e bassi costi di fabbricazione. Questi dispositivi solitamente utilizzano come

Introduzione

Negli ultimi anni la qualità della vita è migliorata sotto vari punti di vista grazie al continuo progresso tecnologico ed industriale; questo ha però creato molti problemi all’ambiente e alla salute umana. Ecco quindi la necessità di monitorare il livello di inquinamento, in particolar modo quello dell’aria, sia all’aperto che negli ambienti chiusi. Diretta conseguenza di tale necessità è stata la nascita di un forte interesse per lo studio e lo sviluppo di sensori di gas.

Fra i vari tipi di sensore di gas, quelli a stato solido rivestono un ruolo di

grande importanza perché hanno un funzionamento semplice, dimensioni ridotte

e bassi costi di fabbricazione. Questi dispositivi solitamente utilizzano come

elemento sensibile ossidi semiconduttori (o comunque materiali solidi con

proprietà elettriche che variano in presenza nell’ambiente di specie chimiche in

fase gassosa o liquida). Questi ossidi vengono sfruttati in strutture come resistori,

dispositivi ad effetto di campo e condensatori, in cui si vanno a misurare le

variazioni di conducibilità (per i primi due casi) o di permittività (per i

condensatori). Lo svantaggio degli ossidi semiconduttori è dovuto principalmente

Introduzione IV

al fatto che questi materiali non sono compatibili con i processi di integrazione del silicio. Questo comporta l’impossibilita’ di integrare il sensore con i circuiti di controllo/lettura. Inoltre, questi materiali devono lavorare ad alte temperature (300–400° C) per poter ottenere un buon funzionamento del sensore.

Un materiale molto interessante per la fabbricazione di sensori di gas è il

silicio poroso, caratterizzato da un elevato rapporto superficie/volume, oltre che

da una notevole reattività chimica e la potenziale compatibilità con l’elettronica

del silicio. Sono stati già proposti sensori di umidità e di ossidi di azoto (NO

)

basati su questo materiale, che sfruttano una variazione della concentrazione di

cariche libere e quindi della conducibilità (per effetto delle molecole adsorbite

sulla superficie dei pori) o della permittività (a causa della condensazione del gas

nei pori). In generale però queste strutture hanno il grosso difetto di essere poco

compatibili con i processi di fabbricazione standard per la fabbricazione dei

circuiti integrati. In questi sensori, infatti, la produzione del silicio poroso,

ottenuto mediante un processo elettrochimico in soluzione acquosa di acido

fluoridrico, è inserito come passo intermedio nella fabbricazione del sensore; ciò

potrebbe comportare la contaminazione sia del wafer che degli impianti di

produzione. Inoltre il silicio poroso formato dovrebbe poi sopportare i successivi

passi termici e di attacco, che potrebbero deteriorarne le proprietà elettriche e

morfologiche.

Introduzione V

Un nuovo tipo di sensore che utilizza il silicio poroso è stato realizzato, presso i Laboratori di Tecnologie Microelettroniche e Microsistemi del Dipartimento di Ingegneria dell’Informazione dell’Università di Pisa, a partire da wafer forniti da STMicroelectronics. In questo sensore la fase di produzione del silicio poroso mediante attacco elettrochimico in HF è stata inserita come passo tecnologico finale del processo di fabbricazione. Il sensore presenta una semplice struttura che ha come contatti una coppia di pad di alluminio interdigitati deposti su silicio di tipo p, ottenuto per impiantazione ionica su substrato cristallino di tipo n. Il sensore viene realizzato mediante un processo tecnologico piuttosto semplice, dato che richiede solo due passi di litografia; nella regione di silicio di tipo p non coperta dall’alluminio si realizza uno strato di silicio poroso che, estendendosi in profondità fino ad un’opportuna distanza dall’interfaccia silicio di tipo p-silicio di tipo n, porta alla formazione di un canale cristallino di silicio drogato di tipo p.

Le specie chimiche adsorbite nello strato poroso provocano variazioni nella corrente di conduzione che scorre nel canale cristallino.

Oggetto di questo lavoro di tesi sono state sia la fase di fabbricazione che la successiva caratterizzazione elettrica di questo tipo di sensore di gas.

Lo studio in particolare aveva lo scopo di valutare la dipendenza delle prestazioni

del sensore dalle caratteristiche dello strato poroso, che ne rappresenta lo strato

sensibile. A tale scopo sono stati fabbricati e caratterizzati elettricamente vari

campioni, che si diversificano per la profondità dello strato poroso e per la sua

Introduzione VI

porosità. I parametri del processo di attacco elettrochimico in HF che sono stati fatti variare sono la densità di corrente di anodizzazione e la durata dell’attacco.

Un altro aspetto interessante di questo sensore è la possibilità, mediante il terzo terminale di Gate, di modulare la sezione del canale cristallino applicando opportune tensioni di polarizzazione: anche gli effetti di questa modulazione del canale sulle prestazioni del sensore verranno analizzati in questo lavoro di tesi.

Il funzionamento del sensore è stato esaminato con vapori organici di alcuni alcoli (isopropanolo, etanolo e metanolo), realizzando due diversi tipi di caratterizzazioni: corrente-tensione (I-V) e corrente-tempo (I-t).

Infine è stato sviluppato un modello di funzionamento del sensore, per

comprendere come i vapori organici adsorbiti possano modificare la corrente di

conduzione nel canale.