שיקוע מפאזה גזית - יישומים

יישומי מבודדים ומוליכים •ליצירת חיבורי ביניים

פרופ’ יוסי שחם

המחלקה לאלקטרוניקה פיזיקלית, אונ’ ת”א.

מבודדים

תחמוצת סיליקון•

סיליקון ניטריד•

פולימרים אורגנים•

(LOW-Kמבודדים עם מקדם דיאלקטרי נמוך ) •

Crystalline forms: quartz, cristobalite, tridymite

Amorphous: silica )brand name, can be mixed(

Methods of preparation:

Deposition

Thermal oxidation

תחמוצת סיליקון

The oxygen atoms are electronegative,

and some of the silicon valence electron density

is transferred to the oxygen neighbors,

מבנה 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

מבנה מולקולת תחמוצת סיליקון

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" (

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.

מבנה תחמוצת סיליקון

תחמוצת סיליקון

, density = 2.0-2.3 gm/cm3

= 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]

r= 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.(

Precursors Technique Applications

SiH4, O2; PH3 andB2H6 as dopants;400-500 C

Showerhead APCVD Tube LPCVDInjector APCVD

obsoleteBPSGBPSG, PSG final passivation

TEOS, O2; TMPand TMB asdopants

Tube LPCVD )"HTO"(;

PECVD; 300 - 350 C

spacer oxides, gate oxidesandwich, isolationsandwich;BPSG ILDs cap layers forBPSG or PSG; finalpassivation

SiH4, N2O PECVD, 200-450 C cap layers and barrier layersfor spin-on glass; finalpassivation

TEOS, O3; TMPand TMB asdopants

Showerhead "SACVD",200-700 Torr, 350-500C, or injector APCVD,350-500 C

IMD sandwich; BPSG; finalpassivation; spacer oxide

שיטות לשיקוע מבודדים

SiO2 CVD from Silane +oxygen

SiO2 CVD from Silane +oxygen

SiO2 CVD from Silane +oxygen )3(

תלות קצב השיקוע

Magnetic enhancement

TEOS-Tetra Ethyle Ortho SIlicate

TEOS CVD

TEOSשיקוע תחמוצת על משטח בעזרת

TEOS - CVD )3(

TEOS +OZONE CVD

הוספת אוזון מעלה את קצב השיקוע

ריאקצית השיקוע

המאמץ בשיכבה

מולקולת אמוניה

שיקוע טיטנים ניטריד מפאזה גזית

TiN + byproducts

שיקוע טיטנים ניטריד מפאזה גזית

TiN + byproducts

Diffusion barrier comparison, )M. Mossavi et al., IITC 98(

Properties Ta - IMP TaN - IMP TiN - CVD

Resistivity 170 .cm 250 .cm 130 .cm

Stress +350 MPa +1500 MPa -750 MPa

Barrierperformance

6x1016 at/cm3 6x1017 at/cm3 1017 at/cm3

Sidewall/bottomcoverage)0.3m(

20%/40% 40%/40% 100%/100%

CMP selectivityvs. Cu

23 20 1

MOCVD TiN Precursors: Tetrakis-dimethylamino Titanium

Ternary phase diagrams

Cu Ta

N

TaN

Ta2N

TiCu Cu4Ti Cu4Ti3 CuTi CuTi2

N

TiN

Ti2N

•The lack of Ta-Cu compounds yield a broad range of compositions in equilibrium with Cu.

•Ti-rich compositions are expected to react with Cu

Wשיקוע מגע

סיליסייד Wשיקוע שער עם

Iשיקוע סלקטיבי בתוך מגע - שלב

IIשיקוע סלקטיבי בתוך מגע - שלב

Wאמינות של מגע

היווצרות - Wאמינות של מגע VOID

High K materials )I(

DRAMקבל אגירת מטען ל-

חומרים לקבלי אגירה

סיכום

כיום CVDיישומי

טונגסטן

טיטניום ניטריד, טנטלום ניטריד

נחושת ?

LOW-Kמבודדים - תחמוצת סיליקון ו-