Planarizzazione e Metallizzazione

Planarizzazione e

Metallizzazione

5.1 La Planarizzazione

In questo capitolo è descritto il processo per rendere planare la struttura macroporosa. La planarizzazione viene eseguita con lo scopo di adattare il substrato macroporoso ad una metallizzazione altrimenti non possibile. Questa metal viene poi definita da una maschera per realizzare delle linee coplanari che serviranno a caratterizzare il substrato.

L'idea di base è quella di trovare un dielettrico che riesca a planarizzare la struttura e nello stesso tempo mantenga uno spessore abbastanza basso da non influire nella caratterizzazione del substrato di Silicio Macroporoso. Ciò

perché quello che si caratterizza è una struttura formata da Dielettrico/SiMacroporoso/Si (vedi figura 5.1) e dato che in corrispondenza delle linee coplanari il campo elettrico è più intenso, le correnti di perdita risultano maggiori. Pertanto per ottenere una caratterizzazione solo del substrato di macropori occorre fare in modo che il dielettrico sia il più sottile possibile, in modo che il suo influsso sia trascurabile.

Fig 5.1

In questo elaborato sono stati utilizzati per planarizzare due tipi di polimeri:

• Poliimmide;

• BCB (Benzociclobutene).

Queste due sostanze sono dei composti polimerici con solventi organici formano dei fluidi viscosi i quali possono essere deposti per spinning in modo analogo ai photoresist per la litografia.. Dopo un piccolo tempo di cottura questi composti si liberano del solvente e decrementa lo spessore dello strato. Si ottiene così uno strato planare di pochi µ perfettamente aderente alla m superficie del wafer.

Si sono utilizzati la Polyimide e il BCB perché presentano i seguenti vantaggi:

• sono compatibili con i processi standard ( CMOS e BiCOMS ) • hanno basso costo;

• sono facili da usare.

5.2 Il Processo di Planarizzazione

5.2.1 La pulizia dei Campioni

Prima di passare alla fase di “spinning”, i campioni, al termine della fase di Etching, subiscono alcuni processi di pulizia. Questi clean-steps devono garantire la completa rimozione della:

• cera nera che serviva per proteggere i contatti di metallo dall’HF ; • maschera di Nitruro di Silicio nella zona attiva.

Onde riuscire nell’intento di pulitura i campioni vengono tenuti immersi nelle seguenti soluzioni:

• HNO3 , 10 min (serve per pulire il campione dalla cera nera e particelle

varie);

• HF al 40% , 10 min(serve per aiutare a rimuovere la naschera di nitruro dalla zona attiva);

• HNO3 , 5 min (produce un ulteriore grado di pulizia);

• H₂O , 3 min (serve a rimuovere i residui di acido).

Usando una soluzione acida e tenendo il campione, per tanto tempo, nel bagno elettrochimico la maschera di Nitruro di Silicio nella zona attiva tende a togliersi da sola durante l’Etching. Per tale ragione risulta facile rimuovere lo strato di Nitruro di Silicio nei campioni realizzati con la soluzione A.

Più complesso risulta essere, invece, la rimozione della suddetta maschera nel caso di campioni realizzati con la soluzione B. In questo caso si usa agitare il campione nella soluzione in HF al 40% e se non fosse sufficiente si incide leggermente la maschera nella zona attiva in un punto dove la qualità del Silicio Poroso non è determinante per la sua caratterizzazione. Utilizzando l’aria compressa si rimuove definitivamente la maschera e successivamente

Per terminare la fase di pulizia i campioni vengono asciugati ponendoli sopra ad un piano alla temperatura di 100 °C e infine messi in appositi contenitori.

Prima di iniziare la fase di spinning i campioni vengono incollati su un wafer in quanto, in questi processi, gli strumenti possono supportare solo determinati standard. Sul wafer viene spalmata una resina necessaria per incollare il campione il quale viene circondato da altri chip della stessa dimensione onde evitare gli effetti di bordo (figura 5.2). Si pone quindi il wafer su un fornello a 50°C in modo da sistemare meglio i campioni poiché a quella temperatura la resina resta fluida e permette la collocazione più opportuna dei campioni. Una volta sistemati si spegne il fornello e raggiunta la temperatura ambiente la colla solidifica facendo aderire i campioni che rimangono fissati sulla superficie del wafer.

