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TEMA 4 Tecnología y fabricación de CIs D. Formación y deposición de capas aislantes y conductoras
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TEMA 4
Tecnología y fabricación de CIs
D. Formación y deposición de capas aislantes y conductoras
Para fabricar dispositivos discretos y CI se utilizan diferentes clases de capas finas, que podemos clasificar dentro de cuatro grupos: Oxidos térmicos Capas dieléctricas Si policristalino o polisilicio o poly-Si Capas metálicas
Tema 4. Tecnología y Fabricación de CIs
I. Introducción: capas aislantes y conductoras
Sección transversal de un dispositivo MOSFET en las que se utilizan estos cuatro
tipos de capas
Las capas metálicas permiten realizar la interconexión entre diferentes regiones del semiconductor y el cableado externos.
El papel de los aislantes es muy importante, por ejemplo: Sirve como máscara contra la implantación o difusión de dopantes en Si Proporciona una pasivación de la superficie superior y la aisla frente a agentes externos Aisla a dispositivos de dispositivos adyacentes Actúa como componente en estructuras MOSFET Proporciona un aislamiento eléctrico en sistemas de metalización multinivel
Esta gran variedad de capas (tanto aislantes como conductoras) pueden clasificarseen dos grupos:
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I. Introducción: capas aislantes y conductoras
Comparación de grosor del óxido Si (SiO2) de las capas nativas y depositadas de dependiendo de su aplicación en
tecnología de Si
Capas nativas: Capas que se crecen en el semiconductor en si mismo. Se distinguen por su fácil
formación y excelentes características de la interfazentre el semiconductor y la capa nativa
Capas depositadas: Capas que se depositan en el semiconductor en el cuál se está realizando el circuito integrado. Técnicas de deposición
Se han desarrollado muchas técnicas para formar capas nativas:
1. Procesos térmicos: OXIDACIÓN o NITRIDACIÓN TÉRMICA capas densas y libres de trampas en Silicio y pobres en GaAs. Estudiaremos: La oxidación térmica del Si: SiO2 Estudio más detallado pues es la base
de la pasivación en Si La nitridación térmica del Si: Si3N4 La oxidación térmica del GaAs: da lugar a una capa que contiene óxidos de
Ga y óxidos de As y también As libre (son aislantes eléctricos pobres y no se utilizan)
2. Procesos electroquímicos o ANODICOS los óxidos anódicos Estudiaremos las ventajas de la anodización en Si y principalmente en GaAs
3. Procesos de oxidación asistida por PLASMA: éstas técnicas son novedosas y prometedoras
Estudiaremos sus características y utilización en Si y GaAs
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II. Capas nativas: introducción
Características generales del SiO2 Térmico Permite la formación de óxidos con interfaces de muy buena calidad y alta adherencia No es el mismo proceso que la deposición de una capa de óxido (donde la composición del material
depositado se puede controlar). El óxido de Si: ha sido el responsable del gran desarrollo de la microelectrónica debido a:
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II. Capas nativas: Oxidación térmica del Si (SiO2 térmico)
Fácil producción Su gran estabilidad térmica y eléctrica Superficie Si/SiO2 tiene propiedades
eléctricas muy buenas estables, controlables y reproducibles
ρ ρ ρ ρ > 1020 Ω cm, Eg> 9eV
Elevado campo de ruptura: 107 V cm-1
Es posible realizar un grabado selectivo mediante litografía con excelente selectividad entre Si y SiO2
SiO2 es una buena máscara para la difusión de las impurezas más comunes
Características generales del SiO2 Térmico
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II. Capas nativas: Oxidación térmica del Si (SiO2 térmico)
Evolución de las características de un sistema de DRAM (Memorias RAM dinámicas)
Cox ≡≡≡≡ εεεεox / tox
L
WCKoxe
µ2
1=
( )[ ]22DSDSTGSDVVVVKI −−=
Vamos a estudiar:
Formación del óxido de Si. Técnicas de oxidación térmica estándar
Características morfológicas y propiedades del óxido térmico de Si
Sistemas u hornos de oxidación.
