Anteprima Estratta dall' Appunto di
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Università : Università degli studi Firenze
Facoltà : Ingegneria
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L' Appunto
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Capitolo
1
Tecnologie di Integrazione
om
1.1 Tecnologie di integrazione
Prima di analizzare gli step fondamentali di un processo di fabbricazione di un circuito integrato facciamo una
e.c
panoramica delle tecnologie da quelle più vecchie a quelle più recenti.
rib
- Tecnologia bipolare
AB
- Tecnologia NMOS
Ct
Risale agli anni 60 ed aveva come componenti base transistori di tipo npn e pnp ed inoltre resistenze e condensatori.
I dispositivi fondamentali erano: transistor NMOS, insieme a resistenze e condensatori di bassa qualità.
- Tecnologia CMOS
Questa tecnologia permette di implementare: transistor NMOS e PMOS ed inoltre resistenze e condensatori di
discreta qualità. In molte c'é anche la possibilità di realizzare diodi e transistor npn o pnp, essi sono però di bassa qualità
e quindi da considerare come elementi parassiti.
- Tecnologia Bi-CMOS
Ci permette di realizzare transistor CMOS, npn di ottima qualità, pnp di buona qualità ed infine resistenze e
condensatori.
Le tecnologie finora prese in considerazione, sono state create per coprire vaste aree di utilizzazione: dai circuiti
logici ( microprocessori, memorie RAM e ROM ) ai circuiti analogici.
- Tecnologie Smart Power
Sono nate per coprire un certo settore di applicazione, che all'inizio era quello dell'automobile e che adesso si sta
espandendo a livello di controllo motori, convertitori AC-DC e DC-AC, ecc.
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Questa tcnologie permettono la realizzazione di circuiti che dissipano elevate potenze, dell'ordine di diverse
centinaia di Watt, e nello stesso tempo sono in grado di implementare complesse funzioni di controllo e, piu' in
generale, di processamento di segnale similmente ad una tecnologia di tipo VLSI.
- Tecnologia GaAs
A differenza di tutte le precedenti, che utilizzano come substrato silicio, questa tecnologia usa arseniuro di gallio.
Pur non coprendo come le precedenti vaste aree di applicazioni, si presta bene pre realizzare circuiti ad elevate
frequenze ( microonde ). I dispositivi realizzati sono i transistor MESFET.
Le tecnologie più utilizzate sono le Bi-CMOS e la CMOS, in quanto permettono di realizzare diversi dispositivi
anche se la prima attualmente non è ancora molto diffusa a causa dell'elevato costo.
1.2 Tecnologia planare di fabbricazione dei circuiti integrati su silicio
om
Un circuito integrato viene fabbricato su un substrato, costituito da una fetta di silicio monocristallino
opportunamente drogato, con una sequenza di passi tcnologici elementari che, nel suo insieme, prende il nome di
e.c
PROCESSO DI FABBRICAZIONE. Tutte le tecnologie viste prima, tranne la tecnologia GaAs, utilizzano la
TECNOLOGIA PLANARE. Gli step elementari utilizzati in tecnologia planare si possono distinguere in tre categorie.
rib
Ad una categoria appartengono i processi il cui scopo è creare sulla superficie della fetta un nuovo strato di
Ct
materiale, o alterare le caratteristiche dello strato superficiale già esistente ( vedi ossidazione termica, deposizione,
crescita epitassiale, diffusione termica ed impiantazione ionica ).
AB
All'altra categoria appartengono i processi il cui scopo è rendere selettiva l'azione dei processi della categoria
precedente ( vedi mascheratura ed attacco ).
Infine all'ultima categoria appartengono i processi che vengono effettuati durante la lavorazione delle fette e che
hanno lo scopo di migliorare le caratteristiche fisiche ed elettriche dei dispositivi realizzati ( vedi anneling e getting ).
In un processo di fabbricazione gli step delle categorie viste vengono eseguiti in una opportuna successione
temporale in modo che al disopra del substrato si trovino
sovrapposti strati di materiali semi-conduttori, isolanti e
conduttori con una opportuna geometria; l'insieme di
questi strati dà origine ai componenti attivi, passivi e alle
interconnessioni che nel loro insieme costituiscono i
circuiti integrati.
Il vantaggio fondamentale della tecnologia planare
consiste nel fatto che ciascuno step elementare viene
eseguito su tutta una fetta, per cui nello stesso tempo
necessario alla realizzazione di un circuito, ne vengono
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realizzati un elevato numero, con una forte riduzione del costo di fabbricazione per unità di prodotto.
