10_SENSORI CMOS_INTRO

Sensori CMOS
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Micron Products
5/19/2013
©2006 Micron Technology, Inc. All rights reserved.
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Micron Confidential
Applicazioni dei sensori d’immagine
Wireless/Mobile Markets
Digital Camera Markets
Commerical and
Industrial Markets
 Cellulari
 Consumer DSCs
 Appl. automobilistiche
 Palmari
 PC cameras
 Dispositivi medicali
 Apparecchi mobili
 Appl. ad alta velocita’
 Mercati emergenti
Sensori CMOS
•
I sensori CMOS sono dispositivi
“sensibili” alla luce, che la rivelano in
termini di segnale elettronico. Ancora
più correttamente possono essere
deiniti dei trasduttori optoelettronici, ovvero dei dispositivi che
“traducono” , ovvero “trasformano”
la luce (da cui la radice opto- ) in un
segnale elettronico.
Il CMOS imager e’ una tecnologia abbastanza recente ma che sta
diventando una valida alternativa a quella dei CCD (Charge Coupled
Devices), presente sul mercato da molti anni e quindi piu’ matura.
La principale differenza tra i due tipi di sensore di immagini e’ che i
CCD lavorano nel dominio della carica che, una volta collezionata nel
pixel, per essere letta viene spostata di pixel in pixel fino in uscita
dove solo allora sara’ trasformata in tensione (uscita analogica). Nei
CMOS imagers, invece, la conversione carica/tensione avviene subito
all’interno del pixel stesso e questa tensione e’ trasferita utilizzando
un bus di colonna, amplificata opportunamente e trasformata in
un’uscita digitale.
Tipi di sensore
Un sensore CCD è costituito di pixel arrangiati a formare una matrice X,Y di
righe e colonne. Ogni pixel è ricoperto da un film rosso, verde o blu, in modo
tale che ogni pixel cattura un particolare colore. Ogni pixel è a sua volta
costituito da un fotodiodo e da una regione adiacente di trasferimento della
carica, che è schermata dalla luce. Le regioni di trasferimento di carica che
sono tra loro adiacenti sono allineate in colonna per formare un registro di
trasferimento di carica verticale.
Il fotodiodo converte la luce (i fotoni) in carica elettrica (elettroni). Il numero
di elettroni raccolti è proporzionale all’intensità della luce. Tipicamente la luce
viene raccolta sull’intero sensore simultaneamente e quindi viene trasferita
nelle celle di trasferimento della carica adiacenti. Quindi la carica viene letta.
L’operazione di lettura viene effettuata una riga per volta ed il contenuto di
ciascun pixel viene trasferito dal registro di trasferimento di carica verticale ad
un registro di trasferimento di carica orizzontale separato dal primo. Il
contenuto di carica per una data riga viene quindi letto in serie e inviato ad
una sezione di amplificazione del segnale e di conversione da carica in
tensione. Quindi si passa alla riga successiva. Il processo viene ripetuto finchè
vengono lette tutte le righe e quindi viene realizzata un’immagine.
Schema tipico del sensore CCD
Il Pixel array è costituito solo da
pixel.
L’operazione di lettura viene
effettuata mediante un registro di
trasferimento di carica verticale.
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Micron Confidential
Schema tipico del sensore CMOS
A differenza dei sensori CCD, i sensori CMOS vengono realizzati attraverso un
processo CMOS standard e quindi può avvalersi delle infrastrutture a elevati
volumi dell’industria a semiconduttore, beneficiando dei progressi della
tecnologia dei semiconduttori, che si muove verso regole di design sempre più
piccole per raggiungere volumi sempre più elevati di produzione e risoluzioni
sempre maggiori.
L’architettura di un sensore CMOS è realizzata in maniera simile a quella di una
cella di memoria. Ogni pixel contiene un fotodiodo, che converte la luce in
elettroni, una sezione per effettuare la conversione da carica in tensione; un
transistor di reset ed uno di selezione; una sezione di amplificazione.
Sovrapposta all’intero pixel array vi è una griglia di interconnessioni metalliche
che applica i segnali di tempi e di lettura ed una interconnessione metallica di
segnale di uscita per ogni colonna.
Questa architettura consente di leggere i segnali di uscita provenienti dall’intero
array di pixel o da porzioni di array o da singoli pixel individualmente, con una
semplice tecnica di indirizzamento X,Y, impossibile da realizzare con il sensore
CCD.
