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Tecnologia dei materiali semiconduttori

Elementi chimici utilizzati

I materiali utilizzati per la realizzazione dei circuiti a semiconduttore sono:

• Boro (B), Alluminio (Al), Gallio (Ga) e Indio (In) appartenenti al III gruppo, quindi con meno elettroni
• Silicio (Si) e Germanio (Ge) semiconduttori, appartenenti al IV gruppo
• Azoto (N), Fosforo (P), Arsenico (As) e Antimonio (Sb) appartenenti al V gruppo, quindi con più elettroni

Gli elementi appartenenti al III gruppo sono detti droganti p, quelli del V gruppo droganti n. I droganti più usati sono il Boro, il Fosforo e l’Antimonio. Da notare che, tra i droganti p è presente anche l’Alluminio, un metallo. Questo richiede alcuni accorgimenti: eventuali piste di Alluminio dovranno essere montate su zone drogate p, altrimenti si verrebbe a creare una giunzione indesiderata.

Composti binari di elementi del III e V gruppo

Sono utilizzati anche composti binari di elementi del III e V gruppo, che presentano caratteristiche di semiconduttori: Arseniuro di Gallio (GaAs), Nitruro di Gallio (GaN) e Fosfuro di Indio (InP).

Purezza di Silicio e Germanio

Silicio e Germanio sono i materiali puri e cristallini da cui ha inizio tutto il processo produttivo. È fondamentale che il livello di purezza del cristallo di partenza sia estremamente elevato, poiché ogni impurità corrisponde a un difetto del circuito, che può essere trascurabile o critico. Per avere un’idea del grado di purezza richiesto, le impurità devono essere dell’ordine delle parti per milione, se non di meno. Per ottenere questa purezza, i cristalli vengono sottoposti a diversi processi di purificazione, prima chimica e poi fisica. Consideriamo, come esempio, il processo di purificazione del Silicio.

Processo di purificazione del Silicio

Purificazione chimica

Si parte dalla sabbia di quarzo, il biossido di Silicio (SiO₂). Le impurità più grossolane sono eliminate attraverso una serie di bagni in solventi chimici; quanto ottenuto viene infine fuso in modo da eliminare anche l’ossigeno e ulteriori impurità.

Purificazione fisica

Viene utilizzato un processo chiamato float zone method (metodo della zona galleggiante). Si forma il materiale, già abbastanza puro, in una struttura cilindrica, all’interno della quale sono iniettati gas inerti (come l’Argon) per evitare l’ossidazione del Silicio. Attorno al cilindro viene posta una bobina a radiofrequenza, cioè attraversata da corrente ad alta frequenza. Dunque il materiale si trova immerso in un campo magnetico variabile, e al suo interno si crea un campo elettrico legato alla variazione di B rispetto al tempo. In particolare, tale campo sarà perpendicolare a B, generando una corrente che percorre circolarmente la sezione del silicio in quel determinato tratto lungo l’altezza del cilindro. La corrente tende ad essere uguale ed opposta a quella che scorre nella bobina, ma moltiplicata per il numero di spire. Se il materiale ha resistività R, possiamo dire che la potenza dissipata per effetto Joule vale P=RI². Tale potenza corrisponde a un calore tale da essere in grado di fondere il materiale nella zona in cui scorre corrente, vale a dire all’altezza a cui si trova la bobina in quel momento. Essendo questa zona liquida, gli elementi più leggeri presenti al suo interno tendono ad andare verso l’alto, mentre quelli più pesanti verso il basso. Dunque la bobina viene fatta scorrere dall’estremità inferiore del cilindro fino a quella superiore: in questo modo si ha che gli elementi più leggeri vengono accumulati via via nella zona superiore. Il passo successivo è quello di far scendere la bobina fino ad arrivare nuovamente all’estremità inferiore: questo fa sì che gli elementi più pesanti si accumulino in quella zona. Il procedimento è ripetuto più volte in modo da permettere che tutti gli elementi si separino correttamente: si otterrà quindi Silicio puro nella parte centrale del cilindro. Le zone impure vengono tagliate e riciclate nel ciclo produttivo.

A questo punto abbiamo ottenuto un blocco di Silicio amorfo, non un cristallo (che è quello che serve). Per ottenere il monocristallo, si passa attraverso il processo Czochralsky, inventato dall’omonimo chimico olandese nel 1916. Egli scoprì che se dopo aver immerso un materiale cristallino in un bacino di materiale fuso, questo veniva sollevato abbastanza lentamente, gli atomi del materiale fuso si disponevano attorno al cristallo di partenza secondo il suo reticolo cristallino, andando quindi a formare un cristallo di dimensioni maggiori. Tale processo è stato introdotto nei sistemi produttivi industriali negli anni ’50.

