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Film dielettrici

I film dielettrici sono strati sottili di materiali isolanti per controllare e gestire il comportamento elettrico nei dispositivi su scala micro e nanometrica. La loro funzione principale è quella di isolare elettricamente regioni diverse di un circuito e di gestire la distribuzione dei campi elettrici, consentendo così il corretto funzionamento di transistor, condensatori, memorie e altri componenti integrati.

Oltre alla funzione elettrica, i film dielettrici contribuiscono anche a stabilizzare, proteggere e integrare le strutture microelettroniche, influenzando in modo secondario anche le proprietà meccaniche, termiche e chimiche del dispositivo.

I film dielettrici sono essenziali perché:

• Isolano elettricamente diverse parti di un circuito, prevenendo cortocircuiti e perdite di corrente.
• Permettono il controllo dei campi elettrici all’interno dei dispositivi, condizione fondamentale per il funzionamento di transistor, condensatori e memorie.
• Proteggono i dispositivi da agenti esterni (umidità, ossigeno, contaminanti chimici).
• Servono come strati di passivazione o barriere di diffusione, limitando la migrazione di atomi tra differenti materiali (ad esempio, tra metallo e semiconduttore).
• Influenzano le proprietà ottiche nei dispositivi fotonici e optoelettronici (per esempio nei rivestimenti antiriflesso o nelle guide d'onda integrate).

Funzioni principali nei dispositivi microelettronici

Sezione di un MOSFET

Nei diversi componenti della microelettronica, i film dielettrici svolgono funzioni specifiche:

• Nei MOSFET (Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor): l’ossido di gate (tipicamente SiO₂ o materiali ad alta costante dielettrica) agisce come barriera tra il canale semiconduttore e il gate metallico, consentendo il controllo del flusso di carica tramite un campo elettrico senza trasferimento diretto di corrente dal gate al canale.
• Nei condensatori integrati: il film dielettrico separa le due armature metalliche, immagazzinando carica elettrica. La sua costante dielettrica ($\varepsilon _{r}$) determina la capacità per unità di area del dispositivo.
• Nelle interconnessioni multistrato: i dielettrici (come SiO₂ o Si₃N₄) fungono da isolanti intermetallo, separando fisicamente e elettricamente i vari livelli di conduttori.
• Nella passivazione superficiale: uno strato dielettrico protegge il dispositivo dall’ambiente e stabilizza le superfici semiconduttrici, riducendo i difetti e le cariche di superficie.

Obiettivi della deposizione dei film dielettrici

La deposizione di film dielettrici ha l’obiettivo di ottenere strati controllati e riproducibili, con proprietà ottimali per la funzione prevista.

Gli obiettivi principali sono:

• Spessore controllato e uniforme su grandi aree del wafer, spesso nell’intervallo da pochi nanometri a qualche micrometro.
• Elevata purezza e densità, per ridurre correnti di perdita e difetti strutturali.
• Aderenza ottimale al substrato e compatibilità con gli altri materiali del processo.
• Costante dielettrica e bandgap controllate, a seconda dell’applicazione (es. alta $\varepsilon _{r}$ per condensatori, bassa $\varepsilon _{r}$ per isolanti tra linee metalliche).
• Bassa rugosità superficiale e assenza di pinhole (microfori che causerebbero cortocircuiti).
• Stabilità termica e chimica, per resistere ai cicli di lavorazione successivi.

Tecniche di deposizione e crescita dei film dielettrici

La realizzazione di film dielettrici può avvenire attraverso diversi approcci tecnologici, che si distinguono a seconda del meccanismo fisico o chimico impiegato per formare lo strato. Le principali tecniche di deposizione e i processi di crescita sono:

• Tecniche di deposizione
  • Deposizione fisica da vapore. Basata sul trasferimento fisico di materiale da una sorgente solida al substrato. Le tecniche più comuni sono lo sputtering e l’evaporazione termica. Utilizzata per materiali come SiO₂, Al₂O₃, TiO₂ e nitruri.
  • Deposizione chimica da vapore (CVD). Si basa su reazioni chimiche in fase gassosa che avvengono sulla superficie del substrato.
  • Deposizione a strati atomici (ALD, Atomic Layer Deposition). Tecnica basata su reazioni sequenziali e auto-limitanti che permettono un controllo nanometrico dello spessore e un’eccellente conformalità su superfici 3D. Essenziale nei dispositivi avanzati per transistor FinFET, memorie e rivestimenti barriera.

• Processi di crescita
  • Ossidazione termica del silicio. È un processo in cui l’ossigeno molecolare (O₂) o il vapore acqueo (H₂O) reagiscono con il silicio del substrato per formare biossido di silicio (SiO₂) direttamente sulla superficie. Non è una deposizione, poiché il film si genera per reazione interna, consumando parte del silicio stesso. Questo metodo fornisce ossidi di altissima qualità, fondamentali per i gates dielectrics dei dispositivi MOS tradizionali.