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Micron Confidential
Schema tipico del sensore CMOS
Il Pixel array non è costituito solo dai
pixel.
Ogni pixel contiene da 3 a 4
transistor.
L’operazione di lettura viene
effettuata mediante una tecnica di
indirizzamento X,Y.
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Vantaggi del sensore CMOS
Il sensore CMOS offre una serie di vantaggi sulla tecnologia del sensore CCD.
-Integrazione: poichè i sensori CMOS vengono realizzati con gli stessi processi dei processori e delle memorie, i sensori CMOS
possono essere integrati con queste stesse componenti su di un singolo pezzo di silicio. In questo modo in un sistema SOC
(system on chip), si possono integrare sullo stesso chip vari blocchi di processamento di segnali e di immagini, come
amplificatori, ADC, circuiti per il processamento del colore e per la compressione dei dati, ne consente l’applicazioni in dispositivi
dalle dimensioni realmente molto ridotte. In contrapposizione il sensore CCD viene realizzato mediante un processo
specializzato e questa caratteristica limita la loro applicazione a sistemi discreti che a lungo raggio limiterà il tipo di sistemi
portatili in cui il CCD potrà essere integrato.
-Ridotto consumo di potenza: a causa dell’elevato numero di segnali di clock esterni necessari per la lettura, i CCD
producono un grande consumo di potenza. Ogni clock essenzialmente carica e scarica grandi capacitori nell’array del CCD. Al
contrario il sensore CMOS richiede solo un singolo input di tensione ed un solo segnale di clock, determinando un consumo di
potenza senz’altro inferiore(da 1/3 a 1/100 di quella del CCD).
-Indirizzamento dei pixel: il metodo di trasferimento di carica utilizzato per la lettura del CCD comporta che i singoli pixel
non possono essere letti individualmente. Al contrario il sensore CMOS presenta i pixel posizionati in una griglia x-y,
consentendone la lettura individuale. Questo permette al sensore CMOS di effettuare delle funzioni quali il “windowing”, in cui
solo una piccola porzione del sensore viene letta,
-Costi di produzione: il sensore CMOS può avvantaggiarsi dei miglioramenti di processo e delle riduzioni dei costi che si
verificano internamente all’industria dei semiconduttori, condividendone l’ambiente di produzione.




Capacità di integrazione
Ridotto consumo di potenza
Indirizzamento dei pixel
Costi di produzione
Elementi dei dispositivi
Di seguito sono rappresentati alcuni elementi fondamentali dei dispositivi:
a) Interfaccia metallo – semiconduttore: questo è stato il primo dispositivo a semiconduttore, che può essere utilizzato sia come
contatto rettificante, ovvero un dispositivo che consente il passaggio della corrente solo in un’unica direzione, o come contatto
ohmico, che può far passare corrente in entrambe le direzioni con una caduta di tensione trascuarbile.
b) Il secondo dispositivo è una giunzione p-n, che si forma tra una zona di Silicio drogata di tipo-p (con portatori di carica positivi)
ed una zona drogata tipo-n (con portatori di carica negativi). La giunzione p-n è uno dei dispositivi a semiconduttore più
importanti ed il suo funzionamento costituisce le basi della fisica a semiconduttore.
c) Il terzo dispositivo è una giunzione eterogenea, coiè un’interfaccia costituita da due diversi semiconduttori. Per esempio si può
usare l’Arseniuro di Gallio (GaAs) e l’Arseniuro di Alluminio (AlAs) per formare una eterogiunzione.
d) L’ultimo dispositivo è una struttura Metallo-Ossido-Semiconduttore (MOS). La struttura può essere considerata come una
combinazione di un’interfaccia metallo-ossido ed una ossido-semiconduttore. Usando una struttura MOS come gate e due
giunzioni p-n come Source e Drain possiamo formare un MOSFET.
(a) Metal-semiconductor interface;
(b) p-n junction;
(c) heterojunction interface;
(d) metal-oxide-semiconductor structure.
Giunzione p-n
In fig.(a) sono rappresentate due regioni di semiconduttore tipo-p e tipo-n uniformemente drogate e tenute separate. Si noti
come il livello di Fermi, EF, si trovi poco al di sopra della banda di valenza nel materiale drogato di tipo-p e poco al di sotto della
banda di conduzione nel materiale drogato di tipo-n. Mentre il materiale di tipo-p contiene un’elevata concentrazione di lacune e
pochi elettroni, l’opposto si verifica per il materiale di tipo-n.
