Yüksek sıcaklık işlemleri ve YİTAL uygulamaları

Malzemeler elektriksel olarak; iletken, yalıtkan, yarı iletken olarak sınıflandırılır (Tablo 1). İletkenlik, özdirencin tersidir. Özdirenç ne denli düşükse iletkenlik o denli yüksek olur. İletkenlerin aksine, yalıtkanlarda atom çekirdeği ve yörünge elektronları arası çekim yüksektir, elektronların hareketine direnç vardır. Yarı iletkenler, normal halde yalıtkan olup ancak ısı, ışık, manyetik etki altında bırakıldığında veya gerilim uygulandığında bir miktar valans elektronu (değerlik elektron ) serbest hale geçerek iletkenlik özelliği gösteren malzemelerdir. Valans elektronların bulunduğu en dıştaki enerji bandına “Valans Bandı”, bir sonraki banda da “İletkenlik Bandı” denir.

Yarı iletkenlerde valans bandı ile iletkenlik bandı arasında yasak bant vardır. Valans bandındaki elektrona boşluk bandı seviyesinde enerji verilince, uygulanan bu enerji ile valans elektronu iletim bandına geçer ve madde iletkenlik kazanır. Katkısız yarı iletken içerisinde yük taşıyıcı olarak görev yapacak herhangi bir safsızlık bulunmaz. Kristale uygun safsızlık atomları (bor, fosfor, arsenik) eklenerek katkılı yarı iletkenler oluşturulur.

Bir tümdevre üretiminde iletken, yalıtkan, katkılı-katkısız yarı iletken filmler silisyum taban üzerine depolanır, maskelenir ve aşındırılır. Bu çevrim üretim akışına göre defalarca yinelenir. Şekil 1’de ilk metal hattı tamamlanmış bir CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor/Bütünleyici Metal Oksit Yarı İletken) yapısını oluşturan ince filmler görülmektedir.

Yüksek sıcaklık işlemlerini ifade eden süreçler şu şekilde sıralanabillir:

· Silisyumun termal olarak oksitlenmesiyle SiO₂ oluşumu,

· LPCVD (Low Pressure Chemical Vapor Deposition/Düşük Basınçta Kimyasal Buhar Biriktirme) yöntemiyle silisyum oksit, silisyum nitrür ve polisilisyum ince filmlerin yüzeye depolanması,

· Katkılamayla iletkenlik özelliği kazandırılan silisyumun içerisindeki katkı elementlerinin aktive edilmesi, yayındırılması ve bu ilavelerin silisyum tek kristalinde oluşturduğu kristal kusurların giderilmesini kapsayan süreçler.

Termal Oksitleme

Silisyumun oksijene afinitesi (çekim/bağ) çok yüksektir, atmosfere çıkmasıyla birlikte zamanla üzerinde 10-20 Å kadar doğal, koruyucu oksit oluşur. Silisyum oksit, kalınlık ve fiziksel yapısının türevi olarak tümdevre üretiminde pek çok yerde kullanılır (Şekil 2). Dielektrik bir film olsa da termal genleşme katsayısı silisyuma yakındır. Silisyumun direncini düşüren katkıların yayılmasını (difüzyonunu) önleyen bir katmandır. Ayrıca aşındırma ve katkılama süreçlerinde maske olarak kullanılır. Tarihte ilk üretilen transistör germanyum tabanlı iken SiO₂’nin bu özelliklerinin farkındalığı ile “Silisyum Çağı” başlamıştır.

Oksitleyici ortam türüne göre kuru oksitleme ve nemli oksitleme olmak üzere iki tür termal oksitleme vardır. Kuru oksitlemede oksitleyici olarak saf oksijen gazı (%99,9999) kullanılır, silisyum ortamdaki oksijen gazı ile reaksiyona girerek yüzeyde amorf silisyum dioksit tabakası oluşturulur. 750-1000 °C sıcaklıklarında çalışılır ve SiO₂ oluşur. Sıcaklık arttıkça aynı sürede oluşacak oksit kalınlığı da artar. Termal oksitlemede birim SiO₂ başına 0.44 birim silisyum tüketilir. Bu da silisyumun oksitlenip ıslak aşındırıldığı zaman yüzeyinin temizlenmesine olanak tanır.

Oksijen gazı sonsuz kaynak olarak alındığında süreç sıcaklığına bağlı olarak belli bir kalınlığa kadar (yaklaşık 1000 Å) reaksiyon lineer bölge kalır, artan oksit kalınlığına bağlı olarak oksijenin ara yüzeye ulaşması güçleşir. Bu durumda reaksiyon artık difüzyon kontrollü hale gelir, oksitlenme hızı parabolik olarak artar. Nemli oksitlemede yüksek saflıkta hidrojen ve oksijen gazı termal oksitleme fırınına gönderilir, H₂O oluşturmak için reaksiyona girerler. OH’ın SiO₂ içinde difüzyonu O₂’den daha hızlı olduğundan, OH’a indirgenen H₂O molekülleri ile oksitleme daha hızlıdır. Bu sebeple 1000 Å üzeri kalınlıklarda nemli oksitleme tercih edilir.