Parametri elettrici fondamentali

Parametro	Simbolo	Unità di misura	Significato e importanza
Permittività relativa	$\varepsilon _{r}$	(adimensionale)	Indica la capacità del materiale di immagazzinare carica elettrica rispetto al vuoto. Maggiore $\varepsilon _{r}$ → maggiore capacità per unità di area.
Rigidità dielettrica	$E_{\text{breakdown}}$	V/m	Campo elettrico massimo che il dielettrico può sopportare senza rompersi. Determina la tensione massima applicabile.
Corrente di perdita	$I_{\text{leak}}$	A/cm²	Corrente che attraversa il dielettrico in condizioni statiche. Deve essere minima per garantire basso consumo e alta affidabilità.
Densità di stati di trappola / Cariche di interfaccia	$D_{\text{it}}$	cm⁻²·eV⁻¹	Difetti localizzati all’interfaccia tra dielettrico e semiconduttore che intrappolano cariche, alterando il comportamento del dispositivo (es. shift della soglia nei MOSFET).
Resistività	$\rho$	Ω·cm	Misura l’opposizione del materiale al passaggio di corrente continua. Nei dielettrici è molto elevata (10⁸–10¹⁶ Ω·cm).

Questi parametri determinano la qualità elettrica del film dielettrico e ne influenzano direttamente le prestazioni in dispositivi come MOSFET, condensatori integrati e strutture multistrato.

Ossido di silicio

L’ossido di silicio (SiO₂) è uno dei materiali più importanti nella microelettronica grazie al suo ruolo di isolante elettrico e alla perfetta compatibilità con il silicio. Viene utilizzato come strato di gate nei transistor MOSFET, come dielettrico d’interstrato e come strato di passivazione per proteggere i dispositivi. La sua interfaccia stabile con il silicio riduce i difetti e garantisce l’affidabilità dei circuiti integrati. L’ossido può essere ottenuto con diverse tecniche: l’ossidazione termica (secca o umida) è la più comune e produce ossidi di altissima qualità, mentre metodi alternativi come la deposizione chimica da fase vapore (CVD), la deposizione fisica consentono la crescita a temperature più basse o su substrati diversi. Grazie a queste caratteristiche, il SiO₂ rimane un materiale fondamentale per la microelettronica moderna, nonostante l’introduzione di nuovi dielettrici ad alta costante dielettrica.

Nell'ossidazione per deposizione, il silicio che reagisce per formare l'ossido non è quello del substrato, ma silicio che viene trasportato nella camera di ossidazione mediante reagenti gassosi o liquidi portati a temperature opportune. Il silicio e l'ossigeno arrivano sulla superficie del wafer dove reagiscono e depositano uno strato di ossido di silicio. La deposizione si ottiene mediante tecnica CVD generalmente di tipo LPCVD (CVD a bassa pressione) a temperature intorno ai 650-750 °C. Se si deve depositare ossido non drogato, il reagente più utilizzato è il TEOS (tetraortosilicato di silicio) liquido che viene scaldato fino ad una temperatura di circa 700 °C.

Le proprietà elettriche degli ossidi deposti sono peggiori rispetto a quelle degli ossidi accresciuti termicamente, è però utile depositare un ossido quando si ha la necessità di isolare delle aree in cui i dispositivi (ad esempio i transistori MOSFET) sono molto vicini gli uni agli altri (aree ad elevata densità di dispositivi). Gli ossidi ottenuti a partire dal TEOS presentano un'ottima uniformità e riescono a coprire le zone dense seguendo bene il profilo delle cavità.

Il biossido di silicio depositato chimicamente da fase vapore non può sostituire gli ossidi cresciuti termicamente, che hanno migliori proprietà elettriche; tuttavia si utilizza in ruoli complementari a quelli degli ossidi cresciuti termicamente.

Struttura S_iO_2

Uno strato di biossido di silicio non drogato è utilizzato per realizzare strati mascheranti per l’impiantazione ionica o per la diffusione, per isolare metallizzazioni a più livelli oppure come strato di passivazione finale.

Ossido di silicio dal Silano

Film di $SiO_{2}\$ possono essere realizzati in diversi modi; per deposizioni a bassa temperatura (da 300 a 500°C) i film sono realizzati facendo reagire il silano e l’ossigeno:

$SiH_{4}+O_{2}\longrightarrow \ SiO_{2}+2H_{2}$

Il processo di deposizione può essere condotto o a pressione atmosferica in un reattore CVD o a pressione ridotta in un reattore LPCVD; la bassa temperatura di deposizione della relazione silano-ossigeno rende questo processo indicato per la deposizione di film su di uno strato di alluminio. L’ossido di silicio deposto ha una struttura amorfa costituita da tetraedri`simile a quella del quarzo fuso. La densità più bassa si verifica nei film deposti al di sotto dei 500°C. Riscaldandolo a temperature tra 600 e 1000 °C, se ne provoca la densificazione e diminuisce lo spessore.

