שיקוע מפאזה גזית שיקוע מבודדים ומוליכים ליצירת חיבורי ביניים פרופ’ יוסי שחם המחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית, אונ’ ת”א.

מבודדים תחמוצת סיליקון סיליקון ניטריד פולימרים אורגנים מבודדים עם מקדם דיאלקטרי נמוך ( LOW-K)

תחמוצת סיליקון Crystalline forms: quartz, cristobalite, tridymite Amorphous: silica (brand name, can be mixed) Methods of preparation: Deposition Thermal oxidation

מבנה תחמוצת סיליקון The oxygen atoms are electronegative, and some of the silicon valence electron density is transferred to the oxygen neighbors,

מבנה מולקולת תחמוצת סיליקון The Si-O distance is 1.61 A (0.16 nm) which is slightly smaller than the sum of the covalent "radii" of the atoms: Si (0.11 nm) + O(0.066 nm) = 0.18 nm

תחמוצת סיליקון היא אמורפית The result of this flexibility in the bridge bonds is that SiO2 can easily form amorphous materials amorphous silicon dioxide will not crystallize upon annealing at normal temperatures. (process known as "Devitrification" )

מבנה תחמוצת סיליקון The amorphous structure is tends to be very "open": even in thermally-grown oxides, channels exist through which small positive ions such as Na+ and K+ can readily migrate. These ions can move under the influence of electric fields within the gate oxides of MOS transistors, causing shifts in the voltage at which the transistor turns on ("threshold shifts"). Exclusion of such ions is imperative for reliable operation of MOS transistors and integrated circuits.

תחמוצת סיליקון r, density = 2.0-2.3 gm/cm3 s = varies widely EBV >1E7 V/cm in thermal oxides; Thermal conductivity = 0.01 W/cm K (bulk) Thermal diffusivity = 0.009 cm2/sec (bulk) CTE = 0.5 ppm/ K n = 1.46 [thermal oxide] er = 3.9 [thermal oxide]; note: properties of CVD oxides vary widely depending on H

ראקציות עם מים The first reaction has little change in enthalpy and is nearly reversible; locally strained bonds, with reduced bond energy, are particularly vulnerable to attack by water ("hydrolysis"). Oxides containing large amounts of SiOH are more hygroscopic, and readily adsorb water molecules from the air. The water can migrate through the deposited materials to the gate oxide, there causing drifts in performance of transistors under bias, impairing hot electron reliability, also known as gate oxide integrity or GOI. The water molecules can, however, be consumed by the reactions with Si-H groups: this is the basis of the use of silicon-rich oxides as water getters or barriers.

תחמוצות סיליקון עם סימום Phosphosilicate glass (PSG) flows readily at 1000 C for 6-8 weight% P Borophosphosilicate glass (BPSG) can achieve a lower flow temperature: typically around 900 C for 4-5 wt.% of each dopant. (notethat 4 weight % of boron is a very large mole percentage -- around 12 at.% depending on composition-- because B atoms are so light.)

שיטות לשיקוע מבודדים

Ideal gas law: PV = NRT

תאוריה קינטית של הגזים (I) פילוג המולקולות בגז: מהירות ממוצעת

תיאוריה קינטית של הגזים (II) שטף המולקולות לס”מ רבוע לשניה משוואת KNUDSEN : מרחק ממוצע בין התנגשויות:

Notations N = number of moles (or molecules) v = absolute value of the velocity m = molecular mass k = Boltzmann's constant, 1.38E-23 J/K R = universal gas constant M = molar mass n = molar volume N/V a = effective molecular diameter

במה תלוי השיקוע ? תהליכי CVD תלויים ב- PRECURSORS - המרכיבים של הפאזה הגזית. מרכיבים אלו נעים בדיפוזיה (DIFFUSION) או הסעה (CONVECSTION) קצב השיקוע תלוי בתנועת המרכיבים בפאזה הגזית (TRANSPORT LIMITED) או בקצב הריאקציה REACTION LIMITED ) קצב השיקוע תלוי בחום - תהליכי דיפוזיה, הסעה וקרינה קצב השיקוע תלוי באור - תהליכים פוטוכימיים, חימום.

