Istituto per la microelettronica e microsistemi (IMM)

Attività di ricerca

Le tematiche su cui è organizzata l'attività di ricerca dell'IMM sono quattro:
a) materiali, processi e dispositivi per la microelettronica;
b) sensori e microsistemi;
c) optoelettronica e fotovoltaico;
d) sviluppo di tecniche di caratterizzazione avanzate per materiali e processi.

a) Materiali, processi e dispositivi per la microelettronica
L'ulteriore riduzione delle dimensioni dei dispositivi elettronici previsto per i prossimi anni richiede un forte impegno nello studio delle proprietà dei materiali e dei principali step di fabbricazione dei componenti. L'attività in questo settore spazia da studi di base di carattere teorico, alla sperimentazione di nuovi processi tecnologici, fino alla progettazione, fabbricazione e caratterizzazione di nuovi dispositivi. Per questo sono richieste competenze di tipo fisico, matematico, chimico, tecnologico e ingegneristico, tutte attualmente presenti nell'IMM.
Sul piano teorico, metodi ab-initio e semiempirici (classici e quanto-meccanici) verranno usati per lo studio della formazione e caratterizzazione di clusters di materiali covalenti, metallici e ossidi stannici, mentre tecniche di dinamica molecolare classica ed approcci stocastici (Monte Carlo) troveranno applicazione nella simulazione di processi, quali impiantazione ionica e crescita di film sottili, e nello studio di superfici di silicio.
La realizzazione delle giunzioni richieste dalla microelettronica del futuro implica lo studio di molteplici aspetti del processo di drogaggio del silicio: i) impiantazione ionica a energie inferiori a 1 keV; ii) processi termici innovativi (spike annealing, excimer laser annealing); iii) uso di specie non convenzionali (indio, azoto); iv) esperimenti di ingegneria dei difetti; v) sviluppo di modelli e programmi di simulazione sia a livello atomistico che al continuo; vi) utilizzo di tecniche avanzate di analisi elettriche, chimiche e strutturali con prestazioni adatte alla caratterizzazione di strati nanometrici in una e due dimensioni.
Nel settore delle memorie verranno realizzati prototipi di memorie MOS a floating gate in cui l'informazione (carica elettrica) viene immagazzinata in quantum dot di silicio completamente immersi in dielettrico. In ciascun dot il numero di elettroni immagazzinati è piccolo (tra 0 e 10) e gli effetti di quantum Coulomb blockade giocano un ruolo importante nel regolare i fenomeni di trasporto di carica. Una singola cella di memoria a nanocristalli potrebbe realisticamente consentire una riduzione di circa un fattore due nello spessore del dielettrico di gate e avere bisogno di meno di 1000 elettroni per l'immagazzinamento dell'informazione. Sotto questo aspetto, tali dispositivi potrebbero dunque rappresentare un primo passo concreto verso l'applicazione della nanoelettronica allo scaling delle memorie flash. Ci proponiamo di realizzare tali prototipi di memoria, studiando il processo di self-assembling che produce i quantum dot di Si, le geometrie che ottimizzano le performance elettriche, e gli aspetti salienti del trasporto di carica.
Verranno inoltre proseguite le ricerche sull'affidabilità dei dispositivi elettronici, studiando la fisica dell'invecchiamento e del breakdown negli ossidi di gate di spessore di pochi nm sottoposti ad alti campi elettrici ed estendendo dall'alluminio al rame lo studio dei fenomeni di elettromigrazione su linee di interconnessione di larghezza 0.15 micrometri. La realizzazione di dispositivi avanzati per applicazioni di potenza o per alte frequenze o temperature non può prescindere dallo sviluppo delle conoscenze di base dei materiali innovativi e dei relativi processi di lavorazione. In particolare è prevista la realizzazione di dispositivi in SiC e lo sviluppo dei processi per la loro realizzazione. L'attività sarà principalmente rivolta allo studio della crescita omo ed eteroepitassiale, a processi litografici integrati, al drogaggio per impiantazione ionica, allo studio del processo di ossidazione, alla realizzazione di contatti ohmici e Schottky, e allo sviluppo di metallizzazioni avanzate. L'introduzione di nuove tecniche di metallizzazione basate su materiali innovativi come siliciuri o leghe è uno degli aspetti chiave dei dispositivi, in particolare quelli di potenza. Infatti, dovendo essere attraversati da alte densità di corrente, è importante che, oltre a minimizzare la resistenza di strato, come richiesto in generale per i dispositivi ULSI, sia minimizzata anche la resistenza di contatto. Inoltre, a causa degli elevati budget termici necessari per i vari processi è necessario che queste metallizzazioni siano stabili ad alte temperature. Per applicazioni in radiofrequenza è necessario sviluppare materiali ad altissima costante dielettrica; per questo si prevede lo sviluppo di metodi di deposizione per MOCVD (Metal Organic Chemical Vapour Deposition). Verranno alfine realizzati su SiC prototipi di diodi Schottky di potenza e di transistori MESFET a canale n.