Processo Czochralsky

Si fonde dunque la barra amorfa di Silicio puro precedentemente ottenuta in un crogiolo di grafite racchiuso in ambiente inerte (se si vuole ottenere da subito Silicio drogato, insieme ai gas inerti vengono immessi anche gli elementi droganti). Il processo di fusione è uguale a quello utilizzato nel metodo della zona galleggiante. Viene immersa una punta di cristallo (già ottenuta da una precedente lavorazione), sorretta da una barretta in grado di ruotare mentre la solleva. Questa rotazione imprime la tipica forma rotonda, che risulta essere vantaggiosa nelle lavorazioni successive. In base alla velocità di rotazione si può determinare il diametro del cilindro che si sta formando. Questo è strettamente legato alla numerosità di chip che si intende realizzare. Per i prototipi o le piccole serie il diametro richiesto è di 4” (circa 10 cm), in modo da evitare sprechi qualora il prototipo non andasse bene; per la produzione in larga scala invece si possono avere diametri di 8” o 12” (circa 30 cm). Solitamente l’altezza del lingotto ottenuto, chiamato pane è di circa 50 cm. Vengono tagliate (e riciclate) la punta e la coda, per ottenere un cilindro perfetto.

Produzione dei wafer

Dal cilindro ottenuto si devono ricavare delle lastre chiamate wafers, che andranno a costituire i vari circuiti. Per evitare sprechi, dal momento che lo spessore richiesto dai circuiti è di circa 50 μm, queste lastre dovranno essere molto sottili. Ovviamente non possono essere eccessivamente sottili, perché sarebbero troppo fragili: generalmente lo spessore è di 500 μm, consentendo di ottenere 1000 o 1500 wafers da ogni cilindro di Silicio puro. I tagli sono eseguiti da seghe circolari diamantate molto fini (50 μm di spessore), che non tagliano per lacerazione ma per abrasione.

Le due superfici di ogni wafer non sono perfette: una delle due, quella “posteriore”, destinata ad essere incollata sul supporto, viene lasciata così com’è; l’altra invece viene sottoposta a lucidatura. Deve essere infatti perfettamente pulita, liscia e pianeggiante. Vengono prima passati degli acidi per rimuovere le asperità più grossolane, poi dei materiali abrasivi sempre più fini rimuovono anche le imperfezioni di molto o di poco inferiori al μm, a seconda del tipo di tecnologia che si intende realizzare.

Economia nei processi produttivi

È importante tenere a mente che, nei processi produttivi in generale, è basilare l’economia: non bisogna fare più del minimo necessario utile ad ottenere il risultato voluto. In questi processi viene consumata una grande quantità di energia, è necessario quindi ottimizzare ogni operazione: anche la finitura deve essere la minima necessaria (non ha senso eliminare asperità troppo piccole!). Si va verso tecnologie di dimensioni sempre più ridotte, in modo da poter ricavare, a discapito del tempo e del consumo energetico, una maggiore superficie su cui poter lavorare.

Processi di lavorazione del wafer di silicio puro

1. Crescita epitassiale

È uno dei più utili. Si fa crescere del Silicio cristallino sul wafer, e si può fare in due modi:

• 1200° + 2 SiHCl₃ + 2H₂ → Si + 4HCl: Il tetraclorosilano, insieme all’idrogeno molecolare, è scaldato fino alla formazione di Silicio, che si deposita e cristallizza sopra il wafer, e acido cloridrico.
• 1200° SiH₄ → Si + 2H₂: Il silano, ad alte temperature, si decompone naturalmente, dando origine a Silicio e idrogeno molecolare.

2. Passivazione

Si tratta di ricoprire il wafer con un materiale isolante (o passivante), che può essere:

• Silice (biossido di silicio): Si + 2H₂O → SiO₂ + 2H₂: Silicio e semplice vapore acqueo producono Silice e idrogeno molecolare
• Nitruro di silicio: 3SiH₄ + 4NH₃ → Si₃N₄ + 12H₂: Silano e acido nitrico danno nitruro di silicio e idrogeno molecolare

Il nitruro di silicio forma uno strato protettivo molto più duro e resistente rispetto alla silice, ed ha anche una rigidità dielettrica maggiore (molto importante), ma è più costoso da realizzare.

