Storia e tecnologia del Silicio

Storia e tecnologia del Silicio
Breve storia del Silicio
•
Il nome silicio deriva dal latino silex, selce
•
Il silicio è il secondo elemento più
più diffuso, dopo l’l’ossigeno, 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 non ha trovato alcun utilizzo fino alla fine del secolo scorso
quando venne scoperto che, se unito al ferro, sviluppava propriet
proprietà
magnetiche. Utilizzo prevalente per elettromagneti e trasformatori
•
Inizio della produzione industriale agli inizi del secolo in una forma
ragionevolmente pura (circa 98%)
Proprietà chimiche
•
Struttura cubica a facce centrate FCC
(diamante)
•
•
Massa atomica 28.0855
•
•
•
Numero atomico 14
Densità 2.33 g/cm3
Temperatura di fusione 1414 °C
Gap tra Banda di conduzione e di valenza:
1.12 eV (Tamb)
Proprietà
semiconduttive
Conduzione elettrica nei materiali
Energia
Isolante
Banda di conduzione, EC
Banda proibita, EG
Banda di valenza, EV
•
Semiconduttore
Banda di conduzione, EC
Banda proibita, EG
Banda di valenza, EV
Metallo
Banda di conduzione, EC
Banda di valenza, EV
Isolanti
•
•
Banda di conduzione e di valenza separate da una banda proibita troppo elevata
improbabile la conduzione elettrica
Semiconduttori
•
Banda di conduzione e di valenza separate da un’energia di gap (stati energeticamente
non permessi)
•
La banda proibita è piccola e può essere superata tramite l’assistenza della temperatura
•
Conducibilità elettrica crescente con la temperatura
•
Metalli
•
Banda di conduzione e di valenza sovrapposte
nube di elettroni liberi
•
Conducibilità elettrica decrescente con la temperatura (scattering fra elettroni)
Impurità droganti
•
Il silicio (4 elettroni di valenza) presenta una struttura tetraedrica
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
Silicio estrinseco n
•
L’introduzione 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)
Silicio estrinseco p
•
L’introduzione 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)
Silicio estrinseco n
Perturbazione
Impurità droganti
Silicio estrinseco p
Perturbazione
L’introduzione di questo tipo di impurità
impurità (drogaggio)
provoca un aumento della conducibilit à del
semiconduttore
Le basi dell’elettronica 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
•
Limite superiore di concentrazione di drogante: limite di solubilità
del drogante nel silicio
Limite inferiore: impossibilit à tecnologica di disporre di un materiale
del tutto privo di impurità (<1 parte per miliardo)
Sviluppo dell’elettronica moderna
Base Emettitore
n
p
•
Rivoluzione del XX secolo: scoperta del
transistor nel 1948 ad opera di Schockley
Schockley,,
Bardeen e Brattain
•
Da 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 semiconduttore
•
L’effetto transistor consiste nell’iniezione
modulata di portatori dall’emettitore al
collettore (elettroni nel transistor npn e
lacune nel pnp)
•
Il transistor pnp ha prestazioni inferiori
rispetto a quello npn a causa della differente
iniezione di carica
n
Collettore
Emettitore
Collettore
Substrato
di germanio
Base
pnp
npn
Importanza dell’elettronica dello stato solido
•
Funzioni fondamentali del transistor:
•
Amplificazione di corrente
•
Inverter logico
Elettronica digitale
Amplificazione
Transistor
•
Tempo di vita, dimensioni,
integrazione, frequenza di
lavoro i vantaggi nei confronti
delle valvole
