EEL Processamento de Materiais Eletrônicos. Prof. Carlo Requião da Cunha, Ph.D. EEL/CTC/UFSC

(1)

Oxida

ç

_ç

ão

_ão

EEL6760 - Processamento de Materiais Eletrônicos

Prof. Carlo Requião da Cunha, Ph.D.

EEL/CTC/UFSC

(2)

1.

1. S

_S

í

_í

lica

_lica

[SiO

₄

]

4-O

Si

Constante dielétrica: 3.9

Resistividade DC: 10

16

Ω-cm

Gap de energia: ~9eV

Ponto de fusão: 1700

o

_C

Absorção de IR: 9.3 mm

2,

27 Ǻ

1,62 Ǻ

Quartzo

_{Sílica fundida}

(3)

2.

2. Impurezas

_Impurezas

Substitucionais

_{Substitucionais}

(Formadores de rede)

B

₂

O

₃

: B

3+

_{deficiência de um elétron = eliminação de uma ligação de oxigênio}

P

₂

O

₅

: P

5+

_{excesso de um elétron = criação de uma ligação de oxigênio}

Piora a rede

(4)

3.

3. Impurezas

_Impurezas

Intersticiais

_{Intersticiais}

Na, K

Pb, Ba

Troca um oxigênio de ligação por dois sem ligação!

(Modificadores de rede)

Baixa ponto de fusão, piora a rede.

H

₂

O + Si-O-Si

→ Si-OH + OH-Si

Hidroxila

Aumenta

campo elétrico

de

ruptura, mas baixa confiabilidade.

(5)

4.

4. Modelo

_Modelo

Interface original do Si

SiO

₂

Si

x_o 0.46x_o

Pesos moleculares [g/mol]:

Si: 28

O: 16

(6)

5. Deal

-

_-

Grove

_Grove

(1965)

(Modelo linear-parabólico)

F

₁

F

₂

F

₃

SiO

₂

Si

F

₁

= h

_g

(C

_g

-C

_s

)

Lei de Henry: Concentração de espécies dissolvidas em um sólido é proporcional a pressão parcial da espécie na fase gasosa na superfície sólida.

C

_g

=P

_g

/nRT, C

_s

=P

_s

/nRT

C

_g

C

_s

P

_g

= C*/H, P

_s

= C

_o

/H

(equilíbrio no óxido)

F

₁

= h(C*-C

_o

); h = h

_g

/HnRT

(7)

Deal

-

_-

Grove

_Grove

F

₂

= -D.dC/dx

_ox

= -D(C

_o

-C

_i

)/x

_ox

F

₂

F

₃

SiO

₂

Si

C

_i

C

_o

x

_ox

F

₁

= h(C*-C

_o

)

F

₃

= k

_s

C

_i

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛ +

=

+

=

D

x

k

C

D

x

k

h

k

C

_o _i s ox ox s s i

,

1

1 *

• Caso limitado por difusão: D pequeno .:. C

_i

→ 0, C

_o

→ C*

• Caso limitado por reação: D grande .:. C

_i

= C

_o

= C*/(1+k

_s

/h)

(8)

6.

6. Taxa

_Taxa

de

_de

Crescimento

_Crescimento

n [SiO₂] = 2,2×1022 _molec/cm3 N₁[O₂] = n, N₁[H₂O] = 2n

C

_i

= C

_o

= C*/(1+k

_s

/h)

F

₃

= k

_s

C

_i

t

x

N

D

x

k

h

k

C

k

F

ox ox s s s

∂

=

+

=

₁ 3

1 *

c.c.: x

_ox

(

t=0

) = x

_i

x

_ox2

_{+ Ax}

ox

= B (t+ τ)

A = 2D(k

_s-1

_+h

-1

₎

B = 2DC*/N

₁

τ = (x

_i2

_{+ Ax}

i

)/B

τ: tempo para produzir x_i.

(9)

7. Crescimento Linear

Tempos curtos: (t + τ) << A

2

_/4B:

(

+

τ

)

=

t

A

B

x

_ox Lei de crescimento linear Constante de taxa linear

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

=

→

⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛

+

=

1 1

*

N

C

k

A

B

N

C

h

k

h

k

A

B

s s s h>>ks

(10)

8.

