Tanki filmovi - slojevi različitih provodnih ili izolacionih materijaladeponovanih na poluprovodničku pločicu u cilju ostvarivanjaodređenih funkcija. “Tankim” se smatraju filmovi čija debljina neprelazi 1 m; svi ostali filmovi su “debeli “.

Tanki filmovi su razvrstani prema nameni tj. funkciji koju vrše:

filmovi za zaštitu (pasivizaciju) i maskiranje (SiO2, fosfor-silikatno staklo, Si3N4, SixOyNz, amorfni Si, polisilicijum, silicidi, tvrdi metali);

filmovi kao izvori dopiranja (bor-silikatno i fosfor-silikatno staklo,);

filmovi za povezivanje i kontakte (Al, Au, Ti-Ni-Au, Al-Ti-Pt-Au, Au-Ti, Au-Cr,...);

filmovi za Schottky diode (Al, W, Au, Pt, Pd, Mo, Ti, Ti-W, Au-Mo-Ti, ...).

2

3

Metodi depozicije filmova

◼ fizički (vakuumsko naparavanje, dc i rf

magnetronsko spaterovanje, “ion beam” i “electron

beam” depozicija, “laser ablation”, ...)

◼ hemijski

CVD -Chemical Vapour Deposition)

i LPCVD- plasma-enhanced

MBE-Molecular beam epitaxy

4

Šematski prikaz rf sistema za spaterovanje.

5

Interakcije energetskih jona sa površinom.

6

7

8

CVD Reactor

Substrate

Continuous film

8) By-product removal

1) Mass transport of reactants

By-products2) Film precursor

reactions

3) Diffusion of gas molecules

4) Adsorption of precursors

5) Precursor diffusion into substrate 6) Surface reactions

7) Desorption of byproducts

Exhaust

Gas delivery

9

Gas flow

Deposited film

Silicon substrate

Reaction product

Diffusion of reactants

10

Gas flow

Boundary layer

Gas flow

Stagnant layer

Namena:

1) Zaštita površine poluprovodnika

2) Maska za vršenje selektivne difuzije i implantacije

3) Podloga za provodne veze između pojedinih komponenata mikro-kola

4) Izolacioni sloj između dva nivoa metalizacije

5) Finalna zaštita i pasivizacija površine (preko završnog sloja metala)

11

Depozicija filmova SiO2 vrši se u slučajevima kada nije moguća termička oksidacija silicijuma, kao što su:

Formiranje debelog oksida polja u MOS kolima i MOS tranzistorima snage. Da bi se izbeglo formiranje velikog broja površinskih stanja depozicija se vrši preko tankog sloja termičkog oksida.

U slučaju da je radi ispunjenja tehnoloških zahteva uklonjen prethodno formiran sloj oksida (npr. duboka difuzija ukopanog sloja i izolacionih spojeva)

Formiranje izolacionog sloja preko metalizacije radi formiranja podloge za sledeći sloj metala.

Formiranje zaštitnog sloja koji treba da štiti komponentu od fizičkih oštećenja u toku montiranja i zatvaranja.

Difuzione maske i zaštitni slojevi pri procesiranju komponenata na galijum arsenidu.

12

Filmovi SiO2 mogu da se dobiju pirolitičkom oksidacijom raznih alkoksi-silana na temperaturama od 700 do 800oC. Često korišćeno jedinjenje je tetra-etil-orto-silan (TEOS). Reakcija se odvija na 800oC na sledeći način:

Si(C2H5O)4 + 12O2 = SiO2 + 8CO2 + 10H2O

Znatno kvalitetniji filmovi SiO2 se dobijaju oksidacijom silana SiH4na temperaturi 300-500 oC :

SiH4 + O2 = SiO2 + 2H2

Čist silan je veoma zapaljiv gas (pali se u dodiru sa vazduhom), pa se radi bezbednijeg rukovanja od snabdevača dobija “razblažen” azotom ili argonom u koncentraciji 5-10%.

Samoj reakciji u CVD komori prethodi jaka adsorpcija kiseonika na površini Si i rastućeg filma; adsorbovani kiseonik onda reaguje sa silanom i formira se SiO2. Brzina depozicije je prilično velika i tipično iznosi 50-100 nm/min

13

PSG ustvari predstavlja SiO2 obogaćen određenom količinom fosfora(obično u obliku P2O5). PSG film se može dobiti istovremenompirolizom silana i fosfina u kiseoniku. Pošto je temperaturni opseg zaovu reakciju isti kao u slučaju dobijanja SiO2 iz silana, procesdepozicije PSG se može vršiti u istom CVD reaktoru. Oksidacijafosfina se odvija na sledeći način:

2PH3 + 4O2 = P2O5 + 3H2O

Pošto se u isto vreme vrši i oksidacija silana kao rezultat se dobijasloj SiO2 u koji se ugrađuje P2O5. I ovde procesu narastanja filmaprethodi jaka adsorpcija kiseonika na površini. Bilo koja količina P2O5se može na ovaj način ugraditi u SiO2, ali ako se pretera film postajeisuviše higroskopan. Zbog toga je ova količina ograničena na 2-8%(težinskih) za završne zaštitne slojeve, odnosno 20% u slučajuslojeva koji se koriste samo tokom procesiranja.

