1

Projekt współfinansowany przez Uni

ę

Europejsk

ą

w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego

In

ż

ynieria wytwarzania

Dr in

ż

. Andrzej Kubiak

1.

Definicje mikro- i nanotechnologii

2.

Zagadnienia utrzymania czysto

ś

ci w procesach mikro- i

nanotechnologii

3.

Materiały półprzewodnikowe – własno

ś

ci, wytwarzanie, obróbka

mechaniczna

4.

Trawienie materiałów półprzewodnikowych

5.

Technologia procesów fotolitografii

6.

Domieszkowanie półprzewodników

7.

Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu

8.

Osadzanie pró

ż

niowe cienkich warstw

9.

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

10. Monta

ż

i hermetyzacja struktur

11. Struktury mechatroniczne

In

ż

ynieria wytwarzania

Dr in

ż

. Andrzej Kubiak

1.

Definicje mikro- i nanotechnologii

2.

Zagadnienia utrzymania czysto

ś

ci w procesach mikro- i

nanotechnologii

3.

Materiały półprzewodnikowe – własno

ś

ci, wytwarzanie, obróbka

mechaniczna

4.

Trawienie materiałów półprzewodnikowych

5.

Technologia procesów fotolitografii

6.

Domieszkowanie półprzewodników

7.

Wytwarzanie nowych warstw. Tlenek krzemu

8.

Osadzanie pró

ż

niowe cienkich warstw

9.

Osadzanie chemiczne z fazy lotnej

10. Monta

ż

i hermetyzacja struktur

11. Struktury mechatroniczne

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

2

Najwa

ż

niejsze parametry nowych warstw

Najwa

ż

niejsze parametry nowych warstw

- skład chemiczny warstwy

- struktura krystalograficzna

- orientacja krystalograficzna

- adhezja warstwy do podło

ż

a

- grubo

ść

warstwy

- współczynnik załamania warstwy

- stała dielektryczna (dla warstw dielektrycznych)

- rezystywno

ść

warstwy

- współczynnik rozszerzalno

ś

ci cieplnej

- napr

ęż

enia mechaniczne wzgl

ę

dempodło

ż

a

- jednorodno

ść

- sposób pokrycia uskoków podło

ż

a

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

3

Wymagania wobec warstw dielektrycznych
stosowanych w technologii krzemowej

Wymagania wobec warstw dielektrycznych
stosowanych w technologii krzemowej

• Du

ż

a stabilno

ść

chemiczna – materiał warstwy dielektrycznych nie mo

ż

e wchodzi

ć

w

reakcje z materiałami, z którymi si

ę

styka (podło

ż

e, metalizacja, atmosfera otaczaj

ą

ca)

• Prostota i zgodno

ść

technologii wytwarzania warstw dielektrycznych z technologi

ą

wytwarzania przyrz

ą

dów. Proces wytwarzania warstw dielektrycznych musi by

ć

dostatecznie prosty i łatwy, aby ograniczy

ć

do minimum liczb

ę

przyrz

ą

dów z warstwami

wadliwymi, a jednocze

ś

nie proces ten musi przebiega

ć

w warunkach, które nie wpływaj

ą

niekorzystnie na te elementy, które wykonano wcze

ś

niej.

• Odpowiednie własno

ś

ci cieplne i mechaniczne układu dielektryk – podło

ż

e. W

warunkach pracy i przechowywania przyrz

ą

du powinna by

ć

zapewniona silna adhezja na

całej powierzchni styku obu materiałów. Ponadto zmiany temperatury nie powinny
powodowa

ć

zbyt silnych napr

ęż

e

ń

na granicy dielektryk – podło

ż

e wynikaj

ą

cych z

niedopasowania współczynników rozszerzalno

ś

ci cieplnej.

• Jednorodno

ść

warstwy pod wzgl

ę

dem składu i struktury. Wymaganie to dotyczy

stało

ś

ci proporcji składników warstwy oraz jednorodno

ś

ci fizykochemicznej na całej jej

powierzchni. Szczególnie istotne s

ą

tu wtr

ą

cenia i zanieczyszczenia atomami

pierwiastków obcych, które mog

ą

lokalnie zmienia

ć

własno

ś

ci fizyczne warstwy.

