7.12: Застосування для тонких плівок кремнезему

Last updated
Save as PDF

Page ID: 17940

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Вступ

Хоча фізичні властивості кремнезему роблять його придатним для використання в захисних та оптичних покриттях, найбільше застосування ізоляційних тонких плівок SiO ₂, безсумнівно, є в напівпровідникових приладах, в яких ізолятор виконує ряд конкретних завдань, включаючи: поверхневу пасивацію, шар затвора польового транзистора (FET), ізоляційні шари, планаризація та упаковка.

Термін ізолятор, як правило, відноситься до матеріалу, який демонструє низьку теплову або електропровідність; електроізоляційні матеріали також називають діелектриками. Саме щодо високого опору протіканню електричного струму тонкі плівки SiO ₂ мають найбільше комерційне значення. Діелектрична проникність (ε) є мірою здатності діелектричних матеріалів зберігати заряд і характеризується електростатичною енергією, що зберігається на одиницю об'єму через одиницю градієнта потенціалу. Величина ε - це індикація ступеня поляризації або переміщення заряду всередині матеріалу. Діелектрична проникність для повітря становить 1, а для іонних твердих тіл, як правило, знаходиться в діапазоні 5 - 10. Діелектричні константи визначаються як відношення ємності матеріалу до ємності повітря, тобто (7.12.1). Діелектрична проникність для діоксиду кремнію коливається від 3,9 до 4,9, для термічно і плазми CVD вирощених плівок відповідно.

\[ \epsilon \text{ = } \dfrac{\text{C}_{\text{material}}}{\text{C}_{\text{air}}}\]

Ізолюючий шар являє собою плівку або наплавлений шар діелектричного матеріалу, що розділяє або покриває провідні шари. В ідеалі при цьому застосуванні ізоляційний матеріал повинен мати поверхневий питомий опір більше 10 ¹³ Ом/см ² або об'ємний питомий опір більше 10 ¹¹ Ом. см. Однак для деяких застосувань прийнятні більш низькі значення; електричний ізолятор, як правило, має питомий опір більше 10 ⁵ Ом. см. Тонкі плівки CVD SiO ₂ мають питомий опір 10 ⁶ - 10 ¹⁶ Ом.см в залежності від способу росту плівки.

Як наслідок його діелектричних властивостей SiO ₂, і пов'язані з ними кремнеземи, використовуються для ізоляції провідних шарів, для полегшення дифузії легованих оксидів, як дифузійні та іонні імплантаційні маски, закупорювання легованих плівок для запобігання втрати домішки, для отримання домішок, для захист від вологи і окислення, а також для електронної пасивації. З безлічі методів, що застосовуються для осадження тонких плівок, для обробки напівпровідників найчастіше застосовується хімічне осадження парової (ССЗ). Для того щоб оцінити унікальні проблеми, пов'язані з CVD ізолюючих тонких плівок SiO ₂, варто спочатку розглянути деякі їх застосування. Нижче наведено три області, що мають найбільше значення для виготовлення сучасних напівпровідникових приладів: ізоляція та ізоляція воріт, пасивація та планаризація.

Пристрій ізоляції і утеплення воріт

Мікросхема може бути описана як сукупність пристроїв, кожен з яких складається з «вузла активних і пасивних компонентів, з'єднаних між собою всередині монолітного блоку з напівпровідникового матеріалу». Кожен прилад потрібно ізолювати від сусідніх пристроїв, щоб забезпечити максимальну ефективність загальної схеми. Крім того, всередині пристрою контакти також повинні бути електрично ізольовані. Хоча існує ряд методів ізоляції окремих пристроїв всередині ланцюга (зворотно-зміщені переходи, ізоляція мези, використання напівізолюючих підкладок та ізоляція оксидів), ізоляція активних компонентів в одному пристрої майже виключно здійснюється шляхом осадження ізолятора.

На малюнку показано схематичне зображення кремнієвого МОП-транзистора (метало-оксид-напівпровідниковий польовий транзистор). MOSFET є основним компонентом схем кремній-КМОП (компліментарний метал-оксид-напівпровідник), які, в свою чергу, складають основу для логічних схем, таких як ті, що використовуються в ЦП (центральний процесор) сучасного персонального комп'ютера. Видно, що МОП-транзистор ізольований від сусідніх пристроїв зворотно-зміщеним переходом (р ⁺ -канальний стоп) і товстим оксидним шаром. Затвор, вихідний і зливний контакт електрично ізольовані один від одного тонким ізолюючим оксидом. Аналогічна схема використовується для ізоляції колектора як від бази, так і від емітера в біполярних транзисторних пристроях.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Принципові схеми Si-MOSFET (метало-оксид-напівпровідниковий польовий транзистор).