PSG filmovi su u MOS tehnologiji efikasni u sprečavanjunestabilnosti izazvanih gotovo neizbežnim prisustvom pokretnih jonanatrijuma, a takođe povećavaju stabilnost i bipolarnih komponenata.

14

Filmovi silicijum-nitrida koriste se i u Si i u GaAs tehnologijama. Čestose koriste u višeslojnim strukturama zajedno sa filmovima SiO2 kakobi se dobile osobine koje ni jedan od dva materijala ne poseduje. Zarazliku od oksida, nitrid je odlična barijera protiv migracije alkalnihjona, ali je manje efikasan u sprečavanju penetracije elektrona. Obaneželjena efekta se eliminišu deponovanjem sloja nitrida preko SiO2.Struktura SiO2-Si3N4 koristi se kao dielektrik gejta u memorijskimMNOS komponentama u kojima međupovršina oksid-nitrid i samnitrid zbog velike gustine centara zahvata služe za “čuvanje”zahvaćenog naelektrisanja.

Pravi, prirodni Si3N4 može se dobiti direktnom nitridacijom silicijuma.Ovaj proces, međutim, zahteva veoma visoku temperaturu (1000-1300oC) i veoma je osetljiv na prisustvo makar i minimalnih količinavode ili kiseonika

Stoga se depozicija nitrida najčešće vrši CVD postupkom na 700 oCreakcijom silana i amonijaka:

3SiH4 + 4NH3 = Si3N4 + 12H2

Kao i u slučaju SiO2, depozicija je moguća kako na atmosferskom takoi na sniženom pritisku (LPCVD), a brzina depozicije je tipično 10-20nm/min.

15

Silicijum-oxinitrid (SixOyNz)

Depozicija filmova silicijum-oxinitrida vrši se u CVD sistemu koji sekoristi za Si3N4 filmove. Pored silana i amonijaka u komoru seuvodi i neki od oksida azota tako da je predhodna reakcijapraćena i delimičnom oksidacijom silana, a kao rezultat se dobijastaklasta mešavina silicijuma, kiseonika i azota (SixOyNz).

Fizičke osobine ovog materijala su negde između osobina SiO2 iSi3N4. Postoji verovanje da su ovi filmovi pogodniji za pasivizacijupovršine GaAs nego čisti oksid ili nitrid

Amorfni silicijum

Amorfnom silicijumu se u novije vreme poklanja značajna pažnjazbog njegove eventualne primene u solarnim ćelijama. Osim toga,ako je pripremljen na odgovarajući način, amorfni Si je izvanredanza površinsku pasivizaciju p-n spojeva. Dodatna prednost ovogmaterijala u odnosu na druge je kompatibilnost sa već postojećimSi tehnologijama.

16

L

Oksid polja

Sors Gejt Drejn

Oksid kanala

L

Oksidpolja

Sors Gejt Drejn

(a)

(b)

aluminijum

poli-Si

17tehnologija maskiranja gejta: (a) konvencionalna

• Neki od provodnih filmova (volfram, molibden, polisilicijum, silicidi,...) u stanju su da izdrže

temperature pri kojima se odvijaju procesi difuzije i često se u modernoj MOS tehnologiji

koriste kao maske za selektivnu difuziju.

• Konvencionalna tehnologija podrazumeva primenu isključivo debelog sloja oksida kao

maske za difuziju, ali MOS komponente dobijene na ovaj način imaju veliku parazitnu

kapacitivnost usled preklapanja elektrode gejta i difuzionih oblasti sorsa i drejna.

• Minimalno preklapanje mora da postoji da bi MOS tranzistor funkcionisao, ali je u ovoj

tehnologiji to preklapanje preveliko zbog tolerancija koje postoje za uklapanje maski tokom

procesiranja. Uz to, difuzija sorsa i drejna mora da bude duboka ( 2 m) kako bi smo bili

sigurni da će efektom lateralne difuzije nastati izvesno preklapanje

L

Oksid polja

Sors Gejt Drejn

Oksid kanala

L

Oksidpolja

Sors Gejt Drejn

(a)

(b)

aluminijum

poli-Si

18tehnologija maskiranja gejta: (b ) samopodešavajuća

• Efikasna kontrola veličine preklapanja postiže se ako za sprečavanje difuzije

ispod gejta umesto debelog oksida koristimo sam materijal elektrode gejta.

• Tada će i najplića difuzija (zbog obaveznog postojanja i lateralne difuzije)

dovesti do makar minimalnog preklapanja i kanal neće ostati odsečen od sorsa

i drejna.