Quando i semiconduttori di tipo-p e di tipo-n vengono congiunti l’uno all’altro, l’elevato gradiente di concentrazione dei portatori
alla giunzione genera la diffusione dei portatori. Di conseguenza si forma una distribuzione di carica positiva nel lato n ed una
distribuzione di carica negativa nel lato p. Questa regione di carica spaziale crea un campo elettrico che è diretto dalla carica
positiva verso la carica negativa. All’equilibrio termico, cioè in condizioni stazionarie ad una data temperatura ed in mancanza di
eccitazioni dall’esterno, per ogni tipo di portatore la corrente di diffusione dovuta al gradiente di concentrazione è uguale ed
opposta alla corrente di drift dovuta al campo elettrico e la corrente netta di lacune e di elettroni attraverso la giunzione risulta
nulla.
Il Fotodiodo p-i-n
• Un fotorilevatore è un dispositivo in
grado di convertire il segnale
luminoso in segnale elettrico.
• Il fotodiodo è un tipico dispositivo
fotorilevatore. Esso è costituito da
giunzione p-n polarizzata
inversamente. Quando un segnale
luminoso incide sul fotodiodo, la
regione di svuotamento serve per
separare la coppia di portatori
(elettrone-lacuna) fotogenerati ed
una corrente elettrica fluisce nel
circuito esterno.
Il Fotodiodo p-i-n
Un fotorilevatore è un dispositivo in grado di convertire il segnale luminoso in
segnale elettrico. Il funzionamento del fotorilevatore si basa su tre passi
fondamentali: 1) la produzione di portatori di carica ad opera della luce incidente;
2) il trasporto dei portatori e la loro moltiplicazione per effetto di un meccanismo di
guadagno di corrente e 3) l’interazione della corrente con un circuito esterno per
fornire il segnale di uscita.
Il fotodiodo è un tipico dispositivo fotorilevatore. Esso è costituito da giunzione p-n
polarizzata inversamente. Quando un segnale luminoso incide sul fotodiodo, la
regione di svuotamento serve per separare la coppia di portatori (elettrone-lacuna)
fotogenerati ed una corrente elettrica fluisce nel circuito esterno.
Il fotodiodo p-i-n è uno dei più comuni fotodiodi utilizzati, poichè lo spessore della
regione di svuotamento (lo strato intrinseco i) può essere adattato per ottimizzare
l’efficienza del sensore. In alto è mostrata la sezione di un fotodiodo p-i-n, che ha
uno strato antiriflettente sulla superficie dell’area sensibile per aumentare
l’efficienza di risposta.
In basso il funzionamento del fotodiodo: un fotone hν incidente all’interno della
zona di svuotamento può provocare l’eccitazione di un elettrone che può portarsi in
banda di conduzione, lasciando una lacuna in banda di valenza. Se ciò si verifica in
corrispondenza della zona di svuotamento, il campo di built-in ivi presente,
sottoponendole a forze di segno opposto, può separare le due cariche
generatesi: come rappresentato nella figura seguente, l’elettrone viene trascinato
nella regione n, la lacuna in quella p.
Diodo Metallo-Ossido-Semiconduttore
• Il diodo MOS è il cuore del MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect
Transistor) e può essere anche utilizzato come un capacitore di
immagazzinamento del dato e costituisce uno degli elementi principali del
dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD).
Vista prospettica e vista in sezione di un diodo metallo-ossido-semiconduttore (MOS), in cui d è lo spessore
dell’ossido e V è la tensione applicata all’elettrodo di metallo. Nelle applicazioni pratiche il diodo MOS è il cuore del
MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor), che rappresenta il dispositivo principale dei circuiti
integrati. Il diodo MOS può essere anche utilizzato come un capacitore di immagazzinamento del dato e costituisce
uno degli elementi principali del dispositivo ad accoppiamento di carica (CCD).
Funzionamento del CCD
L’elemento fondamentale del sensore CCD è il capacitore MOS (metal-oxidesemiconductor). Quando una tensione positiva viene applicata all’elettrodo di metallo, le
lacune vengono respinte dalla superficie di Silicio dove si viene a formare una regione di
svuotamento (figura di sinistra). Quindi le linee di flusso del campo elettrico si
propagano dall’elettrodo fino alla distribuzione di carica negativa degli ioni accettori nella
regione di svuotamento. Se in questa condizione degli elettroni vengono iniettati in
questa regione, essi vengono attratti all’interfaccia Si-SiO2 sottostante all’elettrodo.