Як транзистор, MOSFET має багато переваг перед альтернативними конструкціями. Ключовою перевагою є низьке розсіювання потужності в результаті високого імпедансу пристрою. Це результат тонкого ізоляційного шару між каналом (область між витоком і стоком) і контактом затвора, див\(\PageIndex{1}\). Рис. Наявність ізоляційного затвора характерно для загального класу приладів під назвою MISFETS (метал-ізолятор-напівпровідниковий польовий транзистор). МОП-транзистори є підмножиною MISFET, де ізолятор є спеціально оксидом, наприклад, у випадку кремнієвого пристрою MISFET ізолятор SiO ₂, отже MOSFET. Саме виготовлення схем MOSFET дозволило кремнієвій технології домінувати в цифровій електроніці (логічні схеми). Однак збільшення обчислювальної потужності і швидкості вимагає постійного зменшення розмірів пристрою і підвищеної складності в архітектурі пристроїв.

Пасивація

Пасивація часто визначається як процес, при якому плівка вирощується на поверхні напівпровідника, щоб (а) хімічно захистити його від навколишнього середовища, або (б) забезпечити електронну стабілізацію поверхні.

З найдавніших днів твердотільної електроніки було визнано, що наявність або відсутність поверхневих станів відіграє вирішальну роль у корисності будь-якого напівпровідникового матеріалу. На поверхні будь-якого твердотільного матеріалу є ділянки, в яких координаційне середовище атомів неповна. Ці сайти, які зазвичай називають «звисаючими зв'язками», є причиною електронних активних станів, які дозволяють рекомбінацію дірок і електронів. Ця рекомбінація відбувається при енергіях нижче об'ємного значення, і заважає властивим напівпровіднику властивостям. З метою оптимізації властивостей напівпровідникового приладу бажано ковалентно задовольнити всі ці поверхневі зв'язки, тим самим зміщуючи поверхневі стани з зонного зазору і в валентні або провідні зони. Тому електронну пасивацію можна описати як процес, який зменшує щільність наявних електронних станів, присутніх на поверхні напівпровідника, тим самим обмежуючи можливості дірки та рекомбінації електронів. У випадку з кремнієм і нативний оксид, і інші оксиди чудово відповідають цим вимогам.

Хімічна пасивація вимагає матеріалу, який пригнічує дифузію кисню, води або інших видів до поверхні підлеглого напівпровідника. Крім того, матеріал ідеально твердий і стійкий до хімічного впливу. Ідеальний пасиваційний матеріал задовольняв би вимоги як електронної, так і хімічної пасивації.

Планаризація

Для переважної більшості електронних пристроїв відправною точкою є підкладка, що складається з плоскої монокристалічної пластини з напівпровідникового матеріалу. Під час обробки, яка включає в себе зростання як ізоляційних, так і провідних плівок, поверхня стає все більш неплоской. Наприклад, оксид затвора в типовому MOSFET (див. Рис.\(\PageIndex{1}\)) зазвичай може бути товщиною 100 - 250 Å, тоді як ізоляція або оксид поля може бути 10,000 Å. Для того щоб успішне подальше осадження провідних шарів (металізація) відбувалося без розриву металевих ліній (часто через труднощі в підтримці ступеневого покриття), поверхня повинна бути рівною і гладкою. Цей процес називається планаризацією і може здійснюватися за допомогою техніки, відомої як жертовний травлення. Різкий крок (рис.\(\PageIndex{2}\) А) покривається конформним шаром легкоплавкого діелектрика, наприклад, борофосфоросилікатного скла, БПСГ (рис.\(\PageIndex{2}\) b), а згодом жертовної органічної смоли (рис\(\PageIndex{2}\). Зразок потім плазмовим травленням таким чином, що смола і діелектрик видаляються з однаковою швидкістю. Так як плазмовий травлення слід за контуром органічної смоли, то після цього залишається гладка поверхня (рис\(\PageIndex{2}\). Таким чином, процес планаризації значно зменшує перепади висоти кроку. Крім того, області або западини між окремими елементами металізації (vias) можуть бути повністю заповнені, що дозволяє прокласти шлях до отримання рівномірно рівних поверхонь, наприклад, плівки BPSG, показаної на малюнку\(\PageIndex{1}\).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Схематичне зображення процесу планаризації. Особливістю металізації (а) є CVD, покритий силікатним склом (б), а згодом покритий органічною смолою (с). Після травлення опір виробляють гладку силікатну поверхню (г).

Процеси планаризації життєво важливі для розвитку багаторівневих структур в ланцюгах СБІС. Щоб мінімізувати опір взаємозв'язку та зберегти площу стружки, розробляються багаторівневі схеми металізації, в яких міжз'єднання працюють у 3-х вимірах.

Бібліографія

Дж.Л. Воссен і В.Керн, фіз.н. Сьогодні, 1980, 33, 26.
С. К. Ганді, Принципи виготовлення СБСІ, Кремній і арсенід галію, Вілі, Чичестер, 2-е видання (1994).
С.М., Фізика напівпровідникових приладів, 2-е видання, Джон Уайлі та сини, Нью-Йорк (1981).
Бідл, J.C. C. Цай, Р.Д. Пламмер, Короткий довідковий посібник для кремнієвої інтегрованої технології Circuit, Wiley, Чичестер (1985).
Адамс і К.Д. Капіо, Дж. Electrochem. Соц. , 1981, 128, 2630.