Storia e tecnologia del Silicio Lera dellelettronica Corso di formazione di Scienza dei Materiali

Breve storia del Silicio Il nome silicio deriva dal latino silex, selceIl nome silicio deriva dal latino silex, selce Il silicio è il secondo elemento più diffuso, dopo lossigeno, sulla crosta terrestre (25%)Il silicio è il secondo elemento più diffuso, dopo lossigeno, sulla crosta terrestre (25%) Il silicio fu isolato per la prima volta nel 1824 dal chimico svedese Berzelius, che aveva proseguito il lavoro del grande chimico francese Lavoisier il quale, avendo studiato il quarzo, affermò che questo era composto da un elemento molto comune.Il silicio fu isolato per la prima volta nel 1824 dal chimico svedese Berzelius, che aveva proseguito il lavoro del grande chimico francese Lavoisier il quale, avendo studiato il quarzo, affermò che questo era composto da un elemento molto comune. Il silicio non ha trovato alcun utilizzo fino alla fine del secolo scorso quando venne scoperto che, se unito al ferro, sviluppava proprietà magnetiche. Utilizzo prevalente per elettromagneti e trasformatoriIl silicio non ha trovato alcun utilizzo fino alla fine del secolo scorso quando venne scoperto che, se unito al ferro, sviluppava proprietà magnetiche. Utilizzo prevalente per elettromagneti e trasformatori Inizio della produzione industriale agli inizi del secolo in una forma ragionevolmente pura (circa 98%)Inizio della produzione industriale agli inizi del secolo in una forma ragionevolmente pura (circa 98%)

Semiconduttori classiciSemiconduttori classici Semiconduttori compositi III-VSemiconduttori compositi III-V Droganti di tipo p per il SilicioDroganti di tipo p per il Silicio Droganti di tipo n per il SilicioDroganti di tipo n per il Silicio B C Al Si Ga In Ge N Sn As Sb P IIIA IVA VA Proprietà chimiche

Struttura cubica a facce centrate FCC (diamante)Struttura cubica a facce centrate FCC (diamante) Numero atomico 14Numero atomico 14 Massa atomica Massa atomica Densità 2.33 g/cm 3Densità 2.33 g/cm 3 Temperatura di fusione 1414 °CTemperatura di fusione 1414 °C Gap tra Banda di conduzione e di valenza: 1.12 eV (Tamb)Gap tra Banda di conduzione e di valenza: 1.12 eV (Tamb) Proprietà chimiche Proprietà semiconduttive Due reticoli cubici a facce centrate compenetrati e traslati

Conduzione elettrica nei materiali Banda di valenza, E V Banda di conduzione, E C Banda proibita, EG Semiconduttore Banda di valenza, E V Banda di conduzione, E C Metallo IsolantiIsolanti Banda di conduzione e di valenza separate da una banda proibita troppo elevata improbabile la conduzione elettricaBanda di conduzione e di valenza separate da una banda proibita troppo elevata improbabile la conduzione elettrica Banda di valenza, E V Banda di conduzione, E C Banda proibita, EG Isolante Energia SemiconduttoriSemiconduttori Banda di conduzione e di valenza separate da unenergia di gap (stati energeticamente non permessi)Banda di conduzione e di valenza separate da unenergia di gap (stati energeticamente non permessi) La banda proibita è piccola e può essere superata tramite lassistenza della temperaturaLa banda proibita è piccola e può essere superata tramite lassistenza della temperatura Conducibilità elettrica crescente con la temperaturaConducibilità elettrica crescente con la temperatura Banda di conduzione e di valenza sovrapposte nube di elettroni liberiBanda di conduzione e di valenza sovrapposte nube di elettroni liberi Conducibilità elettrica decrescente con la temperatura (scattering fra elettroni)Conducibilità elettrica decrescente con la temperatura (scattering fra elettroni) MetalliMetalli