b) Sensori e Microsistemi.
Quest'area è coperta da parte dell'IMM da numerose attività, affini dal punto di vista tecnologico, e di forte impatto interattivo, presenti nelle sezioni di Bologna, Roma, Napoli, Lecce e Catania. Queste attività hanno al momento dato risultati soddisfacenti, come può essere messo in evidenza dalla ottima reputazione riscontrabile a livello di pubblicazioni, di conferenze organizzate e di incarichi internazionali. La nascita dell'IMM ha messo ancora più in evidenza la feconda pluralità di linee di ricerca premente su quest'area e l'opportunità di avviare cooperazioni fra le sezioni in modo da raggiungere i numeri critici necessari per provocare un auspicato grado di competitività più forte in ambito internazionale. Al fine di continuare ad acquisire conoscenze ed esplorare nuovi settori d'interesse industriale e di validità scientifica viene proposto, ma anche ampliato, il ventaglio di attività recentemente programmate, tenendo presente le nuove possibilità (già promosse) di utilizzazione delle competenze pluridisciplinari che derivano dalla costituzione dell'Istituto e che ne rappresentano il forte valore aggiunto. Vengono sintetizzate le linee di ricerca, pertinenti a quest'area, per ogni Sezione, unitamente ad alcune ipotesi proiettive valide, con buona approssimazione, per il periodo 2003-2005. Sono previste collaborazioni, più o meno strette, fra tutte le sezioni, in massima parte già identificate.
Bologna - Sviluppo ottimale di tecnologie per la realizzazione di prototipi di testine di stampa a getto di inchiostro, di tecniche avanzate di microlavorazione del silicio, di sensori per gas basati su tecniche interferometriche e su ossidi metallici variamente drogati, nonché di sistemi miniaturizzati per analisi di composti volatili. Proiezioni: ottimizzazione dei processi per tutti i microsistemi e passaggio (a forte valenza strategica) a strutture polifunzionali.
Roma - Studio del comportamento di materiali, di sensori e di sistemi di sensori (nasi e lingue elettroniche) di tipo fisico, chimico e biologico volto al miglioramento delle prestazioni e per applicazioni specifiche nei settori medicale, agroalimentare, spaziale; sviluppo di materiali mesostrutturati per sensori di umidità e di VOC; sviluppo di microsistemi per applicazioni a microonde ed onde millimetriche. Proiezioni: realizzazione di nasi elettronici dotati di controllo di umidità e temperatura con narici miniaturizzate e di sensori a dotati di maggiori velocità dei risposta, nei confronti di composti volatili. Sviluppo di microinterruttori per applicazioni a microonde ad alta affidabilità e di nuovi materiali chimicamente sensibili.
Napoli - Sviluppo di sensori ottici assoluti per la misura della temperatura e del campo elettromagnetico; sensori ottici in silicio poroso per grandezze chimiche, matrici di sensori di deformazione, ad alta risoluzione, accoppiati a sensori di bragg in fibra ottica. Proiezioni: miglioramento delle prestazioni dei sensori in termini di stabilità e risoluzione.
Lecce - Sviluppo di sensori singoli con traduzione elettrica o ottica e di matrici di sensori per applicazioni nei settori agro-alimentare ed ambientale, basati su ossidi semiconduttori e materiali organici variamente drogati, impiego di tecniche di caratterizzazione fisico- chimica; sviluppo di tecniche avanzate per l'elaborazione dati e applicazione di modelli computazionali per lo sviluppo di sistemi intelligenti. Proiezioni: sviluppo ottimale della tecnologia del sol gel per la realizzazione di matrici dei sensori, messa a punto dei procedimenti di calibrazione ed i pattern recognition, sensoristica virtuale e reti wireless applicate al contesto sensoristico.
Catania - Sviluppo tecnologico degli steps di processo per la realizzazione e la validazione di microfuel cells, come microsistemi tipo "lab-on-chip energy generator" per la generazione di energia elettrica nei circuiti integrati di bassa e media potenza ;ottimizzazione del progetto globale per il raggiungimento del miglior rapporto energia / volume´costo. Proiezioni: collaudo del microsistema polifunzionale "lab-on chip energy generator" e valutazione delle prestazioni dei singoli segmenti di processo ed allargamento dei tipi possibili di applicazioni.

