Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Film sottili/Deposizione di film dielettrici

I processi di deposizione di film dielettrici più comuni sono i seguenti:

• deposizione di biossido di silicio
• deposizione di nitruro di silicio
• deposizione di polisilicio amorfo o cristallino

I processi di deposizione di film sottili vengono effettuati a Diffusione in apparati molto simili a quelli utilizzati per i processi di ossidazione.

In questo caso le fornaci, oltre a tutti gli apparati per la movimentazione interna dei wafer di silicio, il controllo della temperatura in camera, dei flussi di gas, hanno bisongno anche della pressione in camera di processo. Le pressioni tipiche sono nel range 250-1500 mTorr. Le temperature sono comprese tra i 300 °C e i 900 °C.

I reattori a pareti riscaldate hanno il vantaggio di processare parecchie centinaia di fette per volta con elevata uniformità del film deposto. Tuttavia il processo è lento.

I reattori per deposizione chimica assistita da plasma (PECVD) hanno il vantaggio di avere una bassa temperatura di deposizione. Tuttavia hanno una capacità limitata, perché possono processare solamente una fetta per volta.

Il vuoto è generato mediante un sistema di pompe meccaniche in serie (dry pump e booster pump), collegate alla camera di processo da una tubazione rigida di circa 10 cm di diametro.

Deposizione di biossido di silicio

Gli ossidi di silicio depositati nell'area di Diffusione sono ossidi non drogati e sono generalmente depositati a partire da una sorgente liquida (tetraortosilicato di silicio, TEOS) a temperature da 650 a 750 °C e a pressioni ridotte.

• Le deposizioni con TEOS hanno uniformità eccellente, copertura uniforme dei gradini e buone proprietà dei film.
• La decomposizione del TEOS avviene ad alta temperatura che quindi ne limita l'utilizzo, impedendone l'uso sull'alluminio.

Proprietà dell'ossido deposto

1. Relazione stretta tra temperatura di deposizione e la proprietà dei film di biossido di silicio deposti
2. Gli ossidi di silicio deposti ad alte T sono simili all'ossido di silicio accresciuto termicamente
3. Le buoni doti di ricopertura rendono il TEOS lo strato migliore per ricoprire le strutture del MOSFET

Ricopertura a gradini

Nelle deposizioni di ossido di silicio si osservano due tipi generali di ricoprimento dei gradini:

Ricopertura conforme(da TEOS)

reagenti adsorbiti dalla superficie, elevata migrazione superficiale, spessore uniforme indipendente dalla topografia.

Si ha dunque un ricoprimento del gradino completamente conforme; lo spessore del film lungo le pareti è uguale a quello al fondo del gradino. Si ha un ricoprimento conforme del gradino quando i reagenti, o i composti intermedi della reazione, vengono assorbiti alla superficie e quindi migrano rapidamente lungo la superficie stessa prima di reagire.

Ricopertura non conforme (da silano)

reagenti adsorbiti con bassa migrazione superficiale, tasso di deposizione proporzionale all'angolo di arrivo delle molecole.

Quando i reagenti sono assorbiti e reagiscono senza una migrazione superficiale significativa, la velocita` di deposizione e` proporzionale all’angolo di arrivo delle molecole di gas. Quindi il film deposto non sarà uniforme su tutto il gradino.

Deposizione di nitruro

Il Nitruro di Silicio (Si3N4) viene usato per passivare i dispositivi al silicio, in quanto agisce come un'efficace barriera nei confronti della diffusione del sodio e dell'acqua. Queste impurezze causano corrosione od instabilità dei dispositivi.

• Viene deposto chimicamente, facendo reagire diclorosilano ed ammoniaca a temperature da 700-800° C a pressione ridotta.
• La tecnica a bassa pressione ha un'ottima uniformità ed elevata produttività di wafers.
• Lo svantaggio è quello di avere un residuo di reazione che è solido a pressioni e temperature inferiori a quella di processo.

