Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Processi successivi/Ossidazione: differenze tra le versioni

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L''''ossidazione''' è un processo indispensabile nella realizzazione dei circuiti integrati, infatti gli ossidi svolgono il fondamentale ruolo di isolanti (separano le diverse regioni attive dei dispositivi) o di passivanti (proteggono i dispositivi da fattori esterni come impurità, umidità ecc.). Tra gli ossidi più utilizzati si trova, certamente, l'ossido di silicio (biossido di silicio).
 
I processi per ottenere gli ossidi sono due:
-* deposizione
-* accrescimento termico
 
Le proprietà degli ossidi ottenuti con le due tecniche sono diverse e quindi è diverso l'uso che si fa di tali ossidi. Gli ossidi accresciuti termicamente risultano essere più puri rispetto a quelli deposti e presentano caratteristiche dielettriche ed isolanti migliori, vengono quindi utilizzati, ad esempio, negli ossidi di ''gate'' dei transistori MOSFET, gli ossidi deposti sono di qualità peggiore e vengono, ad esempio, utilizzati come ossidi di sacrificio ( si tratta di strati di ossido che vengono deposti sul wafer di silicio e successivamente rimossi per eliminare i difetti della superficie).
- deposizione
 
Esiste un terzo tipo di ossido, si tratta dell' '''ossido nativo'''. Ogni volta che un wafer è esposto all'aria (agente ossidante), su di esso si forma, spontaneamente ed in breve tempo, un sottile strato di ossido (2 nm) detto appunto ossido nativo. Di questo ossido si dovrà tener conto in caso di una succeva ossidazione della superficie del wafer: l'ossido nativo andrà a contribuire allo spessore complessivo dell'ossido.Si vanno ora ad analizzare più nel dettaglio i diversi processi di ossidazione.
- accrescimento termico
 
==Ossidazione Termicatermica==
Le proprietà degli ossidi ottenuti con le due tecniche sono diverse e quindi è diverso l'uso che si fa di tali ossidi.
L''''ossidazione termica''' è un processo che avviene ad elevate temperature (tra i 600 ed i 1200 °C) ed a pressioni di qualche atmosfera. L'ossido si forma a partire dal silicio del substrato cioè, è il silicio del substrato che reagisce e si ''consuma'' per formare l'ossido di silicio. A causa della diversa densità atomica tra silicio e ossido di silicio, lo spessore finale dell'ossido accresciuto risulterà maggiore rispetto allo spessore del silicio di partenza del substrato.
Gli ossidi accresciuti termicamente risultano essere più puri rispetto a quelli deposti e presentano caratteristiche dielettriche ed isolanti migliori, vengono quindi utilizzati, ad esempio, negli ossidi di gate dei transistori MOSFET, gli ossidi deposti sono di qualità peggiore e vengono, ad esempio, utilizzati come ossidi di sacrificio ( si tratta di strati di ossido che vengono deposti sul wafer di silicio e successivamente rimossi per eliminare i difetti della superficie).
Esiste un terzo tipo di ossido, si tratta dell' ''ossido nativo''. Ogni volta che un wafer è esposto all'aria (agente ossidante), su di esso si forma, spontaneamente ed in breve tempo, un sottile strato di ossido (2 nm) detto appunto ossido nativo. Di questo ossido si dovrà tener conto in caso di una succeva ossidazione della superficie del wafer: l'ossido nativo andrà a contribuire allo spessore complessivo dell'ossido.Si vanno ora ad analizzare più nel dettaglio i diversi processi di ossidazione.
 
 
==Ossidazione Termica==
 
 
L'ossidazione termica è un processo che avviene ad elevate temperature (tra i 600 ed i 1200 °C) ed a pressioni di qualche atmosfera. L'ossido si forma a partire dal silicio del substrato cioè, è il silicio del substrato che reagisce e si ''consuma'' per formare l'ossido di silicio. A causa della diversa densità atomica tra silicio e ossido di silicio, lo spessore finale dell'ossido accresciuto risulterà maggiore rispetto allo spessore del silicio di partenza del substrato.
Il processo di ossidazione termica può avvenire in due differenti modi:
-* ossidazione per via umidasecca
 
-* ossidazione per via seccaumida
 
-ossidazione per via umida
 
Nell'ossidazione per via secca l'agente ossidante è l'ossigeno, la reazione che avviene è la seguente:
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:<math>\mathrm{Si} + \mathrm{O_2} \longrightarrow \mathrm{SiO_2}\;</math>
 
dove il silicio e l'ossido di silicio sono allo stato solido, mentre l'ossigeno è allo stato gassoso. Nell'ossidazione per via umida è l'acqua a svolgere il ruolo di ossidante:
Nell'ossidazione per via umida è l'acqua a svolgere il ruole di ossidante:
 