Stato dell’arte dei Circuiti Integrati: microprocessori
•
Nel 1959 nasce il circuito integrato dall’
dall’idea di realizzare tutti i componenti di un circuito
elettronico su uno stesso substrato composto da un unico materiale semiconduttore
Intel 8086 (1979)
•
10 MHz
•
Transistors: 29000
•
Tecnologia: 3 m
Intel 4004 (1971)
108 kHz
•
•
Transistors: 2300
•
Tecnologia: 10 m
Intel 80286 (1982)
•
12 MHz
•
Transistors:: 134000
Transistors
Tecnologia: 1.5 m
•
Intel 80386 (1985)
33 MHz
•
•
Transistors: 275000
•
Tecnologia: 1.0 m
Microprocessori
Intel 80486 (1989)
50 MHz
•
•
Transistors: 1.2 milioni
•
Tecnologia: 1.0 m
Intel Pentium (1993)
200 MHz
•
•
Transistors: 3.1 milioni
•
Tecnologia: 0.35 m
Intel Pentium Pro (1995)
•
266 MHz
•
Transistors: 5.5 milioni
Tecnologia: 0.35 m
•
Oggi
Intel Pentium IV (2002)
•3060 MHz
•55 milioni transistors
•Tecnologia: 0.13 m
AMD Athlon XP (2002)
•2167 MHz
•54.3 milioni transistors
•Tecnologia: 0.13 m
109
108
Pentium IV
7
10
1000
100
Pentium
6
10
80486
80386
10
5
10
1
80286
8086
4
10
0,1
Frequenza di lavoro (MHz)
Transistors per chip
Integrazione elettronica:
leggi di Moore (1965)
104
•
Il miglioramento tecnologico
elettronico è dovuto ad un aumento
esponenziale dell’
dell’integrazione
•
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)
GHz)
•
La dimensione della regione attiva
di un transistor in un circuito
integrato diminuisce del 30% ogni
3 anni
•
LSI:: Large Scale Integration
LSI
•
VLSI: Very Large Scale Integration
•
ULSI:: Ultra Large Scale Integration
ULSI
4004
1000
1970
1975
1980
1985
1990
1995
2000
2005
0,01
2010
Dimensione transistor (m)
10
LSI
VLSI
ULSI
1
0,1
1970
1975 1980
1985 1990
1995 2000 2005
2010
Vantaggi della tecnologia del silicio
La tecnologia del silicio è divenuta la tecnologia dominante per l’ elettronica a
causa di:
Disponibilità praticamente illimitata del materiale
•
Relativa facilità di realizzazione di cristalli con bassa densit à di difetti
•
Buone proprietà ottiche ed elettriche che lo rendono adatto alla
realizzazione di un amplissimo set di dispositivi
•
Un ossido SiO2 (banda proibita pari a 8 eV ) dalle eccellenti proprietà:
•
Ottimo isolante elettrico
•
Ottimo passivante nei confronti del silicio
•
Barriera contro le impurità
•
Processi di realizzazione ad elevata controllabilità
Tecnologia di purificazione
SiO2 (quarzite)
Si grado elettronico
monocristallino
Tornitura
e taglio
Processo di purificazione
(Siemens 1951)
Si grado elettronico
policristallino
Czochralski
Fetta di Si
monocristallino
Macinatura
Monocristallino
Policristallino
Lappatura e
lucidatura
Fetta di silicio
(wafer)
Tecnologia di purificazione
Fornace
Quarzite, SiO 2
Silicio di grado metallurgico
MGS (98%)
HCl
Triclorosilano, SiHCl 3
Distillazione
frazionata
Silicio policristallino di grado
elettronico EGS (99.99999%)
H2 + SiHCl3
Processo Czochralski
•
Introdotto dalla Texas Instruments nel 1952,
1952, permette la
realizzazione di un monocristallo di silicio (1 impurità su 1
miliardo di atomi) da silicio policristallino di grado elettronico
Processo Czochralski
Fusione del policristallo nel crogiolo realizzato in
grafite rivestita in quarzo SiO2
Aggiunta di drogante: Boro (p(p-Si); Fosforo o
Arsenico (n-Si)
Accrescimento controllato del seme
Barra di monocristallo di 6-12 pollici (15-30 cm) di
diametro e circa 100cm di lunghezza
•
