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
– Materiale nanostrutturato
random
– Materiale microstutturato
ordinato
50
5%HF_ n-type <100> 2.4-4 cm
40
2
J (mA/cm )
• La dissoluzione del silicio è
attivata dalle lacune
• La morfologia dello strato
risultante dipende dai
parametri di attacco:
JPS
30
20
10
VPS
0
0
1
2
3
4
5
V (volt)
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
Spirali circolari
Punte
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
Anodo
– 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
r
Matrici di nanopunte - 1
• Processo di fabbricazione
– Silicio n, 100, 2.4-4 ·cm s
S’
– Ossidazione termica
– Definizione geometria
– Attacco in KOH
– Attacco elettrochimico in
H2O/HF
HF
Matricidi nanopunte - 2
• Processo di fabbricazione
– Ossidazione
10 nmtermica
(ossido di isolamento)
– Evaporazione elettrodo di
estrazione (cromo)
– Lift-off delle nanopunte in
silicio
• Processo
autoallineato ad una
maschera
Simulazioni nanopunte
• ISE-TCAD
– Nanopunta
• Silicio cristallino di tipo n
• Raggio curvatura: 10nm
-20
– Isolamento
– Elettrodo di estrazione
• Metallo
– Corrente di emissione
• 0.5 μA per punta@200V
• 0.75 A/cm2@200V
-40
2
ln( I / V )
• Ossido di silicio
r = 0.4 µm
r = 0.6 µm
r = 0.8 µm
r = 1.0 µm
-30
-50
-60
-70
-80
-90
5
10
15
20
1000 / V
25
30
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
PS
Drain
Source
Drain
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
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)
• 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
Electronics
Sensor
Interfaccia integrata di pilotaggiolettura
APSFET
2.4
1000
2.2
800
1
NO2 (ppb)
600
1.8
VOUT-VREF (V)
Vout (V)
2.0
1.6
400
1.4
200
1.2
1.0
0
0
0,1
15
30
45
60
75
Time (minutes)
On-chip elements
400
600
90
105
120
R2=0.9986
800
1000
NO2 (ppb)
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
Vout_transres
Vtemp
3,5
1000
3,0
Vout_transres
2,0
0,5
Vtsh
0,0
Voltage (volt)
1,5
1,0
Trigger Trsh
800
Vout_trigger
3,5
0
NO2 (ppb)
Voltage (volt)
2,5
3,0
600
2,5
400
2,0
200
1,5
Vtsh
0
1,0
15
30
45
60
TIme (minutes)
0,5
0,0
On-chip elements
0
15
30
45
TIme (minutes)
Vtsh=1.2 V corrisponde a [NO2]=100 ppb
60
Ringraziamenti
Grazie
Si ringrazia STMicroelectronics stabilimento di
Cornaredo (Milano)-Italia