c) Optoelettronica e fotovoltaico.
Le tematiche sviluppate dall'IMM nel campo dell'optoelettronica e del fotovoltaico riguardano due linee di ricerca principali: I) Optoelettronica e fotovoltaico in silicio e in suoi composti; II) Optoelettronica in LiNbO3 e in semiconduttori composti III-V e II-VI.
I) Optoelettronica e fotovoltaico in silicio e in suoi composti.
Le notevoli competenze e sinergie sviluppate nelle Sezioni di Bologna, Catania e Napoli consentono la realizzazione di una vasta gamma di componenti optoelettronici sfruttando le avanzate tecnologie del silicio cristallino, microcristallino, amorfo e poroso. I principali dispositivi realizzati sono guide d'onda, modulatori, switch, sorgenti, amplificatori ottici, rivelatori, filtri accordabili in lunghezza d'onda per reti ottiche a divisione di lunghezza d'onda, ecc. L'impiego di avanzate tecniche di micromachining consentono anche la realizzazione di dispositivi MOEMS (micro-opto-electro-mechanical-systems) per le telecomunicazioni ottiche e di microbanchi ottici per l'integrazione ibrida di componenti in circuiti fotonici integrati. Le tecnologie sviluppate vanno dalla VLSI standard (per l'integrazione immediata di dispositivi fotonici in circuiti microelettronici), alle tecniche più sofisticate di realizzazione di cristalli fotonici, di nanostrutture di silicio drogate e/o in matrice di ossidi, di leghe SiC amorfe ricristallizate. Significativi sono inoltre gli studi finalizzati all'integrazione di materiali organici (polimeri, cristalli liquidi, etc.) e biologici su chip per accrescere le funzionalità e le prestazioni dei componenti realizzati.
L'attività nel settore fotovoltaico si concentra prevalentemente sulla realizzazione di celle ad eterogiunzione ottenute per deposizione a bassa temperatura (PECVD) di multistrati microcristallini e amorfi. Tale attività è supportata dallo sviluppo di adeguati modelli e metodi di analisi della risposta spettrale.

II) Optoelettronica in LiNbO3 e in semiconduttori composti III-V e II-VI.
Tale attività, già frutto di collaborazione tra le sezioni di Bologna e Napoli, integra le competenze maturate a Bologna nella realizzazione di strutture guidanti in LiNbO3 impiantate con ossigeno, con quelle di Napoli nel campo della progettazione e caratterizzazione di componenti fotonici. Particolare interesse è rivolto allo sviluppo di nuove famiglie di componenti, quali i commutatori e deflettori ottici basati sulla tecnica innovativa dei domini a polarizzazione invertita. Si punta inoltre all'utilizzo della tecnologia del LiNbO3 per la realizzazione di sistemi ottici miniaturizzati di elevate prestazioni per applicazioni spaziali (quali interferometri e filtri integrati Mach-Zehender).

L'attività riguardante lo sviluppo di dispositivi a base di semiconduttori composti, sviluppata principalmente nella Sezione di Lecce, concerne da una parte la realizzazione di rivelatori di radiazione X e infrarossa, e dall'altra la messa a punto di materiali emettitori nel blu-UV e nel verde. Vengono realizzati array di rivelatori di raggi X a base di cristalli di volume di GaAs, CdTe o CdZnTe che trovano impiego in applicazioni mediche (imaging radiologico per mammografia, tomografia, medicina nucleare) e spaziali (astronomia x, imaging spettroscopico). Progettazione di nuove configurazioni elettrodiche consentono di ottimizzare la raccolta di carica massimizzando al contempo l'efficienza. Gli studi condotti indagano la distribuzione dei campi elettrici all'interno dei dispositivi, i processi di intrappolamento di carica ed i meccanismi di trasporto all'interfaccia semi-isolante/contatto, particolarmente critici nel determinare le caratteristiche spettroscopiche dei rivelatori.
L' attivita' sui rivelatori di radiazione infrarossa per applicazioni nelle telecomunicazioni parte da eterostrutture a base di composti III-V, compatibili con le tecnologie optoelettroniche e quindi integrabili. Lo studio di meccanismi di confinamento e trasporto dei portatori fotogenerati dalla radiazione consente l'affinamento della progettazione che si pone l'ambizioso obiettivo di migliorare velocita', rumore, efficienza dei dispositivi attualmente disponibili sul mercato. L'attività relativa agli emettitori nel blu-UV e nel verde, svolta in collaborazione con il Laboratorio di crescita epitassiale presso il Dipartimento di Ingegneria dell'Innovazione dell'Universita' di Lecce riguarda la realizzazione e lo studio di eterostrutture basate su semiconduttori composti II-VI a larga-gap. Una parte di tale attività è dedicata alla realizzazione di eterostrutture per dispositivi emettitori nella regione spettrale del verde puro (550-580 nm), regione di grande interesse per la trasmissione di segnali in fibre ottiche plastiche per la realizzazione di reti LAN a basso costo e per l'utilizzo nei display TV. Le problematiche inerenti alla realizzazione di dispositivi opto-elettronici ed in particolare di laser nel blu-UV vengono affrontate mediante lo studio delle proprietà di eterostrutture a base di ZnO e delle sue leghe (ZnCdO, ZnMgO, ecc.).
Infine, viene investigata la possibilità di realizzare quantum dots e rods in materiali colloidali II-VI da applicare al campo delle telecomunicazioni ottiche.