Modelo de oxidación (Deal y Grove) y su ajuste a datos experimentales. Dependencia con la Tª Dependencia con la presión Comparativa de los diferentes tipos de óxidos
Efectos de la oxidación térmica en el semiconductor: Redistribución de dopantes en la interfaz Si/SiO2
Defectos producidos por la oxidación
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II. Capas nativas: Oxidación térmica del Si (SiO2 térmico)
SiO2 Térmico
Existen dos tipos de oxidación térmica dependiendo del ambiente de oxidación (cambian las reacciones químicas en la superficie del Silicio):
Oxidación seca: mediante oxígeno (T = 800 –1200 ºC, P=1 atm)
Si (sólido) + O2 (gas) → SiO2 (sólido) : Mejor calidad
En este proceso, una molécula de oxígeno produce una molécula de SiO2
IMPORTANTE: Siempre hay una oxidación que da lugar a un grosor de óxido mínimo cuyo espesor aproximado es de decenas de Å. En el ICECREM !!!! 0.0022µm=22 Å ¡¡¡¡
Oxidación húmeda: mediante vapor de agua (T = 800 –1200 ºC, P=1 atm)
Si (sólido) + 2H2O (gas) → SiO2 (sólido) + 2H2 (gas) : Mas rápida
En esta reacción, sin embargo, son necesarias dos moléculas de vapor de agua para producir una molécula de SiO2
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II. Capas nativas: Oxidación térmica del Si (SiO2 térmico)
Formación del óxido de Si Técnicas de oxidación térmica básicas
El proceso básico involucra que el Si y el O compartan electrones de valencia, el enlace de la estructura Si-O es covalente.
Estructura cristalina básica del SiO2
1 ion de Si rodeado tetraédricamente por 4iones de oxígeno:
Distancia entre Si-O: 1.6 Å, Distancia de O-O: 2.27 Å
En general, los tetraedros se unen con puentes de oxígeno de maneras múltiples
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II. Capas nativas: Oxidación térmica del Si (SiO2 térmico)
Características morfológicas del SiO2
Estructura del SiO2 (a). Estructuras cristalinas de SiO2: cuarzo (b) y estructura amorfa (c)
SiO2 sobre Si. SiO2 es amorfo incluso cuando se crece sobre un substrato cristalino
Ilustración de las posiciones del Silicio cerca de la interfase de Si-SiO2.Los átomos de Silicio en el substrato están marcados en azul, mientras que en el óxido están marcados en rojo.Los puntos negros representan las posiciones de silicio trasladadas en ausencia de desorden estático. La representación de cuatro unidades de celda en el Silicio se muestra en negro, mientras que en azul se muestran cuatro celdas expandidas en el óxido.
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II. Capas nativas: Oxidación térmica del Si (SiO2 térmico)
Espesor de silicio consumido durante la oxidación
El volumen se expande y resulta en una superficie externa de SiO2.
Para la formación de un grosor de óxido de anchura “Xox” se consume una capa de Si de grosor XSi= 0.46 Xox
La oxidación involucra una expansión del volumen : ≈ X 2.2 Por tanto en estructuras 2D y 3D, los efectos de stress
juegan un papel importante.
Detalle importante: Durante el proceso de la oxidación, la interfaz Si-SiO2 se mueve hacia el Silicio Interfaz fresca
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II. Capas nativas: Oxidación térmica del Si (SiO2 térmico)
Características morfológicas del SiO2
Expansión del volumen del SiO2crecido sobre Si cristalino
El sistema de oxidación básico es muy sencillo y se muestra en la figura: Es necesaria una limpieza previa a la oxidación (normalmente mediante procesos químicos
y posterior centrifugación para eliminar los reactivos y contaminantes) Tubo de cuarzo conteniendo las obleas de Si verticalmente en una barquilla: es idéntico a
una cámara de difusión Una fuente de O2 y/o de H2O Las Tªs de oxidación están normalmente en el rango 900-1200 ºC (Tª fusión del Si : 1412 ºC)
NOTA= En ICECREM, la oxidación y la difusión comparten el mismo menú Oxidación: aumento deTª que se realiza en ambiente seco o húmedo.