Durante il processo di densificazione la struttura si mantiene amorfa, tuttavia la struttura tetraedrica diventa piu` regolare. Il processo di densificazione fa acquistare all’ossido deposto molte delle proprieta` dell’ossido termico. Vi è quindi una stretta relazione tra la temperatura di deposizione e la proprietà dei film di biossido di silicio deposti. In generale, gli ossidi deposti alle temperature più elevate sono simili all’ossido di silicio accresciuto termicamente.

Ossido di silicio dal TEOS

L’ ossido di silicio può essere quindi depositato in un reattore a bassa pressione (LPCVD), decomponendo l' Ortosilicato tetraetile ($Si(OC_{2}H_{5})_{4}\$) a temperature da 650° a 750°C. Questo composto viene vaporizzato da una sorgente liquida.

La decomposizione del $TEOS\$ e` utile per deporre isolante sopra il polisilicio, ma l’alta temperatura richiesta impedisce il suo uso sull’alluminio. I vantaggi della deposizione con TEOS sono uniformità eccellente, copertura uniforme dei gradini e buone proprietà dei film, a discapito dell’alta temperatura di deposizione e della necessita` di una sorgente liquida.

Ricopertura con dielettrico conforme

Si rappresenta la reazione chimica che da luogo al $TEOS\$:

$\mathrm {Si(OC_{2}H_{5})_{4}+O_{2}} \longrightarrow \mathrm {SiO_{2}+CO_{2}+H_{2}O} \longrightarrow TEOS$

dove il TEOS è, come già detto, in forma liquida, l'ossido di silicio si presenta allo stato solido, mentre $\mathrm {C_{2}H_{4}} \;$ ed acqua sono allo stato gassoso. Le buone doti di ricopertura rendono l'ossido di Silicio prodotto a partire dal TEOS lo strato migliore per ricoprire le strutture dei MOSFET.

Possiamo avere due possibili situazioni di ricopertura. Nella figura a fianco (a) viene mostrato un ricoprimento del gradino completamente conforme; lo spessore del film lungo le pareti e` uguale a quello al fondo del gradino. Si ha un ricoprimento conforme del gradino quando i reagenti, o i composti intermedi della reazione, vengono assorbiti sulla superficie e quindi migrano rapidamente lungo la superficie stessa prima di reagire. Questa rapida migrazione ha per risultato una concentrazione superficiale uniforme, senza tener conto della topografia e da di conseguenza uno spessore perfettamente uniforme. Quando i reagenti sono assorbiti e reagiscono senza una migrazione superficiale significativa, la velocità di deposizione e` proporzionale all’angolo di arrivo delle molecole di gas. Nella nella stessa figura (b) si vede come l’angolo di arrivo sulla superficie orizzontale è di 180° gradi, mentre in cima alla superficie verticale è solo di 90° , così lo spessore del film viene ridotto di metà. Lungo le pareti verticali l’angolo di arrivo e` determinato dall’ampiezza dell’apertura e dallo spessore del film.

Il biossido di silicio formato da decomposizione del $TEOS\$ a bassa pressione da una ricopertura quasi conforme a causa della rapida migrazione superficiale. Al contrario, durante la deposizione con reazione silano-ossigeno non si ha migrazione superficiale e la ricopertura è determinata dall’angolo di arrivo.

Il $TEOS\$ può essere deposto anche con la tecnica $PECVD\$. In questo caso si utilizza parzialmente l’energia termica per innescare le reazioni e in parte l'energia del plasma. Infatti i reattori per la deposizione chimica da fase vapore assistita da plasma (PECVD), sfruttano una scarica provocata dall’applicazione di un campo a radiofrequenza attraverso un gas a bassa pressione per trasferire energia ai gas reagenti. Il plasma in questo caso avviene in una miscela opportuna di Ossigeno e Argon. I film cresciuti con questa tecnica possono risultare contaminati con silanoli e possono essere instabili in aria. Pressioni di pochi mbar e una distanza piccola tra gli elettrodi, e/o deposizione con due frequenze permette di ottenere deposizioni con alta velocità di crescita e film con buona stabilità.

Il vantaggio principale di questo metodo consiste nella sua bassa temperatura di deposizione: una temperatura compresa tra 100 – 400 °C. Mentre lo svantaggio consiste nel fatto che si può processare un wafer alla volta e questo fa lievitare il costo di produzione.

