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
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La tecnologia Planare
Diodo
P
(anodo)
N
(catodo)
N
P
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La tecnologia Planare
npn BJT
N+
P
N(emettitore)
(base)(collettore)
B
p
E
C
n+
n+
nn+
Si-p
bulk
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Transistore MOS
G
S
D
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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)
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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.
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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
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Local Oxidation Of Silicon (LOCOS)
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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
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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”
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Dobbiamo essere in grado di aprire delle
“finestre” per introdurre droganti in modo selettivo
SiO2
Si- N
Si- Bulk
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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
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FOTOLITOGRAFIA
Esposizione a luce UV
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Fotoresist positivo e negativo
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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
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SOVRATTACCO
Fotoresist
SiO2
Silicio
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ATTACCO
ISOTROPO
ANISOTROPO
MASK
MASK
FILM
FILM
SUB.
SUB.
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Attacchi chimici selettivi
a) 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)
a) 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
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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
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Drogaggio per diffusione
concentrazione
ln(x)
x
P-Si
erfc(x)
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Predeposizione + diffusione
Ln(C)
Predeposizione
erfc
Diffusione t1
Diffusione t2>t1
Diffusione t3>t
Gaussiana
x
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Limiti del drogaggio per diffusione
 Diffusione
laterale
Molto sensibile alla superficie
Il picco di concentraz. è sempre in superficie
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Ion Implantation
Rp
semiconductor
Ion trajectory &
Projected range
Multiple collision vs Channelin
Ion Implanter
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Ion Range
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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
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Drogaggio per impiantazione
Piccola diffusione laterale
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Impiantazione + annealing
La fase di annealing
(necessaria)
fa perdere il
vantaggio
del picco di
concentrazione
lontano dalla
superficie.
Ln(C)
As implanted
RTA
Annealing
stdandard
RTA (rapid
thermal
annealing)
Alte temperature
(1000 °C)
per tempi brevi
(10 sec) è
una soluzione
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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