Questo significa che si forma una buca di potenziale per gli elettroni all’interfaccia SiSiO2.
Si consideri ora un ‘interazione tra 2 capacitori MOS (figura di destra). Supponiamo che
la buca di potenziale del capacitore di sinistra immagazzini una carica elettrica, mentre
la buca di potenziale di quello di destra sia vuota. Se all’elettrodo di destra viene
applicata una tensione positiva (P3) uguale a quella applicata all’elettrodo di sinistra
(P2), le due buche di potenziale finiscono per fondersi l’una con l’altra e la carica
elettrica si ridistribuisce uniformemente tra le due. Quindi se si diminuisce la tensione
positiva applicata all’elettrodo di sinistra (P2), la carica elettrica si trasferisce
completamente nella buca di potenziale di sinistra. In questo modo abbiamo realizzato
un trasferimento di carica tra i due capacitori MOS.
Funzionamento del CCD
Single pixel
Il MOSFET
In figura è mostrata un’immagine prospettica di un transistore
ad effetto di campo costruito in tecnologia MOS (Metal-OxideSemiconductor Field Effect Transistor, MOSFET).
Si tratta di un dispositivo a 4 terminali e consiste di un substrato
di semiconduttore drogato tipo-p in cui sono state realizzate due
regioni di Source e Drain drogate di tipo n+. L’elettrodo di
metallo al centro è chiamato il gate ed è costituito generalmente
di polisilicio drogato o di una combinazione di strati metallici (W
e WSix) e di polisilicio drogato.
Il quarto terminale è un contatto di tipo ohmico sul substrato.
I parametri di base del dispositivo sono la lunghezza di canale, L,
che è la distanza tra le due giunzioni metallurgiche n+/p, la
larghezza di canale Z, lo spessore dell’ossido d, la profondità
della giunzione rj, ed il drogaggio del substrato NA.
Si noto che la parte centrale del dispositivo corrisponde al diodo
MOS.
Dall’inizio della sua produzione le dimensioni del MOSFET sono
state progressivamente diminuite, ma la scelta del Si come
substrato e dell’SiO2 accresciuto termicamente come ossido di
gate, rimangono la combinazione più importante del MOSFET.
Il MOSFET a canale N
Metal-Oxide-Semiconductor (MOS)
Terminale di Gate
Crea il campo elettrico
Field Effect Transistor (FET)
Meccanismo usato per controllare
il flusso della corrente attraverso il
dispositivo
Ossido di Gate
Isola il terminale di gate dal
substrato abilitando l’ “Effetto
di Campo”.
Terminali di Source/Drain
Drogati tipo-N
Substrato di Silicio
Drogato tipo-P
(chiamata P-Well)
– Tensione negativa
applicata al gate
Regioni di Funzionamento:
1) Accumulazione
-VG
I portatori di
maggioranza
(lacune in questo
caso) sono attratte
– Si crea un campo elettrico
attraverso l’ossido
nella regione sotto
al gate.
Accumulazione di
lacune
Non fluisce corrente
NON FLUISCE CORRENTE
Regioni di Funzionamento:
2) Svuotamento
+VG
• Tensione positiva
applicata al gate
• Lacune respinte dalla
superficie
I portatori di
maggioranza (lacune in
questo caso) sono
respinti dalla regione
sotto al gate.
Lacune respinte,
Elettroni attratti
Non fluisce corrente
finche`
Cminoritari= Cmaggioritari
dove
C=concentazione
I portatori di minoranza
(elettroni in questo
caso) sono attratti verso
NON FLUISCE CORRENTE DAL
SOURCE AL DRAIN
la regione sotto al gate.
•
Regioni di Funzionamento:
3) Inversione
Si aumenta la tensione
positiva applicata al gate
• Piu`lacune vengono
respinte
+VG
Piu`portatori di
maggioranza (lacune in
questo caso) sono respinti
dalla regione sotto al
gate.
Lacune respinte,
Elettroni attratti
Piu`portatori di
Fluisce corrente
poiche`
(elettroni in
Cminoritari>Cmaggioritari
minoranza
questo caso)
sono attratti
verso la
regione sotto
SI CREA UNA REGIONE DI INVERSIONE (CANALE) al gate.