Temperatura di fusione Si
1414 °C
•
Controllo del gradiente di
temperatura lungo il fuso
•
Processo in atmosfera di
gas inerte
•
Crogiolo realizzato con
elementi elettricamente
inattivi nel silicio
•
Elevato controllo della
rotazione e della trazione
del lingotto
Seme cristallino
Monocristallo
Crogiolo in quarzo
Camera
Schermo termico
Riscaldatore
Crogiolo in grafite
Supporto
Basamento
Elettrodo
Reattore in dettaglio
Parametri fondamentali di processo
•
•
Velocit à di rotazione
•
Velocità di trazione
Controllo della temperatura
Processo Czochralski
Processi meccanici
Controllo dell’
dell’orientazione
cristallografica tramite
diffrazione da raggi X
Decappaggio delle estremità
estremità
100
111
Rettificazione del lingotto
Lucidatura per via
chimica (soda
caustica) di una
faccia
Lappatura meccanica
di una faccia
Taglio del lingotto tramite seghe
circolari o a filo in dischi (wafers)
dello spessore di 200200-450 m
Notazione dell’orientazione
Direzione (100)
Piano (100)
Tipo n {111}
Tipo p {111}
45°
45
°
180°
180
°
Tipo n {100}
90°
90°
Tipo p {100}
Direzione (111)
Piano (111)
Fotolitografia
•
Tecnica per la realizzazione di microstrutture sul substrato semiconduttore
attraverso maschere
1.
Deposizione resist chimicamente fotosensibile (PMMA)
2.
Esposizione del fotoresist attraverso la maschera a
luce UV (153 nm)
nm)
3.
Sviluppo del resist esposto
4.
Attacco chimico selettivo
•
Con l’applicazione in sequenza con maschere tra loro allineate si realizza il Circuito
Integrato
•
La risoluzione dell’ottica nel processo di fotolitografia è il processo limitante della
dimensione minima dei dispositivi (attualmente la tecnologia si attesta su 0.13 m)
Fotolitografia: esposizione UV
•
Tre tecniche di esposizione:
•
Esposizione per contatto (danneggiamento maschere)
•
Esposizione per prossimità (ingrandimento 1:1 del circuito)
•
Esposizione attraverso stepper (ottica di esposizione)
Radiazione UV
Radiazione UV
Maschera N:1
Quarzo
Ossido di silicio
Ottica
Cromo
Fotoresist
Immagine
Wafer con resist
Wafer di silicio
Esposizione per prossimità
Esposizione attraverso stepper
Fotolitografia: sviluppo
•
Due tipi di fotoresist
•
Resist positivo: solubile il volume illuminato dalla radiazione
•
Resist negativo:
negativo: solubile il volume non illuminato dalla radiazione
Resist positivo
Fotoresist
Ossido di silicio
Sviluppo
Wafer di silicio
Attacco chimico
Rimozione fotoresist (solventi)
Resist negativo
Attacco chimico
•
Attacco chimico per via umida (reagenti chimici)
•
Attacco chimico per via secca (anisotropo, Reactive Ion Etching)
Resist
Ossido di silicio
Silicio
Via umida, isotropo
• L’attacco laterale è circa il
75% di quello in profondità
• Solvente per SiO2: HF
• Solvente per Si: HNO3 + HF (il
primo ossida, il secondo
rimuove l’l’ossido)
Via secca, anisotropo
• Plasma di ossigeno,
idrogeno e gas Freon
(CF4) produce un continuo
bombardamento della
zona processata
Crescita epitassiale
•
Dal greco epi (sopra) + taxis (struttura ordinata)
•
Crescita di un semiconduttore monocristallino (intrinseco o drogato) su di un
substrato semiconduttore
Omoepitassia
Eteroepitassia
(stesso semiconduttore)
(semiconduttore differente)
Wafer di silicio
N2
Bobine a radiofrequenza
H2
HCl SiCl4+H2
Drogante+H2
•
Epitassia da fase vapore (VPE)
•
Epitassia da fase liquida (LPE)
•
Epitassia da fasci molecolari (MBE)
Ossidazione