Nemli oksitleme reaksiyonunda oksitlenme reaksiyonu sonucu H₂ çıkışı vardır. Bu H₂ oksit filmi içerisinde tuzaklanabilir. Bu sebeple oksitleme sonrası N₂ ortamında 900 °C ve üzeri sıcaklıklarda oksit filmini tavlayarak olabildiğinde sıkılaştırmak gerekir. Bir termal oksitlemede silisyum tabanın kristal yönelimi, katkı türü ve konsantrasyonu, oksitlenme hızını etkiler. (111) kristal yönelimli silisyum; atomik yoğunluğu (100) yöneliminden daha fazla olduğu için daha hızlı oksitlenir. Ayrıca silisyum tabanın katkı konsantrasyonu arttıkça yine oksitlenme hızlanır.

En hassas termal oksitleme süreci, transistörün geçit bölgesinin tabanında bulunan “Geçit Oksit” adı verilen filmin oluşturulmasıdır. Tabanında geçit oksit bulunan katkılı polisilisyum geçit bölgesine uygulanan düşük voltajla kanalda elektrik alan oluşturulup kaynak savak arası akım yolu açılır. Kanal genişliği küçüldükçe transistör hızlanır. “Kanal genişliği-geçit oksit kalınlığı-savak/kaynak jonksiyon derinliği” arasında korunan boyutsal oran gereği kanal genişliği, geçit oksit kalınlığının kabaca 45 katıdır. Dolayısıyla küçülen boyutlar daha ince geçit oksitleri gerektirir. Kapasite denklemine göre, oksit kalınlığı ne kadar düşükse kapasite o kadar yüksek olur. Böylece transistörün eşik gerilimi düşer, hızı artar. Kalınlığın limitlerinde ise yüksek dielektrik sabitli yalıtkanlar kullanılır.

YİTAL’de 0.25 µm CMOS teknolojisi için 60 Å SiO₂ büyütülmektedir (Şekil 3). Si-SiO₂ ara yüzeyinde bağ yapmamış atomlar, dislokasyon, dizilim hatası gibi kristal kusurlar, metalik kirlilikler gibi faktörlerin varlığı ve mertebesi oksitin elektriksel özelliklerini belirler. Oluşabilecek kusurlar oksit tabakasında tuzak oluşumuna neden olabilmektedir. İstenmeyen ara yüzey yükleri, SiO₂ tabakasındaki sodyum, potasyum, demir gibi iyonik yükler bölgesel bir elektrik alan artışına neden olmakta ve geçit oksidin yalıtkanlık özelliğini bozmaktadır. Geçit oksit süreci öncesi oksitleme, fırının ve silisyum pulların temizlik adımları, oluşacak ince SiO₂ filminin kalitesi açısından büyük önem taşımaktadır.

Oluşan oksit filmini karakterize etmek için yüzey yük analizörü karakterizasyon cihazıyla kalınlık dağılımı, Si-SiO₂ ara yüzey tuzakları, oksit yükleri, düz band gerilimi, eşik gerilimi, taban katkı konsantrasyonu ve azınlık taşıyıcı ömrü değerleri ölçülebilmektedir. Yüzey yük analizörü karakterizasyon cihazı kullanılarak gerçekleştirilen ölçüm yöntemi ve ölçüm parametreleri Tablo 2’de verilmiştir. YİTAL’de 60 Å kalınlığında büyütülen SiO₂ filminde azınlık taşıyıcı ömrü yaklaşık 300 µs, arayüzey tuzak yoğunluğu ise 2.13x1011 1/ev/cm² değerinde olup, literatür ile uyum sağlamaktadır.

LPCVD Süreçleri

İnce film depolama tekniklerinden biri olan CVD (Chemical Vapor Deposition/Kimyasal Buhar Biriktirme), buhar halindeki bir taşıyıcı gazın kimyasal reaksiyonu sonucu oluşan katı bir malzemeyle taban malzemenin kaplanmasıdır. Bir CVD sürecinde kalınlık dağılım düzgünlüğü ve süreç kontrolü sıcaklık, gaz akışları ve basınç değişkenlerine bağlıdır. Bir molekülün reaksiyon haznesinde herhangi bir çarpışma yaşamadan aldığı yola "ortalama serbest yol" denir. Serbest yol ne denli yüksekse film kalınlık dağılımı o denli iyi olacaktır. Ortalama serbest yolu en çok etkileyen süreç parametresi basınçtır. Basınç düştükçe ortalama serbest yol artar. Yatay hazneli bir LPCVD sistemi ve yardımcı ekipmanları Şekil 4’te verilmiştir.