Funzionamento del MOSFET
a)
Regione lineare. Polarizzazione
positiva del gate, si forma il canale di
inversione, il MOSFET è in
conduzione, la corrente di drain, ID, è
proporzionale alla tensione di drain,
VD.
b) Regione di strozzamento. La tensione
di drain aumenta fino a VDSat, a cui lo
spessore del canale si azzera.
c)
Regione di saturazione. Oltre il valore
di strozzamento la corrente di drain
rimane praticamente costante
all’aumentare della VD.
Sensore CMOS
Il sensore CMOS è un tipo di sensore
d’immagine costruito in tecnologia CMOS.
L’architettura di un circuito CMOS è mostrata in
figura.
Il fotodiodo è la parte sensibile del dispositivo,
che è formata da una giunzione p+/n/p. Un
transistor MOSFET funge da transfer gate e
disaccoppia fisicamente la zona sensibile dal
circuito di amplificazione del segnale. Il circuito
di amplificazione è costituito da un nodo
capacitivo (sense node), dove avviene la
trasformazione della carica accumulata nel
fotodiodo in valore di tensione, e da altri 3
transistori (M1, M2 ed M3), che costituiscono il
circuito amplificatore.
Funzionamento del pixel
Acquisition
Readout
Acquisition
RST
Vaa
Vpix
SHR
RST
TX
SHS
TX
Pix out
FD
a – structure of pixel with pinned PD;
b – timing diagram;
c – potential diagram
Pinned PD
Potential
Pinned PD
Criteria for
optimization:
QPD = QFD
TX
FD
Immagine 3-D del sensore CMOS
Tecnologia Planare
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Circuiti integrati
• Sebbene il processo planare possa
essere usato per fabbricare
elementi circuitali elettrici, il suo
grande vantaggio riguarda la
fabbricazione di circuiti integrati
(Integrated Circuits, ICs) in cui un
grande numero di elementi sono
connessi tra loro su uno stesso
substrato.
Costruzione di un circuito integrato
– La costruzione di un circuito integrato richiede la realizzazione di una
serie di strutture planari ( ossia sottili nella direzione ortogonale al piano
del circuito) costituite da zone drogate, piste metalliche e strati
dielettrici. Alla realizzazione di ciascuna di esse concorre un passo del
processo di integrazione.
Tecnologia Planare
• Nella tecnologia planare tutte le
fasi intermedie del processo
necessario per realizzare e
collegare fra loro gli elementi
circuitali vengono eseguite in
parallelo sul wafer.
• Un dispositivo microelettronico é
pertanto un insieme di elementi
circuitali fabbricati su scala
microscopica su un substrato
(wafer) di materiale
semiconduttore (p.e. silicio).
Passi di processo
• Per poter realizzare
dispositivi in
tecnologia planare è
necessario disporre
di un adeguato set di
passi tecnologici che
permettano la
realizzazione di
dispositivi dall’alto!
Maschera Fotolitografica
• La tecnologia del Si oggi consente
di realizzare sul wafer regioni con
caratteristiche di conduttore,
isolante o semiconduttore.
• Per realizzare le desiderate
configurazioni di queste regioni si
usa la tecnica fotolitografica. Nella
figura sono mostrate le fasi del
processo litografico di
microfabbricazione planare.
Passi di processo per la realizzazione
del MOSFET
a) Silicio di partenza di tipo-n
b) Ossidazione della superficie di
Si e creazione di uno strato
uniforme di SiO2
c) Applicazione di uno strato di
photoresist
d) Esposizione del photoresist
attraverso una maschera
Passi di processo
a)
Sviluppo del Photoresist
b)
Attacco e rimozione dello
strato di SiO2 esposto
c)
Rimozione del Photoresist
d)
Impiantazione ionica e
formazione di una
giunzione p-n
e)
Deposizione di uno strato
metallico
f)
Etch dello strato metallico
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Come e`fatta una DRAM
Row Drivers
Scribe
Line
Bond
Pads
Sub-Array
Sense Amps
(512 rows x 512 columns)
256K Bits
La cella di memoria
Bit line
B/L
Contact
Cell
Capacitor
•
La cella di memoria di una DRAM include un
MOSFET ed un capacitore MOS.
•
Il transistore MOSFET agisce come un
interruttore per controllare le operazioni di
scrittura e lettura e refresh.
•
Il capacitore viene utilizzato come dispositivo di
immagazzinamento dei dati.
Word line
Array della memoria
•
In questo tipo di array i bit sono
accoppiati a due a due, avendo in
comune un contatto di Digitline ed
eliminando in questo modo le
ripetizioni, riducendo le dimensioni
dell’array.
