G. Barillaro , P. Bruschi, A. Diligenti, F. Pieri Tecnologie Microelettroniche e Microsistemi

1. 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

2. 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

3. 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

4. Dissoluzione elettrochimica del silicio in H2O/HF • La dissoluzione del silicio è attivata dalle lacune • La morfologia dello strato risultante dipende dai parametri di attacco: • Materiale nanostrutturato random • Materiale microstutturato ordinato Caratteristica densità di corrente-tensione

5. 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

6. 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

7. 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

8. Microstrutture fabbricate - 1 Macropori Spirali quadrate Micropiani

9. Microstrutture fabbricate - 2 Punte Colonne Tubi Strutture 3D Spirali circolari

10. Dispositivi a vuoto integrati – Nanotriodi (1) • Applicazioni • Elettronica • Dispositivi per le radiofrequenze • Flat panel displays • Spazio • Neutralizzatori di carica • Ambiente • Microsensori

11. Anodo Anodo Gate d r 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(-b3/2/V)  funzione lavoro del metallo • Lastra metallica: Eplate= V/d • Punta metallica: Etip=V/5rtipper rtip 100 Å

12. HF 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

13. 10 nm Matricidi nanopunte - 2 • Processo di fabbricazione • Ossidazione termica (ossido di isolamento) • Evaporazione elettrodo di estrazione (cromo) • Lift-off delle nanopunte in silicio • Processo autoallineato ad una maschera

14. 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 Simulazioni nanopunte

15. 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

16. 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

17. 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

18. PS Source Drain Source Drain Drain 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

19. 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

20. Integrazione del chip in BCD6 (1) • Fabbricazione del chip • 0.35 μm BCD6 (Bipolar+CMOS+DMOS) of STMicroelectronics • Substrato di tipo p • Welldi tipo p e n • Impianti di tipo p+ e n+ • 3 livelli di metal • 4 mm x 4 mm large 4 mm

21. Integrazione del chip in BCD6 (2) Electronics Sensor • 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

22. APSFET R2=0.9986 On-chip elements Interfaccia integrata di pilotaggio-lettura • Dipendenza esponenziale: Vout-VREF=a●exp(b●[NO2]) • [NO2]=100 ppb corrisponde a VOUT=1.2 V

23. Vtsh On-chip elements Circuito di allarme On-Chip per il rilevamento di NO2 Vtsh=1.2 V corrisponde a [NO2]=100 ppb

24. Ringraziamenti Si ringrazia STMicroelectronics stabilimento di Cornaredo (Milano)-Italia Grazie