• Kontrolowana grubo

ść

. Niemal we wszystkich zastosowaniach grubo

ść

oraz

jednorodno

ść

grubo

ś

ci warstw stanowi bardzo istotny parametr technologiczny

decyduj

ą

cy np. o napi

ę

ciu przebicia warstwy izolacyjnej

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

4

Pokrywanie uskoków

Pokrywanie uskoków

- powierzchnia podło

ż

a jest płaska jedynie podczas realizacji pierwszego procesu

fotolitografii

- ka

ż

dy kolejny proces powoduje generacj

ę

kolejnych uskoków

- najcz

ęś

ciej po

żą

dane jest konfokalne pokrycie powierzchni (o jednakowej

grubo

ś

ci) przez powstaj

ą

ce warstwy

- taki typ pokrycie wyst

ę

puje przede wszystkim podczas wzrostu warstwy z

udziałem materiału podło

ż

a (utlenianie termiczne), natomiast dla metod osadzania

chemicznego (Chemical Vapour Deposition - CVD) i naparowania fizycznego
(Physical Vapour Deposuition - PVD) jest to powa

ż

ny problem technologiczny

- lokalne zw

ęż

enie grubo

ś

ci warstwy dielektrycznej powoduje zwi

ę

kszenie

nat

ęż

enia pola elektrycznego, co mo

ż

e powodowa

ć

przebicie, za

ś

w przypadku

warstwy przewodz

ą

cej – lokalny wzrost g

ę

sto

ś

ci pr

ą

du i miejscowe przegrzewanie

warstwy

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

5

Klasyfikacja procesów wytwarzania nowych warstw

Klasyfikacja procesów wytwarzania nowych warstw

Podło

ż

e

Procesy, w wyniku których powstaj

ą

nowe warstwy

Podło

ż

e

Podło

ż

e

Pierwotna

powierzchnia

podło

ż

a

Procesy, w których atomy podło

ż

a nie

bior

ą

udziału w budowaniu nowej

warstwy:

• osadzanie chemiczne (CVD)

• osadzanie fizyczne (PVD)

Procesy, w których atomy

podło

ż

a bior

ą

udział w

budowaniu nowej warstwy:

• utlenianie termiczne

• azotkowanie termiczne

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

6

Tlenek krzemu - własno

ś

ci

Tlenek krzemu - własno

ś

ci

•

ś

wietne własno

ś

ci dielektryczne - stała dielektryczna

ε

r

≅

3,8 jest wystarczaj

ą

co

du

ż

a do budowy kondensatorów na podło

ż

u krzemowym oraz wystarczaj

ą

co

mała aby stała czasowa RC, dotycz

ą

ca izolacji

ś

cie

ż

ek poł

ą

cze

ń

elektrycznych,

nie ograniczała cz

ę

stotliwo

ś

ci pracy przyrz

ą

dów (prawdziwe do roku 2000)

• doskonałe własno

ś

ci izolacyjne - napi

ę

cie przebicia cienkiej warstwy SiO

2

wynosi około 15 000 kV/cm!

• bardzo dobre własno

ś

ci na styku powierzchni Si/SiO

2

• łatwo

ść

wytwarzania za pomoc

ą

ró

ż

nych technik

• łatwo

ść

strukturyzacji, czyli mo

ż

liwo

ść

wytrawiania zb

ę

dnych fragmentów

warstwy SiO

2

• stabilno

ść

chemiczna pozwalaj

ą

ca zabezpiecza

ć

krzem oraz struktury

półprzewodnikowe przed czynnikami zewn

ę

trznymi

2

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

7

Tlenek krzemu - zastosowania

Tlenek krzemu - zastosowania

• tlenki podbramkowe tranzystorów MOS - po

żą

dana grubo

ść

rz

ę

du kilku nm,

bardzo dobre własno

ś

ci elektryczne, wysokie napi

ę

cie przebicia

• warstwa dielektryka w kondensatorach - po

żą

dana du

ż

a pojemno

ść

przy

małej powierzchni, np. w pami

ę

ciach DRAM (Dynamic Random Access Memory)

pojemno

ś

ci rz

ę

du 30pF zajmuj

ą

powierzchni

ę

0,25

µ

m

• izolacja - np. pomi

ę

dzy tranzystorami na wspólnym podło

ż

u lub pomi

ę

dzy

warstwami poł

ą

cze

ń

elektrycznych

• warstwa maskuj

ą

ca w procesach domieszkowania lub implantacji

• warstwa buforowa zmniejszaj

ą

ca napr

ęż

enia przy nakładaniu materiałów o

własno

ś

ciach innych ni

ż

krzem (np. azotek krzemu)