Area Attiva
• Un’ Area Attiva del dispositivo e` una porzione di silicio drogata N+ su di un
substrato di silicio drogato tipo-P. Ogni Area Attiva contiene:
– Una coppia di bit (poly2 storage node),
– una coppia di Wordline (poly1)
– un contatto centrale di Digitline
– ed una Digitline (bit line) metallica (metal1 digit-line).
Circuiteria di periferia
• Oltre all’array, per poter interpretare il segnale elettrico contenuto in
ciascuna cella e` necessaria tutta una complessa circuiteria che costituisce la
“periferia” del chip, denominata Sense Amplifier, Wordline Drivers.
DRAM – Sezione di un’area attiva
• Transistor Gate
– Commutatore
– Consente alla Digit Line
di connettersi con il
capacitore
Immagine 3D del Transistor
•
DRAM
– Sezione di un’area attiva
Capacitore
– Immagazzina la carica
nell’armatura inferiore
Immagine 3D del capacitore
Densità di memoria
•
Dall’inizio dell’era della
microelettronica la più piccola
lunghezza caratteristica di un
circuito integrale si è ridotta del
13% ogni anno.
La miniaturizzazione dei
dispositivi comporta:
▶
Aumento di densità di un
fattore 2 ogni 18 mesi
▶
la diminuzione dei costi
x dispositivo
▶
la diminuzione dei tempi di
risposta
▶
l’aumento della velocità
Semiconductor Devices, 2/E by S. M. Sze
Copyright © 2002 John Wiley & Sons. Inc. All rights reserved.
Processo di “scaling-down” dei
dispositivi
Definizione dei parametri di scaling
•
Tox è lo spessore dell’
ossido di gate (in A)
•
Xj è la profondità di
giunzione di S/D (μm)
•
Ws Wd sono le profondità
delle zone svuotate di S/D
che dipendono dalla
tensione VDS (μm) e dal
drogaggio del substrato.
Regole di Scaling
Parametri di scaling
Tensione Costante
Campo Costante
Dimensioni (L,W ,t ox , x j )
1/λ
1/λ
Tensioni (V)
1
1/λ
Correnti (I)
λ
1/λ
Campo Elettrico
λ
1
Capacità (C)
1/λ
1/λ
Dissipazione di potenza (V⋅I )
λ
1/λ2
Ritardo del gate (V⋅C/I)
1/λ2
1/λ
Resistenza dellle linee (R)
λ
λ
Costante di tempo delle linee (R⋅C)
1
1
•
Effetti dello scaling
Dalla combinazione di queste effetti di carattere generale traggono origine una serie
di fenomeni fisici di grande importanza per I' affidabilità dei futuri componenti VLSI.
Tra questi:
– I' elettromigrazione che riguarda le linee di interconnessione ed i
contatti dovuta all’ aumento della densità di corrente;
– il riscaldamento dei portatori (Hot Electrons) di canale dei transistori
MOS (con le conseguenti correnti di gate e substrato) per effetto degli
aumentati campi elettrici;
– la rottura dei sottili strati di isolante utilizzate nella tecnologia MOS
(anch'essi dovuti all'aumento dei campi elettrici);
– La corrente di Punch-Through (che trae origine dall'accresciuta
interazione tra le parti diverse di una struttura MOSFET);
– L’innesco di Latch-up delle strutture CMOS, che trae origine
dall’accresciuta interazione tra parti diverse delle strutture.
Latch-up dei circuiti C-MOS
Strutture di isolamento
Shallow Trench Isolation (STI)
Tasso di guasto dei componenti
Tecnologia del Silicio
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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)
Silicio di partenza
• Il silicio e` il secondo elemento per abbondanza
nella crosta terrestre dopo l'ossigeno,
componendone il 25,7% del peso. Si trova in
argilla, feldspato, granito, quarzo e sabbia,
principalmente in forma di biossido di silicio,
silicati e alluminosilicati (composti contenenti
silicio, ossigeno e metalli).
Processo di crescita del cristallo
• L’SiO2 di partenza viene trattato
chimicamente per ottenere Si
policristallino estremamente
puro, da cui si cresce il
monocristallo di Si.
• Il lingotto di Si viene quindi
modellato fino al diametro
richiesto e tagliato in sottili
fette di Si, che vengono lucidate
a specchio.
Processo di purificazione
• Il materiale di partenza viene purificato fino al
99.9% (1ppb) e poi processato sino ad ottenere
silicio policristallino.
