)

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39 Spessore dellossido : Si (111) DryWet


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