:<math>\mathrm{Si} + \mathrm{2H_2O} \longrightarrow \mathrm{SiO_2}+ \mathrm{2H_2} \;</math>
 
L'ossido che si ottiene, in tutti e due i tipi di ossidazione, presenta una struttura amorfa e porosa. Questo è molto utile, infatti l'ossidante deve attraversare lo strato di ossido che mano mano si forma per andare a reagire con la superficie del wafer di silicio e continuare ad accrescere altro ossido.
 
Tra le principali differenze tra i due tipi di ossidazione termica, si può subito notare come nell'ossidazione per via umida si abbia produzione di idrogeno gassoso, inoltre, mentre nell'ossidazione secca una molecola di ossidante reagisce con una di silicio per andare a formare una molecola di ossido, nell'ossidazione per via umida sono necessarie due molecole di ossidante per ogni molecola di silicio.
La velocità del processo di crescita dell'ossido è variabile nel tempo. All'inizio la reazione è più veloce perchè gli ossidanti incontrano immediatamente la supeficie del silicio, mano a mano che l'ossido si forma la reazione rallenta, infatti le molecole di ossidante dovranno prima diffondere attraverso l'ossido già formato e poi reagire con il substrato per formare altro ossido. L'ossidazione per via umida risulta essere più veloce di quella per via secca, tuttavia gli ossidi ottenuti in questo secondo modo sono di qualità migliore. Per risparmiare tempo ed ottenere comunque elevate caratteristiche dell'ossido, molto spesso, nella realizzazione dei dispositivi, si sceglie di realizzare un primo strato sottile di ossido per ossidazione secca, accrescere poi velocemente uno strato di ossido più spesso mediante ossidazione per via umida, ed ultimare l'ossidazione con un ulteriore strato sottile di ossido ottenuto per via secca( e quindi di migliore qualità).
 
La velocità del processo di crescita dell'ossido è variabile nel tempo. All'inizio la reazione è più veloce perchè gli ossidanti incontrano immediatamente la supeficiesuperficie del silicio, mano a mano che l'ossido si forma la reazione rallenta, infatti le molecole di ossidante dovranno prima diffondere attraverso l'ossido già formato e poi reagire con il substrato per formare altro ossido. L'ossidazione per via umida risulta essere più veloce di quella per via secca, tuttavia gli ossidi ottenuti in questo secondo modo sono di qualità migliore. Per risparmiare tempo ed ottenere comunque elevate caratteristiche dell'ossido, molto spesso, nella realizzazione dei dispositivi, si sceglie di realizzare un primo strato sottile di ossido per ossidazione secca, accrescere poi velocemente uno strato di ossido più spesso mediante ossidazione per via umida, ed ultimare l'ossidazione con un ulteriore strato sottile di ossido ottenuto per via secca( e quindi di migliore qualità).
 
[[File:Strati_di_ossido_di_silicio_ottenuti_per_ossidazione_termica.jpg]]
 
 
NOTA: mentre nell'ossidazione termica per via secca (dry) sarà inizialmente presente uno strato di ossido nativo, questo strato non ci sarà in una ossidazione per via umida (wet). Infatti, nell'ossidazione secca, il silicio reagisce a formare l'ossido nativo appena viene esposto all'ossigeno, questo non avviene quando il silicio viene esposto al vapore acqueo.
 
 
==Ossidazione per Deposizionedeposizione==
Nell''''ossidazione per deposizione''', il silicio che reagisce per formare l'ossido non è quello del substrato, ma silicio che viene trasportato nella camera di ossidazione mediante reagenti gassosi o liquidi portati a temperature opportune. Il silicio e l'ossigeno arrivano sulla superficie del wafer dove reagiscono e depositano uno strato di ossido di silicio. Il processo avviene a temperature comprese tra 400 e 750 °C e per basse pressioni (150-500 mTorr). La deposizione si ottiene mediante tecnica CVD (deposizione chimica da fase vapore) generalmente di tipo LPCVD (CVD a bassa pressione) a temperature intorno ai 650-750 °C. Se si deve depositare ossido non drogato, il reagente più utilizzato è il TEOS (tetraortosilicato di silicio) liquido che viene scaldato fino ad una temperatura di circa 700 °C. La formazione di ossido avviene secondo la reazione chimica sotto riportata:
 