• Il silicio metallurgico viene
fatto reagire con HCl
gassoso per formare
(Tricloro silano) SiHCl3
• La miscela di SiHCl3 viene
distillata allo scopo di
ottenere SiHCl3 di grado
elettronico (1ppb).
Produzione di Si policristallino
• La reazione avviene in un reattore contenente una barra di
Si policristallino, che serve da punto di nucleazione per la
deposizione di Si.
1100 °C
2SiHCl3 (gas) + 2H2 (gas) → 2Si (solid) + 6HCl (gas)
Barra di silicio
policristallino dopo
che è stata
smontata dal
reattore di crescita
Metodo Czochralski
• Questo metodo usa un apparato
chiamato crystal puller.
• Esso ha tre componenti principali:
– La fornace che include un crogiolo
di grafite riscaldato per induzione
contenente Si fuso
– Un meccanismo di elevazione del
cristallo dalla superficie liquida,
incluso un sistema di rotazione
– Un sistema di controllo che include
la sorgente di gas Ar e il sistema di
exaust
Fase di cristallizzazione
• Il Silicio policristallino viene
portato alla temperatura di
circa 1420°C (poco oltre la
temperatura di fusione).
• Il seme cristallino sospeso
sul liquido viene immerso e
gradualmente estratto dalla
massa fusa.
• Il raffreddamento
progressivo dell’interfaccia
solido-liquido determina
rapida cristallizzazione del Si.
Taglio delle fette
• Una volta estratto il
lingotto viene grindato e
tagliato in fette con una
sega a lama diamantata
Lucidatura finale
• Dopo il taglio,
entrambe le superfici
della fetta vengono
lappate usando una
miscela di Al2O3 e
glicerina per
produrre
un’uniformità di
planarizzazione
dell’ordine dei 2 µm.
Distribuzione del drogante
• Come il cristallo viene sollevato dalla massa fusa, la concentrazione di
drogaggio incorporata nel solido è generalmente diversa da quella del liquido
all’interfaccia.
• Il rapporto delle due concentrazioni è definito coefficiente di segregazione
all’equilibrio:
CS
k0 =
Cl
• Dove CS e Sl sono rispettivamente le concentrazioni di drogaggio nel solido e
nel liquido vicino all’interfaccia all’equilibrio.
• I valori assunti da ko sono < 1, il che significa che durante la crescita il drogante
viene rigettato nel liquido, ch diventa sempre più drogato al procedere della
cristallizzazione.
Curve di concentrazione
• Si dimostra che la concentrazione
di drogante della fase solida
dipende dalla frazione di massa
solidificata (M/Mo) secondo la
legge:
kO −1

M 

 del
= kèO C
1 − iniziale
CS M
Omassa
dove
la

o
MO 

liquido e C la concentrazione
o
iniziale del liquido.
Esempio numerico
• Un lingotto di Si, che dovrebbe contenere 1016 Boron atm/cm3 (ko=0.8), viene
cresciuto in tecnica Czochralski. Quale concentrazione di atomi di Boro dovrebbe
essere aggiunta al liquido per ottenere la concentrazione solida richiesta?
• Se il peso iniziale del Si nel
grammi di Boro si devono
CScrogiolo
1016 è 60 kg, quanti
163
1.25g/cm
⋅10 boron
atm/cm3
Cl =del Si=fuso è=2.53
.
aggiungere? La densità
0.8
kO
60 ⋅103
Voll =
= 2.37 ⋅10 4 cm3 ( volume di Si)
2.53
Tot atmboron = 1.25 ⋅1016 × 2.37 ⋅10 4 = 2.96 ⋅10 20 boron atm
mboron
2.96 ⋅10 20 atm ×10.8 g / mol
=
= 5.31 mg di boro
23
6.02 ⋅10 atm / mol
Processo di crescita FloatZone
• Il processo Float-zone viene utilizzato per
crescere Si con minore contaminazione della
tecnica Czochralski.
• Durante il processo di crescita, la barra di Si,
mantenuta verticalmente, viene fusa in una
piccola zona (pochi cm) a diretto contatto del
seme da un riscaldatore a RF. La zona fusa
viene poi sollevata verso l’alto, consentendo
la crescita di Si come estensione del seme
cristallino.
• Non viene usato il crogiolo, che quindi non
può reagire apportando contaminazioni
come nella tecnica Czochralski.
Difetti di punto
• In un cristallo reale
durante la crescita
vengono incorporati
una serie di difetti
reticolari.