Impurità droganti Silicio intrinseco (puro) Silicio estrinseco n Silicio estrinseco p Il silicio (4 elettroni di valenza) presenta una struttura tetraedrica in cui ogni atomo è legato ad altri 4 atomiIl silicio (4 elettroni di valenza) presenta una struttura tetraedrica in cui ogni atomo è legato ad altri 4 atomi Gli elettroni presenti sono solo quelli di legame, non liberi di poter condurre corrente elettrica Lintroduzione di un atomo con valenza superiore a quella del silicio (5 elettroni) causa un aumento degli elettroni liberi per la conduzioneLintroduzione di un atomo con valenza superiore a quella del silicio (5 elettroni) causa un aumento degli elettroni liberi per la conduzione Silicio estrinseco di tipo n (conduzione di carica negativa) Lintroduzione di un atomo con valenza inferiore (3 elettroni) a quella del silicio causa un aumento delle mancanze di elettroni di legame (lacune)Lintroduzione di un atomo con valenza inferiore (3 elettroni) a quella del silicio causa un aumento delle mancanze di elettroni di legame (lacune) Silicio estrinseco di tipo p (conduzione di carica positiva)

Impurità droganti Silicio estrinseco n Silicio estrinseco p Limite superiore di concentrazione di drogante: limite di solubilità del drogante nel silicioLimite superiore di concentrazione di drogante: limite di solubilità del drogante nel silicio Limite inferiore: impossibilità tecnologica di disporre di un materiale del tutto privo di impurità (<1 parte per miliardo)Limite inferiore: impossibilità tecnologica di disporre di un materiale del tutto privo di impurità (<1 parte per miliardo) Le basi dellelettronica si fondano sulla possibilità di introdurre in modo controllato questi due tipi di impurità in modo da modificare la conducibilità elettrica ed il tipo di conduzione del materiale semiconduttore Sono impurità droganti elettricamente attive solo quelle impurità sostituzionali ad atomi di silicio e non in posizione interstiziale Lintroduzione di questo tipo di impurità (drogaggio) provoca un aumento della conducibilità del semiconduttore Perturbazione Perturbazione

Sviluppo dellelettronica moderna n n pEmettitoreBase Collettore Rivoluzione del XX secolo: scoperta del transistor nel 1948 ad opera di Schockley, Bardeen e BrattainRivoluzione del XX secolo: scoperta del transistor nel 1948 ad opera di Schockley, Bardeen e Brattain Da TRANSfer reSISTOR, dispositivo a trasferimento di resistenzaDa TRANSfer reSISTOR, dispositivo a trasferimento di resistenza Dispositivo a 3 terminali (base, emettitore, collettore) formato dalla combinazione n-p-n o p-n-p di materiale semiconduttoreDispositivo a 3 terminali (base, emettitore, collettore) formato dalla combinazione n-p-n o p-n-p di materiale semiconduttore Leffetto transistor consiste nelliniezione modulata di portatori dallemettitore al collettore (elettroni nel transistor npn e lacune nel pnp)Leffetto transistor consiste nelliniezione modulata di portatori dallemettitore al collettore (elettroni nel transistor npn e lacune nel pnp) Emettitore Collettore Base Substrato di germanio

Importanza dellelettronica dello stato solido Tempo di vita, dimensioni, integrazione, frequenza di lavoro i vantaggi nei confronti delle valvoleTempo di vita, dimensioni, integrazione, frequenza di lavoro i vantaggi nei confronti delle valvole Transistor 1001 Amplificazione Inverter logico Funzioni fondamentali del transistor:Funzioni fondamentali del transistor: Amplificazione di correnteAmplificazione di corrente Inverter logico Elettronica digitaleInverter logico Elettronica digitale

Stato dellarte dei Circuiti Integrati: microprocessori Intel 4004 (1971) 108 kHz108 kHz Transistors: 2300Transistors: 2300 Tecnologia: 10 mTecnologia: 10 m Intel 8086 (1979) 10 MHz10 MHz Transistors: 29000Transistors: Tecnologia: 3 mTecnologia: 3 m Intel (1982) 12 MHz12 MHz Transistors: Transistors: Tecnologia: 1.5 mTecnologia: 1.5 m Intel (1985) 33 MHz33 MHz Transistors: Transistors: Tecnologia: 1.0 mTecnologia: 1.0 m Nel 1959 nasce il circuito integrato dallidea di realizzare tutti i componenti di un circuito elettronico su uno stesso substrato composto da un unico materiale semiconduttoreNel 1959 nasce il circuito integrato dallidea di realizzare tutti i componenti di un circuito elettronico su uno stesso substrato composto da un unico materiale semiconduttore