5.2.2 Lo Spinning e la cottura

Il Wafer con i campioni incollati (figura 5.2) viene posto sopra un supporto rotante che può girare oltre 5000 g/min. Il polimero (circa 1 ml) viene posto direttamente sui campioni al centro del wafer quindi viene attivata la rotazione. Al termine di questa ultima fase il wafer viene posto su un fornello alla temperatura di 50°C, i campioni vengono staccati e messi in un forno di cottura ad alta temperatura. Quì il dielettrico degasando perde il solvente e decrementa il suo volume aderendo alla superficie. A questo punto viene tolta l’aria dal forno e inserito un gas inerte (in questo caso viene utilizzato l’azoto) e successivamente viene alzata la temperatura fino al valore desiderato. I tempi di cottura e le temperature utilizzate dipendono essenzialmente dal tipo di polimero e dal suo contenuto di solvente.

Lo spessore ( S ) dello strato dipende dalla velocità di rotazione nella fase di spinning secondo la relazione empirica:

V

B

A

S

=

+

_(5.1)

V è la velocità di spinning ;

A e B dipendono dal tipo di polimero (dielettrico) utilizzata e sopratutto dalla

quantità di solvente presente.

In figura 5.3 è riportato un grafico per lo spessore di Poliimmide.

Fig 5.3

Dall’immagine di figura 5.3 si nota che nella Poliimmide dove è presente più solvente, quindi più viscosa, il layer che si forma è più sottile.

Fig 5.4

Il produttore fornisce anche i tempi standard di cottura, in funzione dello spessore, che sono dati in figura 5.4

5.3 La Caratterizzazione

La caratterizzazione del processo di deposizione viene effettuata attraverso una sezione del campione e l’esame tramite il microscopio elettronico a scansione (SEM). Il campione viene sezionato con i metodi già descritti nel paragrafo 3.4. Dato che non si può osservare un materiale dielettrico al SEM, perché questo non consentirebbe agli elettroni provenienti dal fascio una facile via di fuga, allora viene deposto per suttering dell’oro con una BALTEC (figura 5.5). Bastano poche decine di nm di oro a rendere visibile lo strato di polimero, perciò questo passo viene eseguito molto velocemente.

Fig 5.5

5.3.1 La Poliimmide

La Poliimmide è un polimero molto impiegata nelle applicazioni elettroniche anche se presenta problemi di compressione (è facile che possa venire compressa da un altro strato e di conseguenza decrementare il suo spessore) e i tempi di vita non sono tali da poterla utilizzare in larga scala in produzione. Risulta, invece, molto diffusa in campo sperimentale.

In questa applicazione una goccia di circa 1 ml di Polyimide viene “spinnata” su due campioni; uno 2x2 e l’altro 5x5 presentanti rispettivamente il diametro minore e il maggiore dei pori. Questi campioni vengono realizzati con l’impiego della soluzione A e quindi presentano più Silicio in superficie.

Polyimide 5x5

spinning = 5000 g/min x 30 s post backing = 3 min a 90°C Soluzione A

Fig 5.6

Dalla figura 5.6 si vede chiaramente che la Poliimmide non ha aderisce alla superficie della zona attiva mentre risulta perfettamente aderente nella zona non attiva dove è presente il Nitruro di Silicio.

Utilizzando uno spinning più lento si trova che la Poliimmide è presente solo negli angoli, e non senza forma uno strato sufficiente a planarizzare l’intera area attiva come mostrano la figure 5.7 a e 5.7 b

Fig 5.7 a

Fig. 5.7 b

Polyimide 5x5

spinning = 3000 g/min x 30 s post backing = 3 min a 90°C

Lo spinning veloce viene eseguito anche sui campioni 2x2 che presentano pori a diametro inferiore. In questo caso l’aderenza è maggiore ma come mostrano le immagini di figura 5.8a e 5.8b molti pori rimangono ancora scoperti.

Fig.5.8a

Fig. 5.8 b

Polyimide su 2x2

spinning = 5000 g/m x 30 s cottura = 3 min a 90 °C

5.3.2 Il BCB

Questo polimero sta ampliando le sue applicazioni nel campo della microelettronica perché, rispetto alle normali polimeri che vengono utilizzati in nelle applicazioni elettroniche, presenta numerosi caratteristiche vantaggiose quali:

• bassa costante dielettrica (2.65 indipendente dalla temperatura e dalla frequenza);

• semplice uso;

• basso contenuti di ioni; • basso uptake (compressione);

• bassa temperatura di cottura (al minimo 200 °C x 2 ore); • basso tempo di cottura (al piu ,< 1 min a 300 °C); • altra trasparenza ottica (> 90% nel visibile); • alto livello di planarizzazione;

• alta resistenza ai solventi; • degasamento molto basso;

Nelle esperienze realizzate si è utilizzia il CYCLOTENE 3022-46. Il BCB e stato provato su campioni 5x5.

