TEMA 4. Tecnología y fabricación de CIs. D. Formación y deposición de capas aislantes y conductoras

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1 TEMA 4 Tecnología y fabricación de CIs D. Formación y deposición de capas aislantes y conductoras

2 I. Introducción: capas aislantes y conductoras Esta gran variedad de capas (tanto aislantes como conductoras) pueden clasificarse en dos grupos: Capas nativas: Capas que se crecen en el semiconductor en si mismo. Se distinguen por su fácil formación y excelentes características de la interfaz entre el semiconductor y la capa nativa Capas depositadas: Capas que se depositan en el semiconductor en el cuál se está realizando el circuito integrado. Técnicas de deposición Comparación de grosor del óxido Si (SiO 2 ) de las capas nativas y depositadas de dependiendo de su aplicación en tecnología de Si

3 III. Capas depositadas: introducción La deposición es un proceso equivalente al crecimiento epitaxial, pero ahora la capa que se crece no es de cristal semiconductor sino de otros materiales Las capas depositadas son de gran utilidad en la fabricación de circuitos modernos VLSI Las clasificaremos atendiendo a las funciones primarias que van a desarrollar: Como aislantes (uso en máscaras para procesos de difusión o implantación iónica, pasivación, aislamiento, puerta del MOSFET Como conductores: para la realización de contactos e interconexiones Esta división no es rígida. Pueden ser depositadas como aislantes para posteriormente convertirse en conductores: ejemplo: polisilicio.

4 III. Capas depositadas: introducción Seguidamente comentaremos las principales PROPIEDADES DE LAS CAPAS DEPOSITADAS, tanto para protección y máscara como para realizar interconexiones: Dieléctricos (típicamente SiO 2 y Si 3 N 4 ) aislantes y protección de la superficie Polisilicio y siliciuros conductor (después de un proceso de dopaje) y para máscaras Metales (Al, Au, Pt, Ag) contactos óhmicos y rectificadores

5 III. Capas depositadas: introducción Características más importantes CAPAS DEPOSITADAS Composición deseada, baja en contaminantes. Posibilidad de extenderse con una morfología planar: Grosor uniforme en la oblea y en diferentes obleas capas planares y uniformes. La superficie sobre la que se depositan, proviene de realizar diferentes procesos de máscara es importante evitar problemas de RELLENO: cubrir escalones y de rellenar huecos. Las propiedades eléctricas deben optimizarse para su función de aislante y conductor. Estas propiedades deben mantenerse durante los tratamientos de calor sucesivos a las que está sujeta la oblea. Buenas cualidades de adhesión. Buenas propiedades mecánicas. Ejemplos de problemas de RELLENO en estructuras actuales. (a) Cobertura de escalones mediante deposición sputtering de Al. (b) Huecos en un óxido depositado mediante técnicas CVD. (c) cobertura de escalones incorrecta

6 III. Capas depositadas Técnicas de deposición de películas Estos métodos son campos altamente especializados veremos únicamente los principios de operación básicos. La mayoría de as capas que vamos describir posteriormente pueden formarse por más de un método. Las diferentes técnicas de deposición: MBE: se utiliza principalmente para depositar metales y aleaciones. Sus características son similares a la utilizada para realizar el crecimiento epitaxial. Deposición de vapor física (PVD): Evaporación de vacío Sputtering. Chemical vapor deposition (CVD): similar a VPE. APCVD (Atmosferic Pressure CVD): CVD a presión atmosférica: 1 atm. LPCVD (Low Pressure CVD): CVD a baja presión: 0.5 torr. PECVD (Plasma Enhanced CVD): CVD asistida por plasma.

7 III. Capas depositadas Características de las capas depositadas Hábitos de crecimiento: Alta T Alta Movilidad Superficial Facilidad para Formar Cristales Material Policristalino Baja T Baja Movilidad Superficial Material Amorfo (Poco denso y con propiedades estructurales deficientes, para mejorarlo se hace un recocido rápido). Problemas de Adhesión: Sobre SiO 2 Muestra esquemática de un sistema policristalino, compuesto por muchos granos separados por regiones delgadas: fronteras de granos

8 III. Capas depositadas Características de las capas depositadas Cobertura de escalones: APCVD: muy buena (alta T y fuentes de gran superficie) LPCVD: excelente (velocidades de deposición más lentas) PECVD: buena (pequeños problemas debido a la baja T) Evaporación de Vacío: regular (problemas debido a fuentes puntuales y sustratos a baja T) Sputtering: excelente (baja velocidad de deposición, alta T y fuentes de gran superficie) Sección transversal SEM mostrando la cobertura de escalones de óxidos depositados. (a): deposición a 700 ºC. (b) deposición LPCVD a 450 ºC; (c): deposición a presión atmosférica a 480 ºC Ejemplos de cobertura de escalones en capas depositadas mediante diferentes técnicas. (a) Cobertura uniforme con LPCVD de temperatura elevada; (b LPCVD a baja temperatura; (c) APCVD a baja temperatura