d) Sviluppo di tecniche di caratterizzazione avanzate per materiali e processi.
Le problematiche connesse allo sviluppo di materiali, processi e dispositivi avanzati per la microelettronica e i microsistemi richiedono uno sforzo considerevole nel campo delle tecniche di caratterizzazione. L'Istituto può contare su competenze di altissimo livello nei settori della microscopia elettronica, delle caratterizzazioni profilometriche (con fasci ionici, spreading resistance, X-ray diffraction, scanning capacitance, CBED, ...), delle caratterizzazioni elettriche, e di quelle ottiche. Inoltre, la strumentazione presente nelle varie sezioni dell'Istituto è estremamente sofisticata e complessa e, in alcuni casi, presente in condizioni di unicità nel panorama nazionale.
Le aree di attività coperte sono principalmente due. La prima riguarda lo sviluppo e/o il potenziamento di metodi di caratterizzazione bi- e tridimensionale in strutture microelettroniche avanzate. Si tratta di una linea di attività assolutamente essenziale per far fronte alle richieste analitiche sempre piú stringenti che provengono dal settore della microelettronica ad altissimo livello di integrazione. Gli argomenti di spicco che sono oggetto di continua investigazione e sui quali l'Istituto possiede delle competenze di prim'ordine riconosciute a livello internazionale sono i seguenti:
1. determinazione dei campi di deformazione in strutture CMOS ultrascalate mediante diffrazione elettronica a fascio convergente (CBED);
2. mappatura chimica ad altissima risoluzione spaziale di strati e profili di drogaggio mediante microscopia elettronica in trasmissione con filtro di energia (EFTEM) e microscopia elettronica a scansione in trasmissione (STEM);
3. profilometria bi- e tridimensionale dei droganti elettricamente attivi in silicio mediante TEM a contrasto di fase in fuori fuoco, mediante TEM su sezioni trasversali sottoposte ad attacchi chimici selettivi, mediante misure di capacità in microscopia a scansione sonda;
4. olografia ottica digitale per lo studio delle deformazioni e della topografia in microsistemi MEMS/MOEMS.
La seconda area riguarda, invece, la caratterizzazione delle proprietà fondamentali di materiali avanzati, nanostrutturati e funzionali (biomateriali, semiconduttori, difetti ...). Anche in quest'area operano gruppi di ricerca dell'Istituto con ottime competenze e che spesso coordinano progetti sui quali sono coinvolti altri centri di ricerca nazionali ed internazionali. Le attività oggetto di sviluppo sono le seguenti:
1. cristallografia elettronica per lo studio di materiali (cristalli composti, strutture con modulazione strutturale, materiali nanostrutturati, magnetici e semiconduttori a strati)
2. tecniche di diffrazione, riflessione e diffusione di raggi X per lo studio delle caratteristiche strutturali di materiali semiconduttori, con particolare riguardo alle giunzioni ultra-sottili;
3. elaborazione delle immagini TEM, ottenute con la tecnica dei fasci deboli, allo scopo di ricavare profili di contrasto del danno prodotto da impiantazione ionica;
4. sviluppo di tecniche analitiche basate su fasci ionici (RBS, RBS-channeling) per lo studio di difetti indotti da impianto ionico in materiali cristallini (Si, SiC, LiNbO3);
5. microscopia ottica in approssimazione di campo vicino (NSOM) per lo studio ottico ed elettrico su scala nanometrica e a temperature criogeniche;
6. sviluppo di modelli riguardanti il trasporto, la ricombinazione e la raccolta dei portatori nei semiconduttori, in particolare in presenza di disomogeneità o difetti;
7. tecniche interferometriche per lo studio della dipendenza dalla temperatura dell'effetto termo-ottico di materiali per optoelettronica.