:<math>\mathrm{Si(OC_2H_5)_4}\longrightarrow \mathrm{SiO_2}+ \mathrm{4C_2H_4}+ \mathrm{2H_2O}\;</math>
Nell'ossidazione per deposizione, il silicio che reagisce per formare l'ossido non è quello del substrato, ma silicio che viene trasportato nella camera di ossidazione mediante reagenti gassosi o liquidi portati a temperature opportune. Il silicio e l'ossigeno arrivano sulla superficie del wafer dove reagiscono e depositano uno strato di ossido di silicio. Il processo avviene a temperature comprese tra 400 e 750 °C e per basse pressioni (150-500 mTorr). La deposizione si ottiene mediante tecnica CVD (deposizione chimica da fase vapore) generalmente di tipo LPCVD (CVD a bassa pressione) a temperature intorno ai 650-750 °C. Se si deve depositare ossido non drogato, il reagente più utilizzato è il TEOS (tetraortosilicato di silicio) liquido che viene scaldato fino ad una temperatura di circa 700 °C. La formazione di ossido avviene secondo la reazione chimica sotto riportata:
 
dove il TEOS è, come già detto, in forma liquida, l'ossido di silicio si prestentapresenta allo stato solido, mentre <math>\mathrm{C_2H_4}\;</math> ed acqua sono allo stato gassoso. Le proprietà elettriche degli ossidi deposti sono peggiori rispetto a quelle degli ossidi accresciuti termicamente, è però utile depositare un ossido quando si ha la necessità di isolare delle aree in cui i dispositivi (ad esempio i transistori MOSFET) sono molto vicini gli uni agli altri (aree ad elevata densità di dispositivi). Infatti gli ossidi ottenuti a partire dal TEOS presentano un'ottima uniformità e riescono a coprire le zone dense seguendo bene il profilo delle cavità.
:<math>\mathrm{Si(OC_2H_5)_4}\longrightarrow \mathrm{SiO_2}+ \mathrm{4C_2H_4}+ \mathrm{2H_2O}\;</math>
 
==Fornaci per Ossidazioneossidazione Termicatermica==
dove il TEOS è, come già detto, in forma liquida, l'ossido di silicio si prestenta allo stato solido, mentre <math>\mathrm{C_2H_4}\;</math> ed acqua sono allo stato gassoso. Le proprietà elettriche degli ossidi deposti sono peggiori rispetto a quelle degli ossidi accresciuti termicamente, è però utile depositare un ossido quando si ha la necessità di isolare delle aree in cui i dispositivi (ad esempio i transistori MOSFET) sono molto vicini gli uni agli altri (aree ad elevata densità di dispositivi). Infatti gli ossidi ottenuti a partire dal TEOS presentano un'ottima uniformità e riescono a coprire le zone dense seguendo bene il profilo delle cavità.
 
La fornace per realizzare l' ossidazione termica è costituita essenzialmente da un tubo di quarzo dove vengono poste le fette di silicio. Tali fette sono caricate su una navicella di quarzo. Il riscaldamento della camera viene fatto tramite una resistenza (''Resistance Heater'') che porta la temperatura della camera fino ai valori richiesti dalle cinetiche di reazione.
==Fornaci per Ossidazione Termica==
 
In una estremità del tubo si inseriscono i gas reagenti (O2, H20 ed altri) mentre nell' altra estremità del tubo si inseriscono le fette di silicio e si fanno evaquareevacuare, tramite un altro tubo, i gas reflui.
 
La fornace per realizzare l' ossidazione termica è costituita essenzialmente da un tubo di quarzo dove vengono poste le fette di silicio. Tali fette sono caricate su una navicella di quarzo. Il riscaldamento della camera viene fatto tramite una resistenza (Resistance Heater) che porta la temperatura della camera fino ai valori richiesti dalle cinetiche di reazione.
In una estremità del tubo si inseriscono i gas reagenti (O2, H20 ed altri) mentre nell' altra estremità del tubo si inseriscono le fette di silicio e si fanno evaquare, tramite un altro tubo, i gas reflui.
Inoltre nell' estremità del tubo dove vengono inserite le fette, si mantiene un flusso di aria filtrata così si riduce la quantità di particelle presenti nell' aria in modo da minimizzare le contaminazioni delle fette.
 
[[File:fornaci.jpg|700px]]
 
[[Categoria:Micro e nanotecnologia|Ossidazione]]
{{Avanzamento|75%|14 marzo 2009}}