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II. Capas nativas: Oxidación térmica del Si (SiO2 térmico)
Sistemas u hornos de oxidación
Entrada de la cámara de oxidación
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II. Capas nativas: Oxidación térmica del Si (SiO2 térmico)
Sistemas u hornos de oxidación
Horno horizontal de tres tubos con control de temperatura multizona (izda). Horno vertical.
PLANTEAMIENTO: - Está basado en la velocidad de difusión de los átomos de O y el Si a través del SiO2.
Permite obtener la relación entre el grosor del óxido crecido (x), el tiempo de oxidación (t) y la Tª (T):
Consta de tres flujos (número de moléculas por m2 y s):
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II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
F1: Probabilidad de que los átomos de oxígeno se transfieran de la fase gaseosa al óxido :
F2: Probabilidad de que estos átomos se muevan a través del ya formado óxido (F2: flujo de transporte en el óxido) Este flujo ocurre por difusión (Ley de
Fick) y por tanto análogo a la difusión de electrones y huecos:
F3: Reacción en la interfaz Si/SiO2 mediante las reacciones químicas anteriormente descritas (F3: flujo de reacción en la interfaz)
RESOLUCION: Cálculo de los tres flujos:
F1: Aprox lineal: Se puede suponer que es proporcional a la diferencia entre la
concentración de oxígeno en el volumen del gas (CG) y la adyacente a la superficie (CS):
F1 = hg (CG-CS) con hg (coef. de transporte de masa)
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II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
F2: Aplicamos la Ley de Fick:
F2 = - D = D (CO-Ci)/x
D= difusividad
Hemos supuesto F2 constante con la distancia (ver figura) y donde x es el grosor del óxido crecido
F3: Flujo de reacción química supeficialF3 = - kS CikS= veloc. reacción superficial
dxdC
RESOLUCION: Igualando los tres flujos:
F1 = F2 = F3
Podemos resolver las ecuaciones y obtener los valores de Ci y CO en función de: x (espesor del óxido)
C* concentración de O en el óxido en volumen y en equilibrio (Valor conocido) Las constantes de los tres procesos: kS, D, h
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II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
D
xk
h
k
CC
SSi
++
=
1
*
D
xk
h
k
CD
xk
CSS
S
O
++
+
=
1
1 *
RESOLUCION:
También podemos calcular el espesor y la velocidad de crecimiento del óxido en función de los mismos parámetros: Obtenemos la siguiente ecuación de segundo grado:
x2 + A x =B (t-ττττ) donde:
El valor de ττττ representa un desplazamiento por la presencia de la capa inicial de óxido: x0. N1= número de moléculas de oxidante que se incorporan a la capa de óxido/volumen.
N1= 2.2 1022 cm-3: oxidación seca N1= 2 × 2.2 1022 cm-3: oxidación húmeda
Si resolvemos la ecuación, se obtiene:
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II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
+=hk
DA
S
112
1
*2
CDB =
−
+
+= 1
4
12
2
1
2
BA
tAx
τ
RESOLUCION: Casos límite de velocidad de crecimiento:
Para TIEMPOS PEQUEÑOS de oxidación (podemos despreciar el término cuadrático) la evolución temporal del espesor de óxido (SiO2) crecido es lineal con el tiempo:
x = B / A (t + ττττ)
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II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
B/A= velocidad de crecimiento lineal No depende de D. Oxidación controlada por la reacción en la interfaz Si/SiO2: coeficiente kS
Para TIEMPOS de oxidación MUY LARGOS que la evolución temporal del espesor de óxido (SiO2) crecido es parabólica con el tiempo
x = ( B t) ½
B= define la velocidad de crecimiento parabólica (oxidación controlada por difusión)
1
*2
CDB =
Dependencia con la temperatura: podemos deducir lo siguiente:
Si aumentamos la temperatura aumenta el espesor del óxido La oxidación húmeda es más rápida que la seca.