9 III. Capas depositadas: Sputtering Es una técnica extensamente utilizada en la deposición de capas delgadas en tecnología de microcircuitos Es más versatil que la evaporación de vacío Ventajas: Posibilita depositar una gran variedad de metales y aislantes, así como sus mezclas o aleaciones Es posible reproducir un material de una composición dada en la capa depositada Se puede realizar una limpieza in situ del substrato antes de la deposición. Utiliza un plasma para pulverizar el blanco, cuyos átomos se depositan en la oblea Este sistema opera a presiones mayores que el evaporador de vacío (en torno a 10-2 torr.). Cámara de sputtering Permite invertir la polaridad y realizar un grabado, eliminación o back-sputtering La mayor desventaja es que da lugar a un daño en el substrato (se evita su utilización para depositar óxidos de puerta en MOSFET)

10 III. Capas depositadas: Sputtering Al aplicar un campo E entre dos electrodos (ánodo y cátodo) localizados entre el gas de Argón, se produce una corriente de electrones entre electrodos. Cátodo (blanco) - Los electrones colisionan con las moléculas de Ar provocan la ionización de átomos de Argón (se crean Ar+) cuyo movimiento es hacia el cátodo. Plasma: contiene iones positivos de Ar, electrones y átomos neutros. Estos iones a su vez colisionan con moléculas de Ar dando lugar a un fenómeno de multiplicación que dependerá del campo E. Prácticamente toda la caída de potencial ocurre en las proximidades del cátodo: Dark space Los iones de Ar+ de alta velocidad bombardean el cátodo extrayendo átomos energéticos (metal, por ejemplo) del blanco. E Anodo (oblea) + V A Estos átomos se difunden hacia el ánodo o las paredes y se depositan en el ánodo (la oblea) de manera no dirigida con muy buena adhesión. Detalle de la deposición Sputtering de Al en una descarga con excitación dc

11 III. Capas depositadas: Sputtering Proceso de sputtering Aquí el blanco se muestra como una capa de Aluminio (parte superior) que se va a depositar sobre la oblea (situada en la parte inferior de la figura).

12 III. Capas depositadas Capas para interconexiones y metalizaciones Las características de las capas conductoras de utilidad en interconexiones son idénticas a otras ya estudiadas de las películas en general: Buenas propiedades mecánicas y eléctricas. Grosor uniforme en la oblea y en diferentes obleas. Buena cobertura de escalones. Capacidad de rellenar huecos. La mayoría de estos requerimientos los cumplen el oro y el aluminio. Debemos recordar que la metalización es una de las últimas etapas en la fabricación de dispositivos y microcircuitos y una de las fuentes más habituales de fallos en circuitos. El Al se deposita mediante: evaporación de vacío. sputtering (que permite realizar el back-sputtering o atacado anterior a realizar la deposición de una segunda capa metálica). CVD. Ejemplo de problemas de cobertura de un escalón al depositar una capa metálica

13 III. Capas depositadas Historicamente: metalizaciones Interconexiones de metal simple: usualmente el aluminio es una elección viable puesto que forma un buen contacto con el Si0 2. Los primeros contactos eran contactos simples (comparados con las complejas estructuras actuales) de Si/Al Eran necesarios regiones de silicio con dopaje elevado (en la práctica: N A, N D > cm -3 ) para realizar contactos como bajas resistencias. El Al es dominante por sus buenas cualidades: Baja resistividad Alta adherencia tanto al Si como al SiO 2 Puede ser grabado y depositado utilizando técnicas sencillas En la práctica el Si es soluble en Al (0.5% a 450 ºC). Surgen problemas en las metalizaciones: spiking (El Si se difunde hacia el Al, por lo que se forman huecos y el Al rellena los huecos). Vista esquemática de una película de Al en contacto con el Si mostrando los spikes de Al

14 III. Capas depositadas Historicamente: metalizaciones Metalizaciones multinivel: requerimientos actuales de reducir el tamaño de los dispositivos han hecho que sean necesarios varios niveles de interconexiones o de metalizaciones para aumentar la funcionalidad del dispositivo y además la velocidad de las conexiones: Ejemplo de las primeras estructura de doble metalización ( ). Una topografía no planar daba lugar a fallos en la litografía, en la deposición y en el rellenado de huecos Hoy en día las interconexiones son mucho más complejas de modo que se aumenta la funcionalidad del dispositivo y su velocidad: Interconexiones globales: usualmente de Al Interconexiones locales Podemos observar las interconexiones globales (normalmente Aluminio) y locales (Polisilicio, Siliciuros o TiN)

15 III. Capas depositadas Historicamente: metalizaciones 6 capas de metalización de Cobre. Las capas de la parte inferior (más delgadas) se utilizan para interconexión local entre celdas. Las capas intermedias se utilizan para interconexión global entre bloques. Las capas de la parte superior, mas gruesas, se utilizan para pulsos de reloj, conexiones de tierra y de potencia.

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