Fig. 5.9a Fig. 5.9b BCB su 5x5 Spinning = 1 min a 5000 g/min Post backing = 2 h a 300 °C

In questo caso dalle immagini della superficie (figura 5.9a) e della sezione (figura 5.9b) si nota come il BCB riempia tutti pori fino a quasi colmarli; cosa che invece succede se si riduce la velocità (figura 5.10).

Fig 5.10

Le prove sono state fatte anche su campioni 2x2 e dalle immagini di figura 5.11 e 5.12 si nota come il BCB riesca ad entrare in tutti i pori anche con diametri inferiori. In questi ultimi casi il BCB riesce a colmare totalmente la superficie formando degli strati di dielettrico planari.

Fig. 5.11 BCB su 2x Spinning = 1min a 2000 g/min Post backing =2 h a 300 °C Fig. 5.12 BCB su 2x Spinning = 1 min a 4000 g/min Post backing =2 h a 300 °C

Gli spessori vengono misurati dalle foto al SEM (tabella 5.1) e successivamente si procede al calcolo dei parametri A e B che descrivono la curva per la definizione dello spessore del layer in funzione della velocità di spinning.

Velocità di spinning

Spessore dello strato di BCB

2000 g/min (fig 5.11) 4.2-4.3 um

4000 g/min (fig 5.12) 2.1-2.2 um

Tab 5.1

Dalla tabella 5. 1e dalla funzione 5.1 si hanno i valori A = -6.2 e B = 320

5.4 La Metallizzazione

Negli esperimenti si è utilizzato l’alluminio come metallo da deporre sopra il dielettrico in quanto ciò risulta più semplice e veloce rispetto alla deposizione di qualsiasi altri metallo. Sarebbe stato più opportuno l’utilizzo del rame per realizzare le CPW perché come noto le perdite dipendono sia dalla resistività del substrato che dalla conducibilità del materiale con cui

viene realizzata la linea di trasmissione e l’utilizzo del rame avrebbe ridotto queste ultime.

Viene utilizzato sputtering di Al con una potenza di 150 W per 30 minuti ottenendo uno strato di spessore di 1.5µ . m

Fig 5.13a Fig 5.13b

Nelle figure 5.13a e 5.13b è mostrata la metallizzazione realizzata su un campioni con BCB senza la fase di cottura e come si vede da queste immagini il BCB è rimasto schiacciato dal peso dell’alluminio in corrispondenza dei pori. La cottura invece rende la struttura più uniforme come risulta evidente dalle figure 5.13c e 5.13d relative ad un altro campione.

5.5 Conclusioni

La Poliimmide non è in grado di aderire alla struttura macroporosa utilizzata in questi esperimenti mentre aderisce bene sulla superficie di Nitruro si Silicio della zona non attiva. Nei passi successivi si userà solo la planarizzazione con il BCB in quanto questo riesce ad entrare anche dentro ai pori più piccoli e dopo la cottura si realizza una struttura abbastanza stabile anche se fisicamente sarebbe preferibile avere un dielettrico come l’aria (

ε

ε

avrei una

ε

l’accoppiamento capacitivo. Questo porterebbe il decremento delle perdite. In figura 5.10 uno spinning a 2000 g/min ha prodotto sulla superficie di un campione 5x5 uno strato quasi nullo di BCB (si nota dalla concavità dello strato di dielettrico in corrispondenza del poro). La figura 5.11 mostra che, su un campione 2x2 con la stessa velocità di spinning, si è prodotto uno strato di 4.2 µ . m

Si è riscontrato un diverso spessore di BCB (a parità di velocità di spinning) anche su campioni che presentano lo stesso diametro di poro ma con profondità diversa. Per tali ragioni lo spessore dello strato di BCB non è più imputabile alla sola velocità ma anche alla geometria del poro. Risulta così problematico stimare lo spessore dello strato di BCB nella planarizzazione.

Nei campioni che vengono realizzati per essere misurati si sono adottati due criteri di creazione del layer.

Spinning A

• Spinning BCB 1 min 3000 RPM

• Curing BCB 3 ore 300°C

• Sputtering SiO2 5min 100 nm

• Sputtering Al 35 min 1.5 um

Spinning B

• Spinning BCB 1 min 3000 RPM

• Curing BCB 3 ore 300°C

• Curing BCB 3 ore 300°C

• Sputtering SiO2 5min 100 nm

• Sputtering Al 35 min 1.5 um

La differenza tra questi due tipi di planarizzazioni sta nel passo di spinning (e quindi di curing ) aggiuntivo, utile a garantire uno strato più planare qualora il primo passo non fosse sufficiente a planarizzare completamente la struttura, come avviene ad esempio nel campione di figura 5.9.