Tehnologije mikrosistema. Prof. dr Biljana Pešić Prof. dr Dragan Pantić

Transcript

1 Tehnologije mikrosistema Prof. dr Biljana Pešić Prof. dr Dragan Pantić

2 Formiranje tankih filmova Rast filmova Formiranje tankog filma iz materijala supstrata Primer: formiranje SiO 2 termičkom oksidacijom Depozicija filmova Nanošenje tankog filma na materijal supstrata Primer: formiranje SiO 2 procesom CVD

3 Procesi rasta filmova Oksidacija Termička oksidacija Anodizacija Procesi depozicije filmova CVD - Hemijska depozicija iz gasovite faze APCVD (Atmospferic Pressure CVD) LPCVD (Low Pressure CVD) PECVD (Plasma Enhanced CVD) PVD Fizička depozicija iz gasovite faze Termičko naparavanje Spaterovanje Elektro-depozicija Spin-on

4 Silicijum oksid: SiO 2 Upotreba: Maska u procesima nagrizanja i difuzije Pasivizacija površine Dielektrik gejta MOSFET-a Izolacija Formiranje: Rast Termička oksidacija (daje najbolji kvalitet) Anodizacija Depozicija CVD Naparavanje Spaterovanje

5 Termička oksidacija Si Visokotemperaturni proces ( o C) Dve vrste procesa: Suva (dry) oksidacija Si (č) + O 2 = SiO 2 Vlažna (wet) oksidacija Si (č) + 2H 2 O = SiO 2 + 2H 2 Suva oksidacija daje okside većih gustina: ρ(dry)=2.25 g/cm 3, ρ(wet)=2.15 g/cm 3 Početna površina Si Si

6 Kinetika rasta termičkog oksida Osnovni model: Grove&Deal-ov model Prisustvo oksidanta na medjupovršini ograničeno je njegovom difuzijom kroz oksid Prvi Fick-ov zakon: fluks J = -D δn/δx Aproksimacija: δn/δx = - (N 0 N 1 )/x

7 Kinetika rasta termičkog oksida N 0 predstavlja graničnu rastvorljivost oksidanta u oksidu N 0 O2 = 5x10 16 cm -3 na 1000 o C N 0 H2O = 3x10 19 cm -3 na 1000 o C Fluks J na medjupovršini SiO 2 -Si formira novi oksid J = k N 1 k je konstanta hemijske reakcije U ravnoteži je J =J

8 Kinetika rasta termičkog oksida Fluks: br molekula oksidanta koji prolazi kroz medjupovršinu Brzina pomeranja medjupovršine: dx /dt n: br molekula oksidanta u jedinici zapremine oksida: Onda je: Uzimajući: i Integracija pri početnom uslovom daje:

9 Kinetika rasta termičkog oksida gde je τ offset vreme kojim se uzima u obzir prisustvo prirodnog oksida na površini u trenutku t=0 n: br molekula oksidanta u jedinici zapremine oksida

10 Kinetika rasta termičkog oksida Granični slučaj Grove&Deal-ovog modela: Kratka vremena Debljina oksida se povećava linearno sa vremenom B/A je konstanta linearne brzine: Konstanta linearne brzine zavisi od: Brzine reakcije oksidanta i Si (k) Rastvorljivosti oksidanta u oksidu (N 0 ) Temperaturna zavisnost je uglavnom zbog brzine reakcije

11 Kinetika rasta termičkog oksida Granični slučaj Grove&Deal-ovog modela: Duga vremena Zavisnost je parabolična: (debljina) 2 ~ vreme B je konstanta parabolične brzine: Konstanta parabolične brzine zavisi od: Difuzivnosti oksidanta u oksidu (D) Rastvorljivosti oksidanta u oksidu (N 0 ) Temperaturna zavisnost je uglavnom zbog difuzivnosti