3. Mascheratura

Il lavoro sui wafer è fatto a livello superficiale. Si devono quindi definire delle aree precise su cui lavorare, e questo viene fatto rimuovendo lo strato passivante in maniera opportuna. Sopra a tale strato, ne viene creato uno di un particolare materiale fotosensibile, il photoresist. Questo può essere positivo o negativo: nel primo caso la parte esposta alla luce polimerizza, diventando solubile in soda caustica; nel secondo invece avviene il contrario. Il photoresist è un materiale liquido, che viene versato sul wafer e spalmato per centrifugazione. Una volta eliminate le opportune zone di photoresist, le corrispondenti aree di materiale passivante vengono rimosse con acido cloridrico, consentendo l’accesso al wafer (per drogarlo o metallizzarlo). Prima di passare all’illuminazione vengono create delle maschere: fogli trasparenti con zone opache rispetto ai raggi UV. Il problema è che le maschere devono avere una risoluzione dell’ordine del μm (se non inferiore) e non possono quindi essere stampate direttamente. Si sono sviluppati quindi diversi metodi:

• Fotoriduzione: È il primo metodo sviluppato, ormai obsoleto. Veniva stampata una maschera più grande (ad esempio in scala 100:1) che, con un grosso macchinario, veniva proiettata attraverso un sistema di lenti in grado di “fotoridurla” del fattore necessario. Non era una cosa semplice: l’immagine, passando attraverso varie lenti, subiva inevitabilmente alterazioni e sfocature, imponendo un limite alla fotoriduzione; per ottenere buoni risultati, oltre a dover ridurre in almeno due passaggi, erano necessarie lenti molto grandi e spazi altrettanto vasti. Infatti per ridurre una lastra di 10 cm e ottenere una ragionevole qualità, ci vuole una lente di 50 cm di diametro, con una focale di circa 10 m. Da tale distanza, sbagliare di 1 μm è molto facile (bastano 3∙10^-4 °): non si può dunque appoggiare lenti e macchinario direttamente in terra, poiché le vibrazioni (di qualsiasi origine) bastano e avanzano a provocare tali errori. Bisogna interporre uno strato isolante come una lastra di granito per tutta la lunghezza necessaria.
• Generatore di pattern ottici: È un metodo già più moderno. Invece di realizzare la maschera ingrandita, un macchinario genera il pattern ottico desiderato agendo direttamente sui pixel dell’immagine, che poi viene fotoridotta. Eliminando la pellicola vengono eliminate le fonti di incertezza dovute al materiale plastico (graffi, deformazioni..).
• Scansione elettronica: È il metodo migliore. Invece di utilizzare una pellicola fotosensibile ne viene utilizzata una elettro-sensibile, cioè sensibile agli elettroni. Invece di avere un sistema ottico si ha un generatore di fascio di elettroni direzionale riducibile con lenti magnetiche, che risulta essere molto più preciso.

Dopo aver agito sulle opportune aree del wafer viene rimosso tutto, prima di ripetere il procedimento più volte, per ottenere il circuito completo. Vengono quindi apposte sul wafer diverse maschere. La precisione con cui queste maschere si devono sovrapporre deve essere inferiore al μm, anche perché ci sono degli errori di posizionamento. Questi vengono comunque ridotti al minimo da un operatore che, con microscopio e microregolatori, posiziona correttamente la maschera, aiutato da dei riferimenti.

4. Drogaggio

Lo strato di silice, oltre a fornire protezione, crea una barriera per il drogaggio. Gli elementi droganti infatti possono raggiungere il silicio solo dove la silice è stata dissolta con acido fluoridrico. Il drogaggio avviene secondo due tecniche: una a caldo ed una a freddo.

• Processo di diffusione: Avviene ad una temperatura di alcune centinaia di gradi, solitamente 900° C. Il silicio viene sottoposto ad un trattamento con gas drogante, che si deposita (dove possibile) generando una zona drogata non perfettamente corrispondente alla maschera. Il processo di diffusione è regolato da leggi chimico-fisiche che spiegano questo fenomeno. In particolare, le leggi di Fick: φ = -D (dN/dx) dove φ è il flusso di particelle (in questo caso i droganti), D la costante di diffusione, N la concentrazione di materiale (drogante) e x l’asse di diffusione (supponiamo, per semplicità, che il processo avvenga in un’unica direzione, ma in realtà avviene nelle 3 dimensioni!). La costante di diffusione D è importante perché ci permette di capire come evolve la diffusione al variare del materiale e della temperatura. Sappiamo infatti che il valore di D aumenta all’aumentare della temperatura, diminuisce all’aumentare del peso atomico. Se la temperatura aumenta le particelle avranno velocità maggiore e sarà quindi più facile che si inseriscano all’interno del materiale.