Intel (1989) 50 MHz50 MHz Transistors: 1.2 milioniTransistors: 1.2 milioni Tecnologia: 1.0 mTecnologia: 1.0 m Intel Pentium (1993) 200 MHz200 MHz Transistors: 3.1 milioniTransistors: 3.1 milioni Tecnologia: 0.35 mTecnologia: 0.35 m Intel Pentium Pro (1995) 266 MHz266 MHz Transistors: 5.5 milioniTransistors: 5.5 milioni Tecnologia: 0.35 mTecnologia: 0.35 m Microprocessori Oggi Intel Pentium IV (2002) 3060 MHz3060 MHz 55 milioni transistors55 milioni transistors Tecnologia: 0.13 mTecnologia: 0.13 m AMD Athlon XP (2002) 2167 MHz2167 MHz 54.3 milioni transistors54.3 milioni transistors Tecnologia: 0.13 mTecnologia: 0.13 m

Integrazione elettronica: leggi di Moore (1965) Pentium Pentium IV Il miglioramento tecnologico elettronico è dovuto ad un aumento esponenziale dellintegrazioneIl miglioramento tecnologico elettronico è dovuto ad un aumento esponenziale dellintegrazione Il numero di transistor in un chip e la sua frequenza massima di funzionamento raddoppiano ogni circa 2 anni (attualmente 55 milioni e 3.06 GHz)Il numero di transistor in un chip e la sua frequenza massima di funzionamento raddoppiano ogni circa 2 anni (attualmente 55 milioni e 3.06 GHz) La dimensione della regione attiva di un transistor in un circuito integrato diminuisce del 30% ogni 3 anniLa dimensione della regione attiva di un transistor in un circuito integrato diminuisce del 30% ogni 3 anni LSI VLSI ULSI LSI: Large Scale IntegrationLSI: Large Scale Integration VLSI: Very Large Scale IntegrationVLSI: Very Large Scale Integration ULSI: Ultra Large Scale IntegrationULSI: Ultra Large Scale Integration

Vantaggi della tecnologia del silicio La tecnologia del silicio è divenuta la tecnologia dominante per lelettronica a causa di: Disponibilità praticamente illimitata del materialeDisponibilità praticamente illimitata del materiale Relativa facilità di realizzazione di cristalli con bassa densità di difettiRelativa facilità di realizzazione di cristalli con bassa densità di difetti Buone proprietà ottiche ed elettriche che lo rendono adatto alla realizzazione di un amplissimo set di dispositiviBuone proprietà ottiche ed elettriche che lo rendono adatto alla realizzazione di un amplissimo set di dispositivi Un ossido SiO 2 (banda proibita pari a 8 eV) dalle eccellenti proprietà:Un ossido SiO 2 (banda proibita pari a 8 eV) dalle eccellenti proprietà: Ottimo isolante elettricoOttimo isolante elettrico Ottimo passivante nei confronti del silicioOttimo passivante nei confronti del silicio Barriera contro le impuritàBarriera contro le impurità Processi di realizzazione ad elevata controllabilitàProcessi di realizzazione ad elevata controllabilità

Tecnologia di purificazione Processo di purificazione (Siemens 1951) Si grado elettronico policristallino Si grado elettronico monocristallino SiO 2 (quarzite) Policristallino Monocristallino Fetta di Si monocristallino Macinatura Tornitura e taglio Lappatura e lucidatura Czochralski Fetta di silicio (wafer)

Processo Czochralski Introdotto dalla Texas Instruments nel 1952, permette la realizzazione di un monocristallo di silicio (1 impurità su 1 miliardo di atomi) da silicio policristallino di grado elettronicoIntrodotto dalla Texas Instruments nel 1952, permette la realizzazione di un monocristallo di silicio (1 impurità su 1 miliardo di atomi) da silicio policristallino di grado elettronico