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II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
Constante de crecimiento lineal en función de la temperatura
Constante de crecimiento parabólicoen función de la temperatura
Dependencia con la presión:
Al aumentar la presión se produce una aceleración substancial en la velocidad de crecimiento. Las VENTAJAS de la oxidación a alta presión son principalmente:
Es útil para crecer óxidos de elevado grosor (como óxidos de aislamiento). Se pueden utilizar procesos de baja temperatura y obtener velocidades de crecimiento
comparables a las condiciones de 1 atm de presión y temperaturas elevadas.NOTA: De este modo se puede conseguir que se reduzca el movimiento de impurezas previamente difundidas o implantadas iónicamente (Ver
sección de introducción de impurezas).
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II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
Grosor del óxido en función del tiempo de oxidación para oxidación húmeda y diferentes temperaturas a P=1 atm.
Grosor del óxido en función del tiempo de oxidación para oxidación húmeda y diferentes presiones a 900 ºC
Sobre un substrato de Si dopado con 1016 cm-3
impurezas de boro se crece un óxido de Si mediante oxidación seca durante 120 minutos en condiciones de 1 atm y 1100 ºC. ¿Qué espesor del óxido hemos obtenido? ¿Qué ocurriría
si la oxidación se realiza en ambiente húmedo? Utilizar las gráficas adjuntas y suponer que la evolución
temporal del espesor del óxido es parabólica con el tiempo:
EJERCICIO 1:
II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
( ) 21
tBx =
SOLUCION: Para las condiciones del ejercicio, obtenemos el valor de
la constante parabólica, B.
B = 2.510-2 µµµµm2/hr.
Sustituimos en la ecuación (cuidado unidades) y obtenemos:
x= 0.22 µµµµm..
Repetir el cálculo en ambiente húmedo, comparar los resultados.
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Se crece un óxido de Si mediante oxidación seca durante 60 minutos en condiciones de 0.02 atm y 1030 ºC.
- Calcula el coeficiente de crecimiento parabólico B.
- ¿Para que valor de Temperatura se podría crecer un óxido de grosor idéntico al anterior si la oxidación seca se realiza a una presión de 1 atm?.
Razone la respuesta.
Utilizar las gráficas adjuntas.
Suponer que la evolución temporal del espesor del óxido es parabólica con el tiempo:
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EJERCICIO 2:
II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
Calidad del óxido: Comparativa oxidación seca-húmeda.
Utilización de la capa de SiO2 como máscara contra la impurificación.
Coeficiente de segregación.
Presencia de cargas en el óxido: La interfaz Si/SiO2 y en el volumen del óxido
tienen gran influencia en las propiedades de dispositivos MOSFET.
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II. SiO2 térmico: Propiedades de estas capas aislantes
Efectos de la oxidación térmica en el semiconductor:
Los óxidos crecidos mediante oxidación seca: Muestran mejores propiedades eléctricas puesto que son mas densos y muestran valores
superiores del voltaje de ruptura (5-10 MV/cm) óxidos de una mayor calidad. Se necesita más tiempo para realizar el crecimiento. Se utiliza fundamentalmente para la realización de óxidos delgados (en particular los óxidos
de puerta de dispositivos MOSFET ≤ 1000 Å). El valor del óxido inicial a t=0, es aproximadamente x0: 25 nm.
La oxidación húmeda: La velocidad de crecimiento del SiO2 es mucho mayor cuando el H2O es el oxidante. Se utiliza para el crecimiento de óxidos de campo y para máscaras. Para funciones de aislamiento o pasivación de superficies en BJTs o MOSFETs (≥5000 Å).
