5 Oxidação térmica e processos PECVD 2012 5.1. Introdução Contexto (das aulas) Contexto (nosso processo) 5.2. Oxidação Térmica do Silício 5.3. Deposição de SiO 2 por PECVD 1
Contexto da aula Obtenção de Materiais Método Czochralski : Filmes o Oxidação : SiO 2 Si (lâminas) o Spin-Coating : Fotoresiste Microeletrônica Tecnologia dos CI s Fotolitografia (Miniaturização) Dopagem o CVD e PVD : óxido Si-Poli Metais Corrosão (Definição de geometrias) Limpeza Hoje 2
Nosso processo Introdução 1 2 Oxidação Térmica 70 nm, 1000 o C, 110 min 7 Oxidação Térmica 13 Óxido PECVD 3+4 8 9 14 400 nm, 320 o C, 35 min 5 10 15 Óxido PECVD 6.1 6.2 6.3 6.4 11 16 17 6.5 12 18+19 3
Oxidação do Si A oxidação do Si é uma técnica essencial porque o óxido de silício (SiO 2 ) é um material fundamental tanto no funcionamento dos dispositivos semicondutores como nos processos de fabricação. Embora existam outros métodos para se obter SiO 2 (como a deposição por plasma) o processo mais importante na tecnologia dos CI s é a oxidação térmica. A oxidação térmica é feita num Forno de Oxidação em temperaturas entre 900 e 1200 o C. A atmosfera oxidante é obtida utilizando O 2 ou vapor de água, em fluxos das ordem de 1 cm 3 /s : ASPECTOS CRÍTICOS : A rampa de aquecimento, para atingir suavemente a temperatura de oxidação, e de resfriamento na remoção das lâminas do forno O perfil de temperatura ao longo do forno. A variação desta temperatura deve ser menor que ±1 o C. 4
Óxido de Si IMPORTÂNCIA do SiO 2 : Dielétrico de porta em estruturas MOS : Limpeza é de extrema importância antes da oxidação : Processo RCA remove contaminantes orgânicos (óleos) contaminantes metálicos íons alcalinos (sódio) Camada de isolação entre : entre o Si-poli e camadas metálicas camadas metálicas em sistemas de vários níveis metálicos Camada de passivação e proteção Barreira de difusão em processos de dopagem ( difusão e I/I ) Mascara em processos de Corrosão 5
Oxidação Oxidação térmica do Si (entre 900 e 1200 o C) Si (sólido) + O 2(gás) SiO 2 (oxidação seca) Si (sólido) + 2 H 2 O SiO 2 + H 2 (oxidação úmida) Não são necessárias altas temperaturas para que ocorra a reação de oxidação, portanto, mesmo à temperatura ambiente existe uma fina camada de SiO2 com ~25 A de espessura. Este óxido é denominada óxido nativo. À temperatura ambiente porém, a difusão de oxigênio não é suficiente para manter um processo continuo de oxidação. Isso porque o processo de oxidação é limitado por difusão : para manter o processo de oxidação, os átomos de oxigênio devem difundir através da camada de oxido já existente, até atingir a superfície do Si. O processo de oxidação corre na interface SiO 2 /Si 6
Oxidação : Cinética da reação Modelo de Deal - Grove (t ox > 300 A) 1 a Lei de Fick (Difusão) F 1 = D 1 O2 C - C g s t cl = k m ( C g - C s ) No início (t pequeno), a oxidação é controlado pela taxa de oxidação na interface SiO 2 /Si : t ox ~ t Para tempos maiores, a oxidação é controlado pela difusão do oxigênio através da camada de SiO 2 : t ox ~ (t) 1/2 7
Oxidação Oxidação Seca Oxidação Úmida 8
Oxidação Como o processo de oxidação ocorre na interface Si/SiO 2, a superfície onde ocorre a oxidação não vê a atmosfera e, portanto, é praticamente livre de impurezas contaminantes. É importante notar que a oxidação consome Si do substrato. Em particular, se a espessura final do SiO 2 térmico é "Tox", então ~44 % de Tox cresce para dentro do Si. Por exemplo, se crescermos 1 um de SiO 2 térmico, ~0,44 um do susbtrato serão consumidos nesse processo. Ou seja, a espessura inicial do substrato aumenta apenas ~0,56 um. 9
PECVD Plasma Enhanced CVD ou CVD assistido por plasma A principal vantagem de se acrescentar um plasma ao um processo de CVD, é a possibilidade de criar espécies químicamente ativas, independentemente da temperatura. Isto permite depositar filmes a temperaturas bastante baixas (inclusive próximo à temperatura ambiente) e utilizar substrato sensíveis a altas temperaturas e/ou incompativeis com as técnicas convencionais de CVD. Num sistema PECVD o plasma é gerado pela aplicação de um sinal de DC, radio frequencia (RF) ou microondas, a um gás (ou mistura de gases) em baixa pressão. Os elétrons presentes nesse meio são acelerados pelo campo elétrico existente e chocam-se com as espécies gasosas. Dessas colisões podem resultar : excitação das espécies : e - + A A* + e - dissociação (geração de radicais livres) : e - + A 2 A + A + e - ionização : e - + A 2 A 2 + + 2e - ionização dissociativa : e - + A 2 A + + A + 2e - ruptura de ligações : e - + A 2 A + + A - + e - 10
PECVD : Mecanismo de crescimento O crescimento do filme PECVD a partir do plasma reativo compreende as seguintes etapas: Formação dos radicais no plasma. Recombinação dos radicais (criação dos precursores). Difusão dos precursores até a superfície da lâmina. Adsorsão e condensação das moléculas na superfície da lâmina. Formação de ligações das moléculas adsorvidas com seus vizinhos na superfície da lâmina. Retirada das espécies não reagidas pelo sistema de vácuo. 11
PECVD Sistemas PECVD a denominação PECVD é dada a qualquer técnica de deposição assistida por plasma. Existem porém, diferentes variantes que se diferenciam pelo modo de acoplamento (capacitivo ou indutivo), pressão de trabalho, frequência de operação e densidade de íons no processo. Tipos de reatores PECVD : DC ou RF de acoplamento capacitivo RF acoplado Indutivamente (ICP) Helicon Plasma ECR (Electron Cyclotron Resonance) Very High Frequency capacitive plasma 12
PECVD Plasma acoplado capacitivamente Sistema PECVD mais comum (empregado desde a década de 70). O plasma é resultado de uma descarga acoplada capacitivamente, operando em DC ou em frequências de alguns MHz (tipicamente 13,56 Mhz) Apresenta baixas taxas de ionização (10 9 a 10 10 íons/cm 3 ). Em pressões de 1 a 300 mtorr, apenas 3 a 10 % da potência é absorvida pelos elétrons e é utilizada na ionização. Temperatura típicas : < 400 oc Pressões típicas : entre 1 mtorr e 1 Torr 13
PECVD 14
PECVD Vantagens Baixas temperaturas independência do substrato Grandes áreas, Variedade de materiais que podem ser obtidos Excelente controle dos parâmetros de processo Desvantagens Filmes de SiO 2 de menor qualidade Alto custo dos equipamentos de manutenção dos gases utilizados A física do plasma é complexa! 15
No Laboratório Grupo A Oxidação térmica de Si Medida de espessura por elipsometria No LSI Grupo B Deposição de óxido de Si por PECVD Medida de espessura por perfilometria No LME 16