• Dodatna prednost je i to što nije neophodno striktno uklapanje maski jer u

krajnjoj liniji nije bitno da li je difuziona oblast drejna nešto šira ili uža od sorsa.

• Veoma plitke difuzije (0.2-0.5 m), uz odgovarajuće smanjenje preklapanja i

parazitnih kapacitivnosti su moguće. Time je omogućeno i dalje smanjenje

dimenzija i povećanje gustine pakovanja i brzine rada.

L

Oksid polja

Sors Gejt Drejn

Oksid kanala

L

Oksidpolja

Sors Gejt Drejn

(a)

(b)

aluminijum

poli-Si

19

Poređenje tehnologija maskiranja gejta: (a) konvencionalna (b ) samopodešavajuća

Za elektrodu gejta u tehnologiji samopodešavajućih maski najčešće se koristipolikristalni silicijum (polisilicijum).

Čist polisilicijum ima veliku otpornost (preko 500 cm) i ne može da služikao gejt. Zato se tokom depozicije vrši istovremeno i njegovo dopiranje(recimo borom, fosforom ili arsenom) čime se postiže smanjenje otpornostina 0.01-0.005 cm.

U MOS tehnologiji ovo dopiranje nije neophodno; naime, polisilicijum služikao maska za difuziju sorsa i drejna i pri tome i sam biva dopiran istomvrstom primesa kao sors i drejn.

Polisilicijum čak i kada je jako dopiran, zadržava relativno visoku otpornost.

Sličnu sposobnost sprečavanja difuzije kao polisilicijum, a znatno manjuotpornost imaju metalni silicidi (CoSi2, MoSi2, NiSi2, TaSi2, TiSi2, WSi2,ZrSi2,). Zbog male otpornosti i mogućnosti izvođenja tankih linija silicidi suosim toga pogodni i za izradu omskih kontakata i veza.

Depozicija ovih filmova vrši se ili direktnim spaterovanjem silicidne mete ilisekvencijalnim spaterovanjem Si i odgovarajućeg metala praćenimtermičkom konverzijom na temperaturi 900-1000oC.

20

Kao izvori dopiranja u silicijumskoj tehnologiji koriste se bor-silikatno staklo (za primese p-tipa) i fosfor-silikatno staklo (za primese n-tipa).

Bor-silikatno staklo dobija se u CVD reaktoru simultanom oksidacijom tri-metil-borata (TMB) i tetra-etil-orto-silana (TEOS) na temperaturi od 750oC ili višoj. Pri tome se odvijaju sledeće reakcije:

2(CH3O)3B + 9O2 = B2O3 + 6CO2 + 9H2O

Si(C2H5O)4 + 12O2 = SiO2 + 8CO2 + 10H2O

Bor-trioksid se ugrađuje u silicijum-dioksid. Zbog poteškoća ukontroli koncentracije dopanta i potrebe za visokom temperaturom,ovaj proces je u novije vreme zamenjen procesom oksidacijediborana i silana koji se odvija na temperaturi ispod 500oCOksidacija diborana odvija se na sledeći način:

B2H6 + 3O2 = B2O3 + H2O

21

Filmovi za dopiranje

Za{titni film (izolator)

Film zapovezivanje

Omski kontakt

22

Omski kontakt i film za povezivanje

Važna oblast primene provodnih filmova je povezivanje kontakata (elektroda) pojedinačnih komponenata koje čine integrisano kolo.

Ovi filmovi moraju da imaju dobru adheziju u odnosu na kontakt sa poluprovodnikom kao i u odnosu na izolacioni sloj preko koga se prostiru.

Nagrizanje ovih filmova mora biti jednostavno i sa visokom rezolucijom kako bi se formirale tanke metalne linije. U isto vreme filmovi moraju biti visoko-provodni, sposobni da izdrže velike gustine struje i otporni na koroziju. Konačno, njihovo povezivanje sa spoljnim izvodima mora biti jednostavno.

Većinu gore navedenih zahteva ispunjavaju aluminijum i zlato.

Prianjanje Al filma za SiO2 ili Si3N4 podlogu ostvaruje se legiranjem, electron beam” vakuumskimnaparavanjem, kao i spaterovanjem.

Najveća prednost aluminijuma je ta što se može koristiti i za formiranje omskih kontakata. Ovo omogućava da se metalizacija za kontakte i povezivanje vrši praktično u jednom koraku.

Nedostatak aluminijuma je njegova sklonost ka koroziji i mekoća zbog koje često dolazi do oštećenja pri manipulaciji pločicama.

Mnogo značajniji problem, koji dovodi do katastrofalnih otkaza veza ostvarenih Al filmovima, javio se razvojem VLSI kola odnosno smanjivanjem dimenzija i istovremenim porastom gustina struje. Proticanjem struje velike gustine kroz uzanu Al liniju dolazi do fenomena poznatog kao elektromigracija.

23

B

E

C

Schottkydioda

24

šotkijevo “clamping” kolo