• pasywacja gotowych struktur

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

8

Tlenek krzemu – metody wytwarzania

Tlenek krzemu – metody wytwarzania

Tlenek krzemu mo

ż

e by

ć

otrzymywany metodami:

- utleniania termicznego w temperaturach 700-1200

o

C – tlenki najwy

ż

szej

jako

ś

ci, podczas wytwarzania niezb

ę

dny jest dost

ę

p do powierzchni krzemu

- osadzania pró

ż

niowego z fazy lotnej (CVD) – tlenki gorszej jako

ś

ci

(porowate), niska precyzja kontroli grubo

ś

ci, mog

ą

by

ć

wykonywane na

dowolnych powierzchniach

- rozwirowania emulsji organicznej zawieraj

ą

cej SiO

2

– tlenki najni

ż

szej

jako

ś

ci, niskie koszty

h

tt

p

:/

/w

w

w

.t

f.

u

n

i-

k

ie

l.

d

e

/m

a

tw

is

/a

m

a

t/

e

lm

a

t_

e

n

/i

n

d

e

x.

h

tm

l

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

9

Termiczne utlenianie krzemu

Termiczne utlenianie krzemu

Proces „suchy”- płytka wystawiona jest na działanie czystego tlenu
- uzyskuje si

ę

wysokiej jako

ś

ci tlenek u

ż

ywany m.in. jako warstwa izolacyjna pod

bramk

ą

tranzystora MOS

Si + O

2

=> SiO

2

Proces „mokry” – prowadzony w atmosferze pary wodnej powstałej ze
spalania wysokiej czysto

ś

ci wodoru i tlenu

- tlenek otrzymany t

ą

metod

ą

ma gorsze wła

ś

ciwo

ś

ci (mo

ż

e by

ć

u

ż

ywany np. do

maskowania), natomiast znacznie wi

ę

ksza jest szybko

ść

jego wzrostu

2Si + H

2

O => SiO

2

+ H

2

Si

Si

d

ox

0,56 d

ox

0,44 d

ox

SiO

2

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

10

Utlenienie krzemu

Utlenienie krzemu

Utlenianie „suche”:

• mała szybko

ść

wzrostu tlenku

• bardzo dobre wła

ś

ciwo

ś

ci elektryczne

Utlenianie „mokre”:

• du

ż

a szybko

ść

wzrostu tlenku

• du

ż

a liczba defektów strukturalnych

h

tt

p

:/

/w

w

w

.t

f.

u

n

i-

k

ie

l.

d

e

/m

a

tw

is

/a

m

a

t/

e

lm

a

t_

e

n

/i

n

d

e

x.

h

tm

l

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

11

Utlenienie krzemu

Utlenienie krzemu

Wraz z post

ę

pem procesu warstwa tlenku krzemu narasta coraz wolniej

(reagenty s

ą

oddzielane coraz grubsz

ą

warstw

ą

SiO

2

)

h

tt

p

:/

/w

w

w

.t

f.

u

n

i-

k

ie

l.

d

e

/m

a

tw

is

/a

m

a

t/

e

lm

a

t_

e

n

/i

n

d

e

x.

h

tm

l

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

12

Parametry termicznego utleniania krzemu

Parametry termicznego utleniania krzemu

Temperatura

- niska (<800

o

C) – mała szybko

ść

procesu, w strukturze pojawiaj

ą

si

ę

elementy niepo

żą

dane (grupy OH) i defekty strukturalne

- wysoka (>800

o

C) – du

ż

a szybko

ść

procesu, mała liczba defektów

strukturalnych i chemicznych tlenku

Skład atmosfery

- tlen „suchy” – tlenek o najlepszych własno

ś

ciach elektrycznych, fizycznych i

chemicznych, wolniejszy wzrost

- tlen + para wodna (tlen mokry) lub tylko para wodna – tlenek zawiera liczne

defekty strukturalne, pogorszone własno

ś

ci elektrofizyczne na granicy krzem-

tlenek

Ci

ś

nienie

- obni

ż

one – spowolnienie procesu utleniania

- podwy

ż

szone – przyspieszenie procesu utleniania

3

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

13

Lokalne utlenianie krzemu

Lokalne utlenianie krzemu

- lokalne utlenianie krzemu (Local

Oxidation of Silicon - LOCOS) – utlenianie
tylko wybranych fragmentów powierzchni

