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

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

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 di portatori intrinseci ni @300K: 2.41013 1.451010 [cm-3] @400K: 1015 7.51012 [cm-3] Campo elettrico critico 810 3105 [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

wafer di silicio con uno strato di ossido termico in superficie SiO2 Si

SiO2 selettivamente rimosso SiO2 Si

deposizione di drogante SiO2 Si

atomi droganti depositati sulle superfici esposte SiO2 Si

Durante un trattamento termico gli atomi droganti diffondono nel Si ma non apprezzabilmente nell’ossido SiO2 Si

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 51022 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:

segregate nella zona fusa Adatto per silicio ultrapuro 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’ossigeno presente con Czochralski

Dopo taglio Dopo arrotondamento del 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 trasportati sulla 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 temperatura secondo la legge di Arrhenius v  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 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.

F(1) = flusso della corrente gassosa alla superficie F(2) = diffusione delle specie ossidanti attraverso SiO2 F(3) = velocita’ di reazione all’interfaccia SiO2/Si C0 = concentrazione delle specie ossidanti alla superficie C1 = 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 Ossidazione termica Trasferimento dalla fase gassosa all’SiO2 F(1) = h(C* - C0) 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

Diffusione attraverso l’SiO2 gia’ formato 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

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 secco Nox = 4.4  1022 cm-3 per H2O Velocita’ di crescita dell’ossido:

 e’ lo shift temporale legato al fatto che a 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

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

Dry Wet Spessore dell’ossido : Si (111)