La tecnologia Planare Per poter realizzare dispositivi in tecnologia planare è necessario disporre di un adeguato set di passi tecnologici che permettano la realizzazione di dispositivi sulla superficie superiore del wafer

La tecnologia Planare N (catodo) P (anodo) Diodo N P

La tecnologia Planare N+ (emettitore) P (base) N- (collettore) B E C p npn BJT N+ (emettitore) P (base) N- (collettore) n- Si-p bulk n+ p B E C

Transistore MOS G S D

Processi tecnologici sui wafer di Si Ossidazione termica del silicio Deposizione di film di isolanti o conduttori Fotolitografia Attacchi chimici selettivi Impiantazione ionica (drogaggio) Diffusione termica Metallizzazioni e contatti

Ossidazione termica del Si in tubo di quarzo a temperature tra 850°C e 1100°C la velocita’ di reazione aumenta con la temperatura 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 strato di ossido precedentemente formato nella fase iniziale, a basse T, con strati di SiO2 sottili : crescita limitata dalla velocita’ di reazione superficiale a T elevate e con ossidi spessi: crescita limitata dalla diffusione delle specie 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’ 0.46 volte lo spessore del SiO2 che si forma

Local Oxidation Of Silicon (LOCOS)

Tecniche di deposizione di materiali - Deposizione chimica da fase vapore (Chemical Vapor Deposition, CVD) - Epitassia (Si su Si) - Deposizione di materiali dielettrici (SiO2, Si3N4, ...) - Deposizione di silicio policristallino

Deposizione di silicio su silicio Crescita epitassiale: substrato a 900ºC- 1250ºC Silicio policristallino: substrato a 600ºC - 700 ºC Silicio amorfo: substrato a < 600ºC Deposizione di isolanti Biossido di silicio, SiO2: isolante tra diversi livelli di metallizzazione, “passivazione” contro la contaminazione esterna sulla superficie del chip finito Nitruro di silicio, Si3N4: “maschera” l’ossidazione, essendo impermeabile alle specie ossidanti; utilizzato per l’isolamento tramite “ossidazione locale” e come “passivazione”

Dobbiamo essere in grado di aprire delle “finestre” per introdurre droganti in modo selettivo SiO2 Si- N Si- Bulk

FOTOLITOGRAFIA La 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 maschere successive possono essere sovrapposte THROUGHPUT: N. di wafer processati in un ora PULIZIA: processo privo di difetti

FOTOLITOGRAFIA Esposizione a luce UV

Fotoresist positivo e negativo

ATTACCO (ETCHING) L’attacco è il processo di rimozione di una parte di strato, definita per mezzo di una maschera: il risultato, ottenuto con meccanismi di tipo fisico o chimico, è il trasferimento di una figura nello strato. La fedeltà nel trasferimento della figura viene quantificata da due parametri: SOVRATTACCO TOLLERANZA

SOVRATTACCO Fotoresist SiO2 Silicio

ATTACCO ISOTROPO ANISOTROPO MASK MASK FILM FILM SUB. SUB.

Attacchi chimici selettivi Attacchi in umido (wet etch) - Attacchi isotropici selettivi: per Si, SiO2, Nitruro, Alluminio - Attacchi preferenziali per Si: NaOH, KOH (agiscono di preferenza su un piano cristallino) Attacchi a secco (Dry etch) Sono attacchi selettivi in camere di reazione dipendono dal tipo di gas utilizzato - attacchi in plasma (plasma etching) meno preferenziali - attacchi con ioni reattivi (RIE etching) fortemente preferenziali

Dry Etching Plasma etching Purely chemical etching Isotropic Photoresist striping (ashing) Reactive Ion Etching Chemical+Physical etching Anisotropic

Inserimento di atomi droganti nel Si Drogaggio 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 Portatori B III P lacune P V N elettroni As V N elettroni Tecnologie principali: predeposizione + diffusione impiantazione ionica + ricristall. + diffusione

Drogaggio per diffusione x concentrazione erfc(x) ln(x) P-Si

Predeposizione + diffusione erfc Predeposizione Ln(C) Diffusione t1 Diffusione t2>t1 Diffusione t3>t2 Gaussiana x

Limiti del drogaggio per diffusione Diffusione laterale Molto sensibile alla superficie Il picco di concentraz. è sempre in superficie

Ion Implantation Rp semiconductor Ion trajectory & Projected range Multiple collision vs Channeling

Ion Implanter

Ion Range

Drogaggio per impiantazione 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 è necessario: impiantazione ionica ricristallizzazione diffusione

Drogaggio per impiantazione Piccola diffusione laterale

Impiantazione + annealing La fase di annealing (necessaria) fa perdere il vantaggio del picco di concentrazione lontano dalla superficie. As implanted Ln(C) RTA Annealing stdandard RTA (rapid thermal annealing) Alte temperature (1000 °C) per tempi brevi (10 sec) è una soluzione x

Metallizzazioni e contatti Evaporazione sottovuoto di metalli (Al) per riscaldamento in crogiuolo crogiuolo catodo Sputtering di metalli (W, Al emesso dal catodo per bombardamento di ioni Ar Ar Ar