YİTAL’de SiO₂, Si₃N₄ ve polisilisyum filmleri LPCVD yöntemiyle depolanmaktadır. LPCVD’de kimyasal reaksiyonlar, piroliz, redüksüyon, oksidasyon ve nitrürleme olarak dört çeşittir. Polisilisyum sürecinde piroliz reaksiyonu gerçekleşir; SiH₄ sıcaklık etkisiyle silisyuma indirgenir. Silisyum dioksit filmi, O₂ varlığında TEOS kimyasalı ile oluşturulur. Silisyum nitrür (Si₃N₄) filmi ise bir nitrürleme sürecidir; SiH₂Cl₂ ile NH₃ gazlarının reaksiyonu sonucu oluşur.

Termal Katkılama, Katkı Aktivasyonu

Silisyum kristal oluşturulurken, epitaksiyel film büyütülürken, iyon ekme ve termal difüzyon süreçlerinde silisyumun katkılaması gerçekleştirilir. Bu işlemlerden termal difüzyonla katkılama süreci yüksek sıcaklık uygulamalarının içerisindedir. Difüzyon, konsantrasyon gradyanı boyunca atomun hareketi olarak tanımlanır. Yüksek katkı seviyeleri (>1E20 at/cm³) ve jonksiyon derinliği hedeflenen uygulamalarda termal difüzyon süreci kullanılır. YİTAL’de termal difüzyon süreci olarak POCl₃ (Fosfor Oksiklorit) ile gaz faz katkılaması yapılmaktadır. POCl₃’ün fosfora indirgenme reaksiyonu aşağıdaki gibidir:

4POCI₃ + 3O₂ → 2P₂ O₅ +6CI₂

2P₂O₅ + 5Si → 4P+ 5SiO₂

Ortaya çıkan fosfor yüksek sıcaklık ortamında silisyum pula difüz eder. Oksit-nitrür gibi difüzyon katsayısı düşük film yoksa pulun hem ön yüz hem de arka yüzüne katkılama yapılabilir. Sıcaklık arttıkça silisyumun içerisinde çözebildiği katkı çözünürlüğü (katı çözünürlük seviyesi) de artmaktadır. 5E22 at/cm³ atom yoğunluğuna sahip silisyum, 900 °C de termal difüzyon süreci ile 1-2E20 at/ cm³ fosforu bünyesine alabilir.

İyon ekme yönteminde katkı atomları silisyuma yüksek enerji ile gönderilir. Hızla silisyuma gömülen atomlar, silisyum kristal kafesinde bağlanması gereken noktalarda olmadığından elektriksel olarak aktif değildirler. Ayrıca silisyum kristali bu yüksek enerjili çarpma sürecinden dolayı hasar görür. Hem bu kristal kusurları iyileştirmek hem de katkı ajanlarını elektriksel olarak aktif hale getirmek için, yaklaşık 1000 °C’deki azot ortamında “Aktivasyon Süreci” gerçekleştirilir. Katkılanan yüzeyden dışarıya doğru katkı difüzyonu gerçekleşerek, silisyumda katkı konsantrasyon düşüklüğü meydana gelebilir. Katkının dış ortama difüzyonunun engellenmesi, aktivasyon sırasında ya da öncesinde silisyum yüzeyinin oksitlenmesi ile sağlanır. Aktivasyon işlemi esnasında toplam katkı atomu yoğunluğu (Q) sabit kalır, yüzeydeki atom yoğunluğu düşer, jonksiyon derinliği artar.

Bir yandan katkı atomlarının aktive edilmesi diğer yandan jonksiyonun sığ kalmasının istendiği durumlarda RTP (Rapid Thermal Process/ Hızlı Isıl İşlem) süreci tercih edilir. RTP, birkaç saniyede pulun istenilen sıcaklığa (1250 °C’ye kadar) çıkarılabileceği bir ısıl işlem yöntemidir. Hızlı ısıtma (250 °C/s’e kadar) ve hızlı soğutma (125 °C/s’e kadar) özelliğinden dolayı RTP’nin temel avantajı; özellikle iyon aktivasyonu işleminde pulun sıcaklığa daha az maruz kalarak tabakalar içerisindeki katkı profillerinin yayılmamasıdır. Böylece, katkılar bulundukları tabaka içerisinde ani bir şekilde aktive edilirken farklı tabakalara difüzyonları da engellenmiş olur.

Bu tür hızlı ısıl işlemlerde ısı kaynağı olarak yüksek yoğunluklu tungsten halojen lambalar veya lazer kullanılır. İşlem öncesinde ve işlem sırasında ısıtma odasına N₂ veya Ar gazı verilerek ortam O₂’den temizlenir. Pulun sıcaklığı ise ısıl çift (0-800 °C arası) veya pirometre (400- 1250 °C arası) ile ölçülür.