Fusione del policristallo nel crogiolo realizzato in grafite rivestita in quarzo SiO 2 Aggiunta di drogante: Boro (p-Si); Fosforo o Arsenico (n-Si) Accrescimento controllato del seme preorientato Barra di monocristallo di 6-12 pollici (15-30 cm) di diametro e circa 100cm di lunghezza Processo Czochralski Temperatura di fusione Si 1414 °CTemperatura di fusione Si 1414 °C Controllo del gradiente di temperatura lungo il fusoControllo del gradiente di temperatura lungo il fuso Processo in atmosfera di gas inerteProcesso in atmosfera di gas inerte Crogiolo realizzato con elementi elettricamente inattivi nel silicioCrogiolo realizzato con elementi elettricamente inattivi nel silicio Elevato controllo della rotazione e della trazione del lingottoElevato controllo della rotazione e della trazione del lingotto

Processo Czochralski Seme cristallino Monocristallo Crogiolo in quarzo Camera Schermo termico Riscaldatore Crogiolo in grafite Supporto Basamento Elettrodo Reattore in dettaglio Parametri fondamentali di processo Velocità di rotazioneVelocità di rotazione Velocità di trazioneVelocità di trazione Controllo della temperaturaControllo della temperatura

Processi meccanici Decappaggio delle estremità Rettificazione del lingotto Taglio del lingotto tramite seghe circolari o a filo in dischi (wafers) dello spessore di m Lappatura meccanica di una faccia Lucidatura per via chimica (soda caustica) di una faccia Controllo dellorientazione cristallografica tramite diffrazione da raggi X

Tecnologia planare FotolitografiaFotolitografia Esposizione + rimozione selettivaEsposizione + rimozione selettiva Ossidazione termica Crescita epitassiale Impiantazione ionica Diffusione termica Metallizzazione Progetto CAD Maschere di produzione wafer Testing su wafer Packaging Testing su chip La tecnologia elettronica odierna si fonda su una metodologia di tipo planare Realizzazione dei dispositivi su ununica faccia del wafer

Fotolitografia Tecnica per la realizzazione di microstrutture sul substrato semiconduttore attraverso maschereTecnica per la realizzazione di microstrutture sul substrato semiconduttore attraverso maschere Con lapplicazione in sequenza con maschere tra loro allineate si realizza il Circuito IntegratoCon lapplicazione in sequenza con maschere tra loro allineate si realizza il Circuito Integrato La risoluzione dellottica nel processo di fotolitografia è il processo limitante della dimensione minima dei dispositivi (attualmente la tecnologia si attesta su 0.13 m)La risoluzione dellottica nel processo di fotolitografia è il processo limitante della dimensione minima dei dispositivi (attualmente la tecnologia si attesta su 0.13 m) 1.Deposizione resist chimicamente fotosensibile (PMMA) 2.Esposizione del fotoresist attraverso la maschera a luce UV (153 nm) 3.Sviluppo del resist esposto 4.Attacco chimico selettivo

Fotolitografia: esposizione UV Tre tecniche di esposizione:Tre tecniche di esposizione: Esposizione per contatto (danneggiamento maschere)Esposizione per contatto (danneggiamento maschere) Esposizione per prossimità (ingrandimento 1:1 del circuito)Esposizione per prossimità (ingrandimento 1:1 del circuito) Esposizione attraverso stepper (ottica di esposizione)Esposizione attraverso stepper (ottica di esposizione) Fotoresist Quarzo Cromo Ossido di silicio Wafer di silicio Radiazione UV Esposizione per prossimità Esposizione attraverso stepper Radiazione UV Maschera N:1 Ottica Wafer con resist Immagine

Crescita epitassiale N2N2N2N2 H2H2H2H2 HCl SiCl 4 +H 2 Drogante+H 2 Bobine a radiofrequenza Wafer di silicio Dal greco epi (sopra) + taxis (struttura ordinata)Dal greco epi (sopra) + taxis (struttura ordinata) Crescita di un semiconduttore monocristallino (intrinseco o drogato) su di un substrato semiconduttoreCrescita di un semiconduttore monocristallino (intrinseco o drogato) su di un substrato semiconduttore Omoepitassia Eteroepitassia Omoepitassia Eteroepitassia (stesso semiconduttore) (semiconduttore differente) Epitassia da fase vapore (VPE) Epitassia da fase liquida (LPE) Epitassia da fasci molecolari (MBE)