BPSG

Il $BPSG$ (Boron Phos Silicon Glass) e` un isolante (legami Silicio-Ossigeno in gruppi $SiO_{x}\$) nel quale vengono introdotti in siti interstiziali atomi pentavalenti (Fosforo) e trivalenti (Boro) che ne alterano le caratteristiche chimico-fisiche ed elettriche. I droganti diminuiscono la temperatura di fusione ed innalzano la velocità di deposizione del film. In questo modo un processo termico tra i 900 ed i 1100° C successivo alla deposizione di BPSG ne consente un buon reflow consentendo la ricopertura di strutture molto dense e la planarizzazione del film. Pertanto esso realizza la struttura portante del dispositivo nella quale vengono scavati i contatti ed i condensatori; ha inoltre anche il compito di isolare fra di loro tali strutture.

Il processo sub-atmosferico delle camere e` cosi` organizzato: 3 tipologie di liquido, $TEOS$, $TEB$ e $TEPO$ vengono riscaldati e vaporizzati e confluiscono (tramite un carrier) in camera di deposizione insieme all’ Ozono (generato da un Ozone generator) dove reagiscono formando il $BPSG$:

$\mathrm {(C_{2}H_{5}O)_{4}Si+(C_{2}H_{5}O)_{3}B+(C_{2}H_{5}O)_{3}PO} \longrightarrow \mathrm {(SiO_{2}+B+P)} +\mathrm {CH_{3}CHO} +P.R.$

P.R. sta per prodotti di reazione. La pressione e` inferiore a quella atmosferica (circa uguale a 200 Torr), mentre la temperatura di deposizione e` fissata a 530° C.

L’Ozono ($O_{3}\$) viene utilizzato come principale “fornitore” di Ossigeno, in quanto e` instabile e facilmente dissociabile anche a temperature non molto elevate e pertanto la giusta quantità di atomi di Ossigeno in camera di deposizione e` facilmente assicurata. Inoltre si ha l’aumento della conformità e dell’uniformità del film $BPSG$ all’aumentare del flusso di Ozono.

La presenza dei droganti nei vari films di $BPSG$ e` tale da garantire e migliorare alcune caratteristiche dell’ossido: per esempio, il processo di Dry Etching che serve a scavare il $BPSG$ per l’apertura dei contatti su Source/Drain e` piu` efficace in presenza di una maggiore quantità di Fosforo, cosi` come la presenza di Boro in una giusta percentuale aiuta il film a “rifluire”, cioè a stabilizzarsi in densità, quando viene sottoposto a processi termici come il Reflow, poiché ne abbassa la temperatura di fusione.

Tuttavia bisogna stare attenti a non esagerare con il Boro in quanto questo, a concentrazioni vicine al 5% comincia a cristallizzare piuttosto che a distribuirsi uniformemente. Quindi si aggiunge del Fosforo ma anche in questo caso non possiamo superare valori vicini all’ 8% in quanto si rischierebbe di formare Acido Fosforico che risulterebbe corrosivo per alcune strutture. Inoltre Boro e Fosforo determinano anche l’attaccabilità nei confronti dei processi di Dry Etch e Wet quindi le loro concentrazioni devono essere controllate con una certa accuratezza.

La fluidità del film aumenta con il crescere della concentrazione di Fosforo. L’andamento dell’angolo di ricopertura (ovvero il gradino che si viene a formare quando la fluidità è bassa) in funzione della percentuale in peso di fosforo (wt%) può essere approssimato come:

$\theta =120\left({\frac {10-wt\%}{10}}\right)$

ILD

L'ILD (ossido intermetallico) viene posto tra due metalli come mostrato in figura.

ILD

L' Alluminio fonde circa a 660° mentre l' ILD viene posto a circa 600°. Per deporre l' ILD non si deve naturalmente fondere l'Alluminio e anche in questo caso la tecnica di deposizione è il PECVD.

Se abbiamo due aree attive molto vicine con la necessità che le due aree siano elettricamente isolate allora deve essere effettuato uno scavo attorno alle aree attive in modo da poterle isolare. Tramite il processo di plasma da alta densità andiamo a riempire lo scavo (trench) con un ossido di alta qualità che ci fornisce l'isolamento elettrico. Con un altro processo poi si planarizza l' ossido precedentemente deposto. Lo spazio tra due aree attive è molto difficile da riempire e se utilizzo ad esempio il BPSG potrebbero crearsi dei buchi (voids).

Bibliografia

• Fu-Chien Chiu, A review on conduction mechanisms in dielectric films, Advances in Materials Science and Engineering, 1 (2014) 578168.
• W. A.Pliskin, Comparison of properties of dielectric films deposited by various methods, Journal of Vacuum Science and Technology, 14 (1977) 1064-1081.

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