Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Processi successivi/Ossidazione: differenze tra le versioni
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* 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
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 (circa 2 nm) detto appunto ossido nativo. Di questo ossido si dovrà tener conto in caso di una successiva 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.
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<math>F_1\ </math> e <math>F_2\ </math> sono dunque flussi, ovvero il numero di molecole che attraversano un’area unitaria nell’unità di tempo:
<math>\left[\frac {{N_{molecole}}}{
Definiamo inoltre:
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Il coefficiente di crescita parabolico, a differenza di quello lineare, è indipendente dall’orientazione del cristallo, poiché è legato ad un processo di diffusione della specie ossidante attraverso uno strato amorfo!
=== Ossidi sottili ===
Il modello Deal Grove non funziona per ossidi molto sottili (<20mm). La crescita di questi ossidi è infatti regolata da una relazione parabolica; questo poiché nello strato iniziale della crescita per via secca vi è una forte sollecitazione di compressione dello strato d’ossido. Ciò riduce il coefficiente di diffusione dell’ossigeno nell’ossido perciò per ossidi sottili il valore <math>\frac DK \ </math> può essere sufficientemente piccolo da rendere trascurabile il termine <math> A \ </math> nell’equazione. Pertanto si ottiene una crescita iniziale di tipo parabolico.
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Otteniamo quindi una crescita parabolica.
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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>▼
dove il TEOS è, come già detto, in forma liquida, l'ossido di silicio si presenta 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.
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[[File:fornaci.jpg|700px]]
===Effetto delle impurità===▼
▲==Effetto delle impurità==
Nel gas ossidante e nel silicio possono essere presenti impurità di diverso tipo, le principali sono acqua e cloro per l'ossidante, boro e fosforo per il silicio.
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Anche il boro e il fosforo, usati come droganti per il silicio, velocizzano il processo di ossidazione. Il boro segrega nell'ossidante rendendo la struttura amorfa più porosa e favorendo il passaggio di ossidante nell'ossido già formato per formare altro ossido. Al contrario del boro il fosforo segrega nel silicio il che porta, per concentrazioni elevate di fosforo, alla formazione di scalini tra le zone più drogate (dove la velocità di accrescimento è elevata) e le zone non drogate (dove la velocità di formazione dell'ossido è minore).
==Ossidazione per deposizione==
==Deposizione di ossidi con tecnica CVD==▼
▲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 [[Micro_e_nanotecnologia/Microtecnologia/Film_sottili/Chemical_Vapor_Deposition_(CVD)|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>
▲dove il TEOS è, come già detto, in forma liquida, l'ossido di silicio si presenta 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.
▲===Deposizione di ossidi con tecnica CVD===
Il biossido di silicio depositato chimicamente da fase vapore non può sostituire gli ossidi cresciuti termicamente, che hanno migliori proprietà elettriche; tuttavia si utilizza in ruoli complementari a quelli degli ossidi cresciuti termicamente.
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===TEOS===
L’ ossido di silicio può essere quindi depositato in un reattore a bassa pressione (LPCVD), decomponendo <math> S_i(OC_2H_5)_4 \ </math> a temperature da 650 a 750°C. Questo composto, chiamato tetraetilortosilicato ed abbreviato in <math> TEOS \ </math>, viene vaporizzato da una sorgente liquida.
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Possiamo avere due possibili situazioni di ricopertura:
Nella figura a fianco (a) viene mostrato un ricoprimento del gradino completamente conforme; lo spessore del film lungo le pareti e` 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
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. Nella
▲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. Questa rapida migrazione ha per risultato una concentrazione superficiale uniforme, senza tener conto della topografia e da di conseguenza uno spessore perfettamente uniforme.
▲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. Nella fig.B si vede come l’angolo di arrivo sulla superficie orizzontale e` di 180 gradi, mentre in cima alla superficie verticale e` solo di 90 gradi, cosi` lo spessore del film viene ridotto di meta`. Lungo le pareti verticali l’angolo di arrivo e` determinato dall’ampiezza dell’apertura e dallo spessore del film.
Il biossido di silicio formato da decomposizione del <math>TEOS \ </math> a bassa pressione dà una ricopertura quasi conforme a causa della rapida migrazione superficiale. Al contrario, durante la deposizione con reazione silano-ossigeno non si ha migrazione superficiale e la ricopertura è determinata dall’angolo di arrivo.▼
▲Il biossido di silicio formato da decomposizione del <math>TEOS \ </math> a bassa pressione
Il plasma in questo caso avviene in una miscela opportuna di Ossigeno e Argon. I film cresciuti con questa tecnica possono risultare contaminati con silanoli e possono essere instabili in aria.
Pressioni di pochi mbar e una distanza piccola tra gli elettrodi, e/o deposizione con due frequenze
permette di ottenere deposizioni con alta velocità di crescita e film con buona stabilità.
Il reattore PECVD è del tipo a faccie piane parallele, la Camera cilindrica di vetro o alluminio contiene due elettrodi paralleli di alluminio. All’elettrodo superiore e` applicata una tensione a radiofrequenza (13.5 MHz)mentre quello inferiore e` messo a terra. La tensione a radiofrequenza provoca una scarica di plasma; le fette sono poste sull’elettrodo inferiore
Il vantaggio principale di questo metodo consiste nella sua bassa temperatura di deposizione:
una temperatura compresa tra 100 – 400 °C.
===BPSG===
Il <math>BPSG</math> (Boron Phos Silicon Glass) e` un isolante (legami Silicio-Ossigeno in gruppi <math>S_iO_x \ </math>) nel quale vengono introdotti in siti interstiziali atomi pentavalenti (Fosforo) e trivalenti (Boro) che ne alterano le caratteristiche chimico-fisiche ed elettriche. I droganti diminuiscono la temperatura di fusione ed innalzano la velocità di deposizione del film. In questo modo un processo termico tra i 900 ed i 1100° C successivo alla deposizione di BPSG ne consente un buon “reflow” consentendo la ricopertura di strutture molto dense e la planarizzazione del film. Pertanto esso realizza la struttura portante del dispositivo nella quale vengono scavati i contatti ed i condensatori; ha inoltre anche il compito di isolare fra di loro tali strutture.
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