G. Barillaro, P. Bruschi, A. Diligenti, F. Pieri Tecnologie Microelettroniche e Microsistemi Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione Università di Pisa (I) Il silicio poroso: un materiale nanostrutturato per la fabbricazione di nuovi dispositivi a stato solido

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 La dissoluzione del silicio è attivata dalle lacune La morfologia dello strato risultante dipende dai parametri di attacco: Materiale nanostrutturato random Materiale microstutturato ordinato Caratteristica densità di corrente-tensione

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 Macropori Micropiani Spirali quadrate

Microstrutture fabbricate - 2 Tubi Colonne Punte Spirali circolari Strutture 3D

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(-b3/2/V)  funzione lavoro del metallo Lastra metallica: Eplate= V/d Punta metallica: Etip= V/5rtip per rtip 100 Å Anodo Gate d Anodo r

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 s S’ HF

Matricidi nanopunte - 2 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

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 Drain Source 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 Source Drain

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) Electronics Sensor 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

Interfaccia integrata di pilotaggio-lettura APSFET R2=0.9986 On-chip elements Dipendenza esponenziale: Vout-VREF=a●exp(b●[NO2]) [NO2]=100 ppb corrisponde a VOUT=1.2 V

Circuito di allarme On-Chip per il rilevamento di NO2 Vtsh On-chip elements Vtsh=1.2 V corrisponde a [NO2]=100 ppb

Grazie Ringraziamenti Si ringrazia STMicroelectronics stabilimento di Cornaredo (Milano)-Italia Grazie