Tecniche di drogaggio: diffusione
Sorgenti gassose:
PH3, AsH3, B2H6
F
F
F
H 2O + sorgenti liquide:
POCl3, BBr3
N2
•
O2
O2
Atomi droganti vengono a contatto della superficie del wafer attraverso
un processo di deposizione chimica ad alta temperatura (900
(900--1000 °C)
•
Atomi diffondono nel substrato con un coefficiente di diffusività
diffusività variabile
da specie a specie e dipendente in modo crescente dalla temperatura e
dalle dimensioni dell’atomo drogante

Profilo di drogaggio in profondità poco flessibile e controllabile

Trattamento ad alta temperatura
Tecniche di drogaggio: impiantazione ionica
Deflessione orizzontale
e verticale
Spettrometro di massa
Wafer di Si
Fascio di ioni
Misura della corrente
(ioni impiantati/sec)
Acceleratore (5-200 keV)
• Fascio di atomi droganti impiantati ad alta energia nel wafer di silicio
Sorgente di ioni • Controllo accurato della dose impiantata
• Parametri fondamentali:
• Energia di accelerazione (dipendenza crescente della profondità
profondità)
• Massa dello ione incidente (dipendenza decrescente della profondità)
• Massa dell’
dell’atomo bersaglio
Vuoto
Silicio
ione
Energia (eV)
Penetrazione media
Varianza
laterale
Varianza di profondità
Annealing
L’annealing (ricottura di breve durata tramite laser o
forno) del materiale è il processo successivo
all’
all’impiantazione ionica:
•
il cristallo bersaglio subisce dei danni provocati
dalla cessione di energia dallo ione al reticolo
•
probabilità
probabilità di avere ioni droganti situati in
posizione interstiziale e perciò non attivi
L’annealing si configura così
così come il trattamento
termico atto alla riparazione del danno reticolare ed
all’
all’attivazione degli ioni droganti
• Processo necessario per la connessione elettrica di
tutti i dispositivi presenti nel circuito integrato
Metallizzazione
• Metallizzazione si realizza tramite le tecniche di
deposizione:
• Evaporazione termica
processo termico basato sull’evaporazione
del metallo se portato alla temperatura di fusione
• Sputtering
tecnica a bassa temperatura basata sul bombardamento
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
continuit à elettrica)
•
Per anni utilizzato l’l’alluminio,
alluminio,
recentemente il rame
elevata conducibilità
conducibilità termica
Realizzazione di un transistor
Substrato p
p
p
n
Crescita epitassiale n
Substrato p
Silicio n
Drogaggio: impiantazione n+ per
emettitore e collettore
Substrato p
p
Drogaggio: diffusione p per
pozzetti di isolamento
p
n+
n
Silicio n
Substrato p
Drogaggio: impiantazione p
per base del transistor
p
Substrato p
Resist
SiO2
p
p
Metallizzazione
p
Metallo
p
E
B
p
n
Substrato p
C
p
Testing e Packaging
Differenza di potenziale
Banda di conduzione
Elettrone
Banda
proibita
Silicio policristallino
Applicazioni: celle fotovoltaiche
•
Monocristallino: rendimento 18-23%, costo
100 €/kg
•
Policristallino: rendimento 12-14%, vita
media 25-30 anni, costo 10 €/kg
•
Amorfo: rendimento 7%, vita media 10
anni, costo minimo
Lacuna
Banda di valenza
• Conversione da energia
elettromagnetica ad energia
elettrica
• Contribuisce alla conduzione solo
la radiazione con energia
superiore alla banda proibita
Strato antiriflesso
Silicio policristallino
Giappone, USA, Germania non solo incentivano
l’installazione degli impianti, ma comprano l’energia
ad un prezzo superiore a quello di mercato