g. barillaro , p. bruschi, a. diligenti, f. pieri tecnologie microelettroniche e microsistemi
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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. - PowerPoint PPT PresentationTRANSCRIPT
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Il silicio poroso: un materiale nanostrutturato per la fabbricazione di nuovi dispositivi a stato solido
G. Barillaro, P. Bruschi, A. Diligenti, F. Pieri
Tecnologie Microelettroniche e MicrosistemiDipartimento di Ingegneria dell’InformazioneUniversità di Pisa (I)
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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
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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
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Dissoluzione elettrochimica del silicio in H2O/HF
Caratteristica densità di corrente-
tensione
• La dissoluzione del silicio è attivata dalle lacune
• La morfologia dello strato risultante dipende dai parametri di attacco:– Materiale nanostrutturato
random– Materiale microstutturato
ordinato
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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
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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
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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
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Microstrutture fabbricate - 1
Micropiani
Macropori
Spirali quadrate
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Tubi Colonne Punte
Spirali circolari Strutture 3D
Microstrutture fabbricate - 2
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Dispositivi a vuoto integrati – Nanotriodi (1)
• Applicazioni– Elettronica
• Dispositivi per le radiofrequenze
• Flat panel displays
– Spazio• Neutralizzatori di
carica
– Ambiente• Microsensori
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Dispositivi a vuoto integrati – Nanotriodi (2)
• Emissione di elettroni ad effetto di campo– Emissione metallo-vuoto
Efe 0.5 V/Å
– Fowler-Nordheim:I = aV2exp(-b3/2/V) funzione lavoro del metallo
– Lastra metallica:Eplate= V/d
– Punta metallica:Etip= V/5rtip per rtip 100 Å
r
d
Anodo
Anodo
Gate
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s S’
Matrici di nanopunte - 1
• Processo di fabbricazione
– Silicio n, 100, 2.4-4
·cm
– Ossidazione termica
– Definizione geometria
– Attacco in KOH
– Attacco elettrochimico
in H2O/HF
HF
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• Processo di fabbricazione– Ossidazione termica
(ossido di isolamento) – Evaporazione elettrodo
di estrazione (cromo)– Lift-off delle nanopunte
in silicio
• Processo autoallineato ad una maschera
10 nm
Matricidi nanopunte - 2
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Simulazioni nanopunte
• ISE-TCAD– Nanopunta
• Silicio cristallino di tipo n• Raggio curvatura: 10nm
– Isolamento• Ossido di silicio
– Elettrodo di estrazione• Metallo
– Corrente di emissione • 0.5 μA per punta@200V• 0.75 A/cm2@200V
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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
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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
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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
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APSFET ̶̶̶̶ Principio di funzionamento
• 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
PSDrain Source
Drain
Drain
Source
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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
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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
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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
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Interfaccia integrata di pilotaggio-lettura
APSFET
On-chip elements
Dipendenza esponenziale: Vout-VREF=a●exp(b●[NO2])
• [NO2]=100 ppb corrisponde a VOUT=1.2 V
R2=0.9986
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Vtsh
Circuito di allarme On-Chip per il rilevamento di NO2
On-chip elements
Vtsh=1.2 V corrisponde a [NO2]=100 ppb
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RingraziamentiSi ringrazia STMicroelectronics
stabilimento di Cornaredo (Milano)-Italia
Grazie