• Differenti tipi di
difetti di punto:
a) Impurità
sostituzionale
Difetti di linea
• Dislocazione a spigolo (a) e a vite (b)
Difetti di superficie
• Stacking fault intrinseca (a), stacking fault
estrinseca (b)
Intrinseco
Mancanza di un piano
Estrinseco
Inserimento di un piano
Geminati e bordi di grano
Regioni cristalline variamente orientate
sono separate da difetti planari detti
bordi di grano
Confine tra due regioni di un cristallo che
hanno relazione di specularità rispetto ad un
piano detto piano di composizione
Difetti di volume
• I precipitati di impurezze o di atomi di
droganti rappresentano i difetti di
volume.
• Questi difetti insorgono a causa
dell’inerente solubilità delle impurezze
nel reticolo che li ospita.
• A destra curve di solubilita in funzione
della temperatura per diversi elementi
nel Si.
Denuded Zone
•
Con un trattamento ad alta
temperatura (1050 C in N2),
l’ossigeno viene fatto
evaporare dalla superficie.
•
In questo modo si crea una
zona libera di difetti
(denuded zone) la cui
profondità dipende dal
tempo e dalla temperatura.
•
Ulteriori cicli termici
generano la formazione di
precipitati di ossigeno
all’interno del wafer per
funzionare da gettering delle
impurezze.
Crescita Epitassiale
74
Tecnica di crescita epitassiale
• Nella crescita epitassiale il substrato (wafer) agisce
come seme cristallino.
• A differenza della crescita dalla massa fusa, in tecnica
epitassiale un film di Si può essere cresciuto ad una
temperatura sostanzialmente inferiore a quella di
fusione (tipicamente 30-40% minore).
• Le tecniche comunemente impiegate per la crescita
epitassiale sono:
– Deposizione chimica in fase vapore (CVD)
– Epitassia da fascio molecolare (MBE)
Chemical Vapor Deposition (CVD)
• Il portacampioni
(suscettore) svolge
un ruolo analogo al
crogiolo: cioè non
solo funge da
supporto meccanico
del wafer, ma serve
anche da sorgente di
energia termica per
la reazione.
Differenti tipi di reattori
per CVD
Fasi del processo CVD
1) Decomposizione in fase gassosa 2) trasporto
3) adsorbimento 4) diffusione 5) decomposizione 6)
desorbimento
CVD del Silicio
•
•
•
4 tipi di sorgenti possono essere usate per la deposizione del silicio: 1) il tetracloruro di
silicio (SiCl4); il diclorosilano (SiH2Cl2); il triclorosilano (SiHCl3) ed il silano (SiH4).
Nel caso 1) il processo di deposizione di Si epitassiale è basato sulla riduzione, mediante
idrogeno, del tetracloruro di silicio SiCl4 secondo la ben nota reazione chimica (T=1200C):
Durante la crescita epitassiale, oltre alla reazione chimica opera simultaneamente anche
la reazione competitiva:
SiCl4 ( gas ) + 2 H 2 ( gas ) ↔ Si ( solid ) + 4 HCl ( gas )
•
In conseguenza se la concentrazione di SiCl4 è troppo elevata si determina l’etching
invece della deposizione del Silicio.
SiCl4 ( gas ) + Si ( solid ) ↔ SiCl2 ( gas )
•
Tasso di crescita Vs concentrazione
di SiCl4
Effetto della concentrazione
del SiCl4 sulla crescita
epitassiale, dove la frazione
molare è definita come il
rapporto del numero di
molecole di una data specie
sul numero totale di
molecole.
Struttura del film epitassiale
L’Epitassia e` una deposizione o crescita di materiale cristallino tale da
conservare le direzioni cristallografiche del substrato sul quale avviene la
deposizione.
•
Se il film cresciuto e` dello stesso
materiale del substrato il processo e`
chiamato omoepitassia. L’esempio piu`
tipico e` caratterizzato dalla crescita
uno strato epitassiale di silicio
monocristallino.
•
Se il film epitassiale viene cresciuto su
di un substrato chimicamente
differente, il processo viene chiamato
eteroepitassia.
Adattamento dello strato
epitassiale
Dislocazioni all’interfaccia Si/GaAs
•
Immagine al microscopio elettronico in trasmissione (TEM) di dislocazioni
all’interfaccia tra GaAs e Si. Le dislocazioni possono essere individuate seguendo
verso il basso le linee indicate dai marchi neri nel reticolo cristallino.
Fine prima parte