שכבת הגבול (I) ליד הפרוסה או קירות הראקטור נוצרת שכבת גבול בה מהירות הזרימה איננה קבועה

רוחב שכבת הגבול u=h/r, kinematic viscosity h =viscosity, r=density Re is a measure of the relative size of the momentum diffusion length and the system. Note also that the boundary layer grows as the square root of the distance downstream.

תאור סכמטי של מערכת CVD

הסעה

דיפוזיה

דיפוזיה והסעה

דיפוזיה

תלות מקדם הדיפוזיה בטמפרטורה ובלחץ k= Boltzmann’s constant m = mass T = Temperature P = pressure a = Diameter Typical values of D: ֵ 0.1 to 1 cm2/s @ 1 atm ֵ 75 to 750 cm2/s @ 1 Torr

הסעה - מספר ריינולדס Small Re (<10) Large Re

מודל זרימת הגז בראקטור זרימה אחידה: מתארת יפה זרימה עם מספר ריינולדס נמוך בכניסה למערכת זרימת Poiseuille: מתארת יפה זרימה עם מספר ריינולדס נמוך במרחק גדול מהכניסה

הולכת חום (I) קרינה הולכה

הולכת חום (II) הסעה טבעית הסעה מאולצת

הספקת המקור הגזי 1. מקור גזי 2. מקור נוזל:

APCVD

שיקוע מפאזה גזית באטמוספירה (APCVD)

APCVD (II)

השפעת ממדי האלקטרודות

האיכול יכול להיעשות ע”י יונים, רדיקלים נייטרלים ומולקולות נייטרליות

הפעלת שדה AC ביצירת פלזמה

מתח התפרקות באוויר

פילוג האנרגיות בפלזמה אנרגיה [KeV]

יונים משנים תורמים לפלזמה

בניית פלזמה גזית בין לוחות

אלקטרונים מוחזרים ממחסום הפוטנציאל

יחס המתחים הפוך ליחס שטחי האלקטרודות

מערכת פלזמה כנגד RIE

מערכת עם שני תדרים

ריאקציה בשיווי משקל

ריאקציות יכולות לאכל ולשקע

לחצים חלקים של גזים טיפוסיים

תכנון שיקוע סלקטיבי

שינוי באנרגיה החופשית

שיקוע מפלזמה בריכוז גבוה (HDP)

קצב השיקוע והאיכול יחסי לזווית הפגיעה של ה- PRECURSORS

התקדמות פני השטח בתהליך HDP שיקוע מהיר איכול איטי איכול מהיר שיקוע איטי איכול ושיקוע איטיים

ריאקטור HDP

מערכות שיקוע - תנור הוריזונטלי

מערכות CVD

שיקוע מפאזה גזית (I) 2. 1.

4. 3.

מערכות אופקיות

מערכות אופקיות (II)

טכנולוגית פלזמה (I)

מולקולת אמוניה

שיקוע טיטנים ניטריד מפאזה גזית TiN + byproducts

שיקוע טיטנים ניטריד מפאזה גזית TiN + byproducts

שיקוע מגע W

שיקוע שער עם W סיליסייד

שיקוע סלקטיבי בתוך מגע - שלב I

שיקוע סלקטיבי בתוך מגע - שלב II

אמינות של מגע W

אמינות של מגע W - היווצרות VOID

TEOS-Tetra Ethyle Ortho SIlicate

TEOS CVD

שיקוע תחמוצת על משטח בעזרת TEOS

TEOS - CVD (3)

הוספת אוזון מעלה את קצב השיקוע TEOS +OZONE CVD הוספת אוזון מעלה את קצב השיקוע

ריאקצית השיקוע

המאמץ בשיכבה

High K materials (I)

קבל אגירת מטען ל- DRAM

חומרים לקבלי אגירה

אופני הפעלת ריאקטור CVD

SiO2 CVD from Silane +oxygen

SiO2 CVD from Silane +oxygen

SiO2 CVD from Silane +oxygen (3)

תלות קצב השיקוע

Magnetic enhancement

נזק ע”י פלזמה