Il Nitruro è generalmente quindi l'ultimo strato del dispositivo e ha la funzione di proteggerere il dispositivo dagli agenti esterni.

Deposizione di polisilicio

La deposizione del polisilicio avviene per pirolesi del silano a temperature che variano da 520 °C a 650 °C a bassa pressione. La reazione è:

$\mathrm {SiH_{4}} \longrightarrow \mathrm {Si} (solido)+\mathrm {2H_{2}} ;$

La struttura del polysilicio è amorfa se depositato al di sotto di 575 °C, mentre a temperature superiori a 625 °C ha una struttura con dei grani di cristalli disposti a colonna.

Nel processo di deposizione del polisilicio il passaggio dalla zona amorfa a quella colonnare è tra 575 °C e 625 °C e dipende dalla pressione, dai droganti e dalle impurità. La cristallizzazione è inoltre influenzata da droganti e dalle impurità, ma al di sopra di 1000 °C non c'è ulteriore cambiamento.

La presenza di droganti aumenta il grain size.

Il polisilicio viene utilizzato principalmente come elettrodo di gate nei dispositivi MOS. Infatti il polisilicio risulta essere più affidabile di qualsiasi altro metallo perché il legame del polisicio con l' ossido di silicio è più stabile con la temperatura. Dunque sul gateox si deposita uno strato di polisilicio piuttosto che un metallo quale ad esempio alluminio o tungsteno.

Struttura del polisilicio

1. Struttura amorfa
2. struttura colonnare
3. Struttura cristallina

Quando il polisilicio è depositato a temperature comprese tra i 600-650 °C, si ottiene una struttura a colonna, che comprende grani policristallini aventi dimensioni tra 0.03 e 0.3 μm con orientamento preferenziale. Quando il fosforo viene fatto diffondere a 950 °C la struttura si trasforma in cristallite e la dimensione dei grani cresce fino ad una media tra 0.5 a 1 μm. Se la temperatura arriva a 1050 °C durante l'ossidazione, i grani raggiungono una dimensione finale che può andare da 1 μm a 3 μm.

Fornaci per deposizione di film a bassa pressione

I processi di deposizione di film sottili vengono effettualti a Diffusione in macchinari molto simili a quelli utilizzati per i processi di ossidazione.

Fornace a pareti riscaldate (LPCVD)

C' è un tubo di quarzo riscaldato da un forno a 3 zone. Il gas viene introdotto da una estremità e poi viene pompato all' uscita. Le fette sono poste su di una navicella di quarzo mentre la pressione è controllata da sensori capacitivi. In questo caso si ha il vantaggio di processare parecchie centinaia di fette per volta con elevata uniformità del film deposto. Tuttavia il processo è lento.

Reattore per deposizione chimica assistita da plasma (PECVD)

I reattori per deposizione chimica assistita da plasma (PECVD) hanno il vantaggio di avere una bassa temperatura di deposizione. Tuttavia hanno una capacità limitata, perché possono processare solamente una fetta per volta. Il vuoto è generato mediante un sistema di pompe meccaniche montate in serie (dry pump e booster pump), collegate alla camera di processo da una tubazione rigida di circa 10 cm di diametro. Questi reattori sono costituiti da una camera cilindrica in vetro o alluminio con due elettrodi paralleli tra cui è applicata la RF che provoca la scarica di plasma (vedi la voce 'plasma'). Le fette sono poste sull' elettrodo inferiore che si trova ad una temperatura di 100-400 °C.

Polisilicio e drogaggio

Per ridurne la resistività, il polisicio può essere drogato durante la deposizione. Nel forno quindi, oltre a mettere il Silano, si mettono atomi di drogante come Fosfina, Arsina, Diborano. Il polisilicio puo` essere utilizzato per contattare le zone n+ nei transistor ad esempio e quindi il contatto ideale sarebbe quello a più bassa resistenza.