12 Debljina termičkog oksida Suva oksidacija Vlažna oksidacija

13 Efekti dopiranja Si na kinetiku rasta termičkog oksida Bor k = C ox /C Si ~ 3 Primese se nagomilavaju u oksidu Fosfor Imaju mali uticaj na konstantu linearne brzine B/A Povećavaju konstantu parabolične brzine B Efekat značajan tek pri N B > ~10 20 cm -3 k = C ox /C Si ~ 0.1 Primese se nagomilavaju na površini Si Imaju mali uticaj na konstantu parabolične brzine B Povećavaju konstantu linearne brzine B/A Efekat značajan tek pri N P > ~10 20 cm -3

14 CVD (Chemical Vapor Deposition) procesi Osnovno obeležje: hemijska reakcija gasovitih reaktanata Pitisak: atmosferski - 50 mtora Pobuda reakcije: Termička: T u opsegu o C Pri višim temperaturama povećava se migracija i pokretljivost molekula reaktanata na površini supstrata Plazmom Optička Materijali: SiO 2 Polikristalni Si (poli) Si 3 N 4 Metali Fosfosilikatna, borosilikatna, borofosfosilikatna stakla (PSG, BSG, BPSG)

15 Vrste CVD procesa APCVD - Atmospheric Pressure CVD LPCVD Low Pressure CVD PECVD Plasma Enhanced CVD Koraci CVD procesa Uvodjenje gasova u reaktor Kretanje molekula gasova ka supstratu Adsorpcija reaktanata na supstratu Formiranje filma putem hemijske reakcije Desorpcija i izvodjenje gasova produkata reakcije

16 Osnovne konfiguracije CVD reaktora Reaktori sa vrućim zidovima Zagreva se ceo sistem Termička pobuda reakcija Pritisak: Atmosferski: veća brzina depozicije Nizak (LPCVD): manja brzina depozicije, bolja uniformnost filma Pobuda reakcija plazmom (PECVD) Reaktori sa hladnim zidovima Zagreva se samo supstrat: otporno ili induktivno

17 CVD silicijum dioksid Reakcije: SiH 4 +O 2 -> SiO 2 + 2H 2 SiH 4 + N 2 O -> SiO 2 + nus-produkti SiCl 2 H 2 + N 2 O -> SiO 2 + nus-produkti Si(OCl 2 H 5 ) 4 -> SiO 2 + nus-produkti Si(OCl 2 H 5 ) 4 tetraetil ortosilikat (TEOS) Uslovi depozicije: APCVD, hladni zidovi, T~500 o C LPCVD, vrući zidovi, T~500 o C PECVD, T~250 o C za silan i T~700 o Cza TEOS

18 CVD polisilicijum SiH 4 -> Si + 2H 2 Piroliza silana (SiH 4 ) APCVD, hladni zidovi, 5% silana u vodoniku LPCVD (~ 1 Tor), vrući zidovi, % silana Veličina zrna: zavisi od T depozicije i uslova procesa koji slede Dopiranje tokom depozicije: P-tip: diboran (B 2 H 6 ) ρ~0.005 Ωcm N-tip: arsin (AsH 3 ), fosfin (PH 3 ) - ρ~0.02 Ωcm Dopiranje posle depozicije: Implantacijom ili difuzijom

19 CVD silicijum nitrid Stehiometrijska formulacija: Si 3 N 4 U praksi Si/N varira od 0.7 (obogaćen N) do 1.1 (obogaćen Si) Uslovi depozicije: LPCVD: o C 3SiH 4 + 4NH 3 -> Si 3 N 4 +12H 2 3Si 2 Cl 2 H 2 +4NH 3 -> Si 3 N 4 + 6HCl +6H 2 Si/N oko 0.75, 4-8% H ρ~3 g/cm 3, n~2.0, k~6-7 PECVD: o C SiH 4 + NH 3 -> Si x N y H z + H 2 SiH 4 + N 2 -> Si x N y H z + H 2 Si/N od , ~20%H ρ~ g/cm 3, n~ , k~6-9

20 CVD metali Volfram: WF 6 + 3H 2 -> W + 6HF 2WF 6 + 3SiH 4 -> 2W + 3SiF 4 + 6H 2 T~ 300 o C, hladni zidovi Athezija sa SiO 2 slaba pa se koristi TiN kao medjusloj Aluminijum: Tri-izobutil-aluminijum (TIBA) LPCVD, T~ o C Bakar: Cu β-diketon, T~ o C