8. Crescimento

_Crescimento

Parab

_Parab

ó

_ó

lico

_lico

Tempos longos: t >> τ

t

B

x

_ox2

=

Lei de crescimento parabólico Constante de taxa parabólica

2 A o

x

Xox 2 =B(t+τ) Xox = B /A (t +τ) B A

t

4 2

τ

+

log

(11)

9. Oxida

ç

_ç

ão

_ão

ú

_ú

mida e seca

_{mida e seca}

0

0.406

0.203

0.5

920

0

1.27

0.287

0.226 1000

0

4.64

0.510

0.11 1100

0

14.40

0.720

0.05 1200

τ [hr]

B/A [μm/hr]

B [μm

2

_/hr]

A [μm]

T [

o

_C]

1.40 0.0208

0.0049

0.235

920

9.00 0.0030

0.0011

0.370

800

81.00 0.00026

--700

0.37 0.0710

0.0117

0.165 1000

0.067 0.3000

0.0270

0.090 1100

0.027 1.1200

0.0450

0.040 1200

τ [hr]

B/A [μm/hr]

B [μm

2

_/hr]

A [μm]

T [

o

_C]

H

₂

O

₂

<100>

(12)

10.

10. Fatores

_Fatores

de

_de

Influência

_Influência

• Oxidação em pastilhas <111> é ~1,68× maior;

• Pastilhas dopadas oxidam mais fácil;

• Água acelera oxidação e cria imperfeições;

• Cl

_(gás)

misturado com O

₂

aumenta taxa de oxidação e

reduz impurezas (gettering);

(13)

11. Bird

’

_’

s Beak

_{s Beak}

Si

₃

N

₄

SiO

₂

Si

SiO

₂

SiO

₂

SiO

₂

SiO

₂ máscara efetivo

(14)

12. Interface x

-

_-

SiO

_SiO

₂

x = Si, SiO

₂

, etc.

SiO

₂

SiO

_x

Si

K+

Na+

Cargas Iônicas Móveis (Q_m)

+ + + + + +

Cargas fixas do óxido (Q_f)

x x x x x x

Cargas presas na interface (Q_it)

± ± ± ± ±

(15)

13.

13. Cargas

_Cargas

Fixas

_Fixas

do

_do

Ó

_Ó

xido

_xido

• Normalmente positiva;

• Polaridade não varia com potencial ou tempo; • Próximo da interface Si/SiO₂;

• Normalmente Si iônico não oxidado;

• Depende da orientação do cristal, mínimo em [100].

V

_G

C

V

_FB

V

_T

o

ox

f

ox

f

ox

f

FB

t

qN

C

qN

C

Q

V

ε

=

−

=

Δ

ox

FB

o

ox

f

t

q

V

N

=

ε

Δ

ΔV

_FB LF HF

(16)

14.

14. Cargas

_Cargas

Iônicas

_Iônicas

M

_M

ó

_ó

veis

_veis

• Metais alcalinos ionizados (Na+_{, K}+_{, …);}

• Alta difusividade; • Seguro < 1010 _cm-2_;

• Elimina com oxidação com cloro;

Bias-Temperature Test (B-T)

V

_G

C

1 2 3

¾

Amostra recém preparada;

¾

Aplica campo positivo

1MV/cm com aquecimento

de 200-300

o

_{C por 10-30}

min;

¾

Volta a RT mantendo o

campo;

ox

FB

o

ox

m

t

q

V

N

=

ε

Δ

(17)

15.

15. Cargas

_Cargas

Presas

_Presas

na

_na

Interface

_Interface

• Estados de interface na banda proibida;

• Densidade de armadilhas por energia D_it[cm-2 _eV-1_];

• Seguro < 1010 _cm-2_;

• Elimina com oxidação com cloro;

• Melhora com annealing após metalização (PMA).

Banda de valência

Banda de condução

E

D

_it doadores aceitadores N2_{ou H}2_{, 400-450}o_{C por 3-5 min.}

Muitas técnicas:

CV, QV, …

(18)

16.

16. Cargas

_Cargas

Presas

_Presas

no

_no

Ó

_Ó

xido

_xido

• Armadilhas relacionadas a defeitos; • Normalmente neutras e anfotéricas; • POA e PMA ajudam;