- stosowane m.in. w celu odizolowania

s

ą

siednich tranzystorów MOS

- po

żą

dana jest du

ż

a grubo

ść

warstwy

SiO

2

, dlatego stosuje si

ę

utlenianie mokre

- wymaga zabezpieczenia powierzchni

krzemu mask

ą

b

ę

d

ą

c

ą

barier

ą

dla tlenu –

stosuje si

ę

azotek krzemu (Si

3

N

4

)

- azotek krzemu skutkuje powstaniem

silnych napr

ęż

e

ń

mechanicznych w

procesie utleniania, st

ą

d musi by

ć

nakładany na buforow

ą

warstw

ę

cienkiego

tlenku krzemu

SiO

2

Si

3

N

4

Si

charakterystyczny kształt

– „ptasi dziób”

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

14

Piec do termicznego utleniania krzemu

Piec do termicznego utleniania krzemu

Cechy:

• temperatura: 700 - 1200 °C

• atmosfera O

2

, O

2

+H

2

O lub N

2

+H

2

O

• stabilizacja temperatury na poziomie 0,5

o

C przez zastosowanie segmentów

grzejnych o du

ż

ej pojemno

ś

ci cieplnej utrzymywanych stale w zadanej

temperaturze (du

ż

e koszty utrzymania – jeden piec – jedna temperatura procesu)

• konieczno

ść

utrzymywania okre

ś

lonego gradientu temperatury podczas

wsuwania/ wysuwania podło

ż

y z pieca (napr

ęż

enia termiczne) – coraz silniejsze

ograniczenia dla coraz wi

ę

kszych podło

ż

y

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

15

Piec do termicznego utleniania krzemu

Piec do termicznego utleniania krzemu

Nowoczesne piece do termicznego utleniania du

ż

ych (>200mm) podło

ż

y

krzemowych maj

ą

konstrukcj

ę

wertykaln

ą

, która umo

ż

liwia m.in. łatwiejsz

ą

automatyzacj

ę

procesu wsuwania / wysuwania oraz mo

ż

liwo

ść

obracania łódki z

podło

ż

ami w celu uzyskania lepszej jednorodno

ś

ci rozkładu temperatury.

Obecnie podło

ż

a wsuwane s

ą

do pieca w temp. 450 – 700

o

C w atmosferze gazu

neutralnego, nast

ę

pnie s

ą

podgrzewane do zadanej temperatury utleniania, po

czym zmieniany jest dopływ gazu z neutralnego na tlen (lub par

ę

wodn

ą

). Po

zako

ń

czeniu procesu dopływ tlenu jest zast

ę

powany dopływem gazu neutralnego,

po czym podło

ż

a s

ą

studzone do temp. ko

ń

cowej i wyjmowane.

Zalety

- mo

ż

liwo

ść

stosowania jednego pieca do procesów o ró

ż

nych temperaturach

- jednakowy bilans cieplny wszystkich podło

ż

y

- mo

ż

liwo

ść

przeprowadzenia dodatkowego wygrzewania powstałego układu Si-

SiO

2

w tym samym piecu, w ramach jednego procesu termicznego

7. Wytwarzanie nowych warstw.

Utlenianie termiczne krzemu

16

Piec do termicznego utleniania krzemu

Piec do termicznego utleniania krzemu

Porównanie urz

ą

dze

ń

do proceu termicznego utleniania podło

ż

y

krzemowych firmy Koyo Thermo Systems Co.:

http://www.crystec.com/kllcompe.htm

Trójsekcyjny piec horyzontalny

(podło

ż

a 3’ – 150mm)

Wertykalny piec VF-1000

(podło

ż

a 3’ – 300mm)