Così a fine lavorazione su una fetta vengono ottenuti numerosi CHIP tra loro identici, disposti su righe e colonne,
che verranno successivamente separati ed utilizzati individualmente ( Figura 1.1).
1.3 La fetta di silicio
Il materiale di partenza è costituito da fette ( WAFER ) di silicio monocristallino drogato con impurezze di tipo p (
tipicamente boro ) o di tipo n ( tipicamente fosforo ). I diametri delle fette sono di 4, 5 o 6 pollici ( 1 pollice = 2.54 cm )
, mentre lo spessore è di alcune centinaia di µ m. Per la produzione del wafer è necessario disporre di silicio purissimo,
di grado elettronico, il cui contenuto di contaminanti è inferiore ad una parte per miliardo.
1.4 Ossidazione termica
Questo step consiste nel far crescere sulla superficie della fetta uno strato di biossido di silicio ( SiO2 ).
L'ossidazione avviene in un reattore, che sostanzialmente è un forno che permette il flusso dei gas reagenti da
un'estremità all'altra (Figura 1.2 ). Il reattore ha le pareti in quarzo, in modo da ridurre la contaminazione delle fette, e
viene riscaldato ad alta temperatura. L'ossigeno necessario per la formazione dell'ossido è fornito dall'atmosfera di
AB
Ct
rib
e.c
om
reazione, mentre il silicio è fornito dalla superficie della fetta, che pertanto viene consumata, facendo spostare
l'interfaccia tra ossido e silicio verso l'interno della fetta ( Figura 1.3 ). Il gas ossidante può essere ossigeno o vapore
acqueo, per cui si avrà rispettivamente una OSSIDAZIONE SECCA o UMIDA con le due reazioni seguenti :
Si + O2 → SiO2
OSSIDAZIONE SECCA
Si +H2O → SiO2 + H2
OSSIDAZIONE UMIDA
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A parità di condizioni la velocità di crescita dell'ossido è maggiore nell'ossidazione umida che in quella secca, ed
inoltre cresce al crescere della temperatura di reazione, temperature tipiche vanno da 700
°C
a 1200
° C. In genere
per ottenere spessori di ossido con sufficiente precisione la temperatura viene controllata tramite microprocessori e
mantenuta entro ± 0.5 ° C .
1.4.1 IMPIEGHI DELL'OSSIDO DI SILICIO
Nei circuiti integrati l'ossido viene utilizzato: come isolante tra strati semiconduttori e/o conduttori, come dielettrico
om
di gate per transistor MOS, come maschera per la diffusione selettiva didi impurità droganti ed infine come strato
e.c
protettivo della superficie del monocristallo di silicio.
1.5 Diffusione termica
rib
La diffusione consiste nell'introduzione di quantità controllate di impurità droganti entro il reticolo cristallino della
regione superficiale della fetta, al fine di ottenere in questa una variazione di drogaggio. Le impurità possono essere sia
Ct
di tipo p ( boro ) che di tipo n ( arsenico, fosforo ). In genere la diffusione è resa selettiva mediante un'operazione di
AB
mascheratura, affinchè si abbiano delle regioni di tipo p o n con determinate geometrie ed in zone ben precise.
La diffusione avviene in reattori simili a quelli visti per l'ossidazione e consta di due fasi successive ed alta
temperatura: nella prima fase, detta PREDEPOSIZIONE, viene introdotta nella regione superficiale della fetta, con
penetrazione minima, una quantità prefissata di impurità ( la sorgente di drogante può essere solida, liquida o gassosa ),
mantre nella seconda fase, detta DRIVE-IN, le impurità prima introdotte vengono fatte diffondere all'interno della fetta,
in maniera da determinare la concentrazione desiderata di drogante (Figura. 1.4 ). In generale vengono usate
temperature comprese tra gli 800
° C ed i 1000 ° C. E' da notare inoltre che nel caso di diffusione di umpurità droganti
di tipo opposto e quelle presenti nel substrato, laprofondità di giunzione, e temperatura costante, aumenta all'aumentare
del tempo. E' da tenere presente che se la fetta viene sottoposta ad ulteriori step di lavorazione, dopo un'operazione di
diffusione, le impurità continueranno alterando così i profili di drogaggio e di questo se ne tiene conto in sede di
progettazione in modo che, alla fine del processo di fabbricazione i profili siano quelli desiderati. un altro elemento di
ciu bisogna tener conto è che durante la fase di drive-in la diffusione di impurità non viene solo verticalmente, ma anche
lateralmente, per cui in realtà, come si vede in Figura 1.4, la regione diffusa risulta essere maggiore di quella prefissata
mediante la mascheratura.
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