En general un proceso de oxidación consiste en: La secuencia de ciclos de oxidación seca-húmeda-seca (aunque la gran mayoría del óxido se
crece durante la fase húmeda). De este modo, la fase de oxidación seca proporciona una mayor densidad del óxido con un voltaje
de ruptura mejorado.
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II. SiO2 térmico: Propiedades de estas capas aislantes
Calidad del óxido. Comparativa oxidación seca-húmeda: Las propiedades del óxido se ven afectadas por las condiciones experimentales del crecimiento:
Óxidos de campo:
Pozos de aislamiento
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II. SiO2 térmico: Propiedades de estas capas aislantes
Calidad del óxido: Comparativa oxidación seca-húmeda:
Shallow trench isolation
Propiedades de SiO2 como máscara contra impurificación:
La capa de SiO2 es una máscara selectiva contra la difusión de átomos dopantes a Tª elevada y muy útil en la fabricación de circuitos integrados (CIs) La difusión en el óxido debe ser muy lenta en
comparación con la difusión en el semiconductor: determinación experimental de los grosores requeridos de óxidos previamente a la realización de la difusión.
Las impurezas más utilizadas: P, Sb, As, B, tiene un coeficiente de difusión en el SiO2 muy bajo y por tanto son compatibles con estas máscaras
Los resultados experimentales: las propiedades de las máscaras de SiO2 es 10 veces mayor para la difusión frente a Boro (B) que frente a fósforo (P).
Los grosores de las máscaras oscilan entre 0.5- 0.7 µm
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II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
Grosor de SiO2 necesario para su utilización como máscara para difusión del Boro y del Fósforo (en función del tiempo de difusión).
El cociente (o ratio) entre la concentración de equilibrio de dopantes en Si y la de SiO2 en la superficie se denomina coeficiente de segregación de impurezas (k):
Coeficiente de Segregación: redistribución de dopantes en la interfaz Si/SiO2. Al producirse la oxidación:
La interfaz que separa el Si del SiO2 avanza a medida que sigue la oxidación dentro del Si
Las densidades de impurezas previamente introducidas en el Si se redistribuyen en la superficie hasta alcanzar un equilibrio APARECE un cambio abrupto de concentración de impurezas en la superficie Si/SiO2
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II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
2SiOen equilibrioen impurezas deión concentrac
Sien equilibrioen impurezas deión concentrac=k
Dos factores adicionales que influencian la redistribución: La difusividad de la impureza dentro del óxido
(el dopante se difunde o no hacia el óxido ) La velocidad a la cuál se mueve la interfaz con
respecto a la velocidad de difusión
Cuatro posibilidades de segregación de impurezas en la superficie Si/SiO2 como resultado de una oxidación térmica. (a), (b) Si k<1: el óxido al crecer absorbe las
impurezas del Si (Boro). El vaciamiento del Boro en el Si depende de su difusión a través del SiO2 y su paso al ambiente gaseoso (F1): tenemos los casos de difusión lenta (a) y rápida en ambiente húmedo (b)
(c), (d). Si k>1: el óxido al crecer rechaza la difusión de impurezas. Casos del fósforo (su difusión es lenta en SiO2: (c), y del Galio (su difusión es rápida en SiO2 (d)
Coeficiente de Segregación: redistribución de dopantes en la interfaz Si/SiO2.
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II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
boro boro
fósforo galio
La interfaz Si/SiO2 y en el volumen del óxido tienen gran influencia en las propiedades de los dispositivos MOSFET. Se pueden distinguir diferentes tipos de cargas: Cargas atrapadas en la interfase (Qit). Cargas fijas del óxido (Qf): cargas positivas a distancia menor de 3nm de la interfase
Si/SiO2. Cargas atrapadas en el óxido (Qot): asociadas con defectos en el SiO2 Cargas iónicas móviles (Qm): resultan de la contaminación de iones alcalinos como por
ejemplo el Sodio (Na).
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II. SiO2 térmico: Modelo de oxidación Deal y Grove
Presencia de cargas en el óxido.
