Tecnologia planare del silicio

Tecnologia planare

La tecnologia planare è un particolare trattamento dei wafer di silicio ottenuti con i metodi Czochalski e floating zone per ottenere circuiti elettronici monolitici cioè con più componenti in un unico cristallo di semiconduttore.

I lingotti di silicio puro e monocristallino vengono tagliati attraverso seghe circolari o fili diamantati ottenendo così i primi wafer ancora non adatti come basi per lo sviluppo di circuiti integrati.

I wafer così ottenuti verranno quindi lavorati attraverso tecniche successive per ridurre ulteriormente le impurità e la rugosità superficiale attraverso:

• Lappatura  è un'operazione meccanica che si esegue sulla superficie dei wafer per rendere minima la sua rugosità, utilizzando appropriati abrasivi è possibile portare le superfici a specchio.

• Attacco chimico cioè il wafer viene trattata con HNO3/Hac e HF per rimuovere le cricche microscopiche e i danni superficiali creati dal trattamento di lappatura.

• Lucidatura è il processo attuato per rendere lucida la superficie del wafer

Successivamente sul wafer vengono incisi inciso il flat per individuare visivamente il tipo p- o n-.

Si inizia la lavorazione del wafer ripetendo i passaggi fondamentali:

• Trattamenti termici;
• Deposizione;
• Litografia;
• Attacchi:
• Drogaggi;

Trattamenti termici

Inizialmente si ricopre il wafer di silicio con biossido di silicio SiO2 con spessore massimo di 1 um per fare ciò si ricorre all'ossidazione termica del silicio.

L’ossidazione avviene all’interfaccia Si-SiO2 gia esistenti quindi le specie ossidanti devono attraversare lo strato di ossido precedentemente formato nella fase iniziale all'inizio di questa ossidazione quindi a basse temperature la crescita è limitata alla velocità di reazione superficiale; a temperature elevate e con ossidi spessi la crescita è limitata dalla diffusione delle specie ossidanti attraverso lo strato di SiO2 già formato.

L'ossidazione termica viene effettuata in tubi di quarzo con temperature tra gli 850°C e i 100°C e può avvenire o dry o wet.

Deposizione
La deposizione può avvenire in più modi:

• Deposizione chimica da fase vapore o Chemical Vapor Deposition (CVD): permette di ottenere su supporto solido un deposito a partire da un precursore molecolare, introdotto in forma gassosa e che si decompone sulla superficie del substrato. Il trasporto del precursore avviene mediante l'uso di un gas di trasporto(ossigeno, argon, idrogeno, azoto,...), grazie al quale vengono poi allontanati dal sistema anche i prodotti di decomposizione gassosi.
• Epitassia: In generale per epitassia si intende la tecnica di deposizione di uno strato cristallino semiconduttore le cui caratteristiche cristallografiche quali parametro reticolare e cella elementare dipendono dalla struttura del substrato sottostante. Lo spessore dello strato epitassiale può variare dalla frazione di nanometro a centinaia di micron. L'epitassia può definirsi omoepitassia quando il materiale epitassiale è lo stesso del substrato, oppure eteroepitassia, quando il materiale epitassiale è chimicamente differente dal substrato. Essendo però l'epitassia una tecnica molto costosa viene usata solamente quando necessario.
• Deposizione di materiali dielettrici:
• Deposizione di silicio policristallino

Litografia
La fotolitografia è una tecnica per formare microstrutture su film sottili depositati tipo il metallo o accresciuti tipo il biossido di silicio sul substrato semiconduttore consiste in:

• deposizione del resist fotosensibile
• esposizione del fotoresist attraverso una maschera

• sviluppo del fotoresist esposto alla luce

• attacco chimico selettivo o etching che può avvenire o per via umida o per via secca serve per attaccare lo strato di ossido sopra il wafer in modo da avere accesso alla superficie di silicio per l'impiantazione dei droganti

Operando in sequenza con maschere allineate è possibile creare i cicuiti stampati.

Drogaggi

• Drogaggio per diffusione

Il drogaggio per diffusione termica è la più comune tecnica di drogaggio selettivo del silicio prima dell'avvento dell'impiantazione ionica. Nel drogaggio per diffusione i wafer di silicio vengono portati a temperature superiori a 1000 °C per attivare la diffusione del drogante nel silicio stesso. Raggiunta la concentrazione desiderata, è sufficiente abbassare la temperatura dei wafer, estraendoli dalla fornace, per far crollare i valori del coefficiente di diffusione di materia, bloccando così il processo.

I limiti del drogaggio per diffusione sono 2:

1. profilo monotono decrescente poco flessibile e controllabile
2. il trattamento ad alte temperature è potenzialmente distruttivo 

• Drogaggio per impiantazione ionica

L'impiantazione ionica è un processo in cui degli ioni vengono impiantati in un solido cambiandone le proprietà fisiche.

Nell'impiantazione ionica degli atomi droganti vengono quindi sparati e accelerati da campi elettromagnetici per 'impiantarsi' nel wafer non ricoperto da maschere.

Si può ottenere così un accurato controllo della dose di drogante impiantata e al profondità in modo da ottenere così profili non monotoni.

Channeling: Se il bersaglio non è disallineato gli ioni seguono cammini preferenziali in cui non interagiscono con il reticolo quindi si ha un profilo risultante di drogaggio non gaussiano.

„Il channeling si può evitare disallineando il bersaglio rispetto al fascio di ioni.

Annealing: Nell’impiantazione ionica il reticolo cristallino viene danneggiato per esempio può accadere che gli ioni si arrestano cedendo anche energia al reticolo; inoltre gli ioni non sono posizionati in siti sostituzionali quindi si ha una mancata attivazione come droganti, è quindi necessario trattare termicamente il substrato per riparare il danno reticolare e attivare gli ioni.

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