Tecniche di drogaggio: impiantazione ionica Fascio di atomi droganti impiantati ad alta energia nel wafer di silicioFascio di atomi droganti impiantati ad alta energia nel wafer di silicio Controllo accurato della dose impiantataControllo accurato della dose impiantata Parametri fondamentali:Parametri fondamentali: Energia di accelerazione (dipendenza crescente della profondità)Energia di accelerazione (dipendenza crescente della profondità) Massa dello ione incidente (dipendenza decrescente della profondità)Massa dello ione incidente (dipendenza decrescente della profondità) Massa dellatomo bersaglioMassa dellatomo bersaglio Acceleratore (5-200 keV) Spettrometro di massa Fascio di ioni Deflessione orizzontale e verticale Wafer di Si Misura della corrente (ioni impiantati/sec) Sorgente di ioni Penetrazione media Varianza di profondità Varianza laterale Silicio Vuoto ione Energia (eV)

Metallizzazione Processo necessario per la connessione elettrica di tutti i dispositivi presenti nel circuito integratoProcesso necessario per la connessione elettrica di tutti i dispositivi presenti nel circuito integrato Metallizzazione si realizza tramite le tecniche di deposizione:Metallizzazione si realizza tramite le tecniche di deposizione: Evaporazione termica processo termico basato sullevaporazione del metallo se portato alla temperatura di fusioneEvaporazione termica processo termico basato sullevaporazione del metallo se portato alla temperatura di fusione Sputtering tecnica a bassa temperatura basata sul bombardamento di un bersaglio metallico al fine di estrarre da questo gruppi di atomi (clusters) che, successivamente, si depositano sul substratoSputtering tecnica a bassa temperatura basata sul bombardamento di un bersaglio metallico al fine di estrarre da questo gruppi di atomi (clusters) che, successivamente, si depositano sul substrato Deposizione di materiali amorfi (non interessa la struttura cristallina, ma la continuità elettrica)Deposizione di materiali amorfi (non interessa la struttura cristallina, ma la continuità elettrica) Per anni utilizzato lalluminio, recentemente il ramePer anni utilizzato lalluminio, recentemente il rame elevata conducibilità termica

Realizzazione di un transistor Substrato p Silicio n Crescita epitassiale n Substrato p Silicio n SiO 2 Resist pp Substrato p n pp p n pp p n+n+n+n+ n pp pEBCMetallo Drogaggio: diffusione p per pozzetti di isolamento Drogaggio: impiantazione p per base del transistor Drogaggio: impiantazione n + per emettitore e collettore Metallizzazione

Testing e Packaging Substrato a fine processo Collaudo automatico Identificazione chip difettosi Metallizzazioni esterne (bonding) e packaging Taglio del substrato nei singoli chip (laser) Chiusura del package

Banda di valenza Banda di conduzione Bandaproibita Applicazioni: celle fotovoltaiche Monocristallino: rendimento 18-23%, costo 100 /kgMonocristallino: rendimento 18-23%, costo 100 /kg Policristallino: rendimento 12-14%, vita media anni, costo 10 /kgPolicristallino: rendimento 12-14%, vita media anni, costo 10 /kg Amorfo: rendimento 7%, vita media 10 anni, costo minimoAmorfo: rendimento 7%, vita media 10 anni, costo minimo Silicio policristallino Differenza di potenziale Silicio policristallino Strato antiriflesso Giappone, USA, Germania non solo incentivano linstallazione degli impianti, ma comprano lenergia ad un prezzo superiore a quello di mercato Conversione da energia elettromagnetica ad energia elettricaConversione da energia elettromagnetica ad energia elettrica Contribuisce alla conduzione solo la radiazione con energia superiore alla banda proibitaContribuisce alla conduzione solo la radiazione con energia superiore alla banda proibita LacunaElettrone