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Capítulo 3 – Técnicas de Deposição: Pt1 - CVD

Ioshiaki DoiFEEC/UNICAMP

Chemical Vapor Deposition

IE726 – Processos de Filmes Finos

Nitretos e si-poli


• Diversos filmes de variados materiais são Diversos filmes de variados materiais são depositados durante a fabricação de um CI depositados durante a fabricação de um CI

Dielétrico para isolação de dispositivos

•Alguns filmes são usados temporariamente como camada de máscara, enquanto que outros filmes tornam partes do circuito sendo fabricado.

1. Introdução

•Conexão das regiões ativas dos dispositivos.

•Comunicação entre os dispositivos.

•Acesso externo aos circuitos.

•Isolação entre as camadas condutoras.

•como fonte de dopante e como barreira para dopagem.

•para proteger as superfícies do ambiente externo.

•Tipos de Filmes Finos e Aplicações:Tipos de Filmes Finos e Aplicações:


Podem ser condutores, semicondutores ou isolantes

•Métodos Principais de Deposição:Métodos Principais de Deposição:


• Chemical Vapor Deposition (CVD)

formação de um filme sólido sobre um substrato pela reação de espécies químicas em fase vapor.

• Physical Vapor Deposition (PVD) usa método físico (evaporação ou sputtering) para produzir átomos que passam pela fase gasosa e depois condensada sobre a superfície do substrato.

• a) – alta pureza e densidade;

• b) – composição e estequiometria controladas;

• c) – boa uniformidade em espessura e reprodutibilidade;

•ao longo do wafer e de wafer-para-wafer

• d) – alto nível de perfeição estrutural;

• e) – boas propriedades elétricas;

• f) – boas propriedades mecânicas;

•stress e aderência

• g) – boa cobertura de degraus (conforme);


• Parâmetros de Qualidade dos Filmes: Parâmetros de Qualidade dos Filmes:

• Parâmetros de Qualidade dos Filmes: Parâmetros de Qualidade dos Filmes:

h) – baixa densidade de defeitos(imperfeições, pinholes, etc.);

i) – baixa contaminação por partículas, e j) – bom preenchimento de espaços (sem buracos e

com cobertura nos fundos dos poços).


• Requisitos Necessários para a Técnica de Requisitos Necessários para a Técnica de Deposição:Deposição:


Além dos itens mencionados para os filmes requer processo econômico:

– alta taxa de produção;

– seguro, automatizável e barato.

A técnica CVD atende vários dos requisitos citados, com vantagens sobre outras técnicas.

•Exemplos de Problemas de QualidadeExemplos de Problemas de Qualidade

Problemas de cobertura de degraus


•Alta resistência elétrica

•Aumento da probabilidade de falha mecânica.


Problemas de cobertura de degraus


• Camadas TiW/Al/TiW sobre óxido

• Formado por sputtering


Problemas de preenchimento



Voids– Alta resistência de contato ou de folha (metal)– Trincas ou rachaduras (dielétricos)– Confiabilidade (aprisionamento de contaminantes e

humidade) Cobertura de fundo do degrau

– Necessário para contato ou camada de barreira– adesão



Problemas de Preenchimento


Buracos em óxido CVD

•Razão de Aspecto:Razão de Aspecto:

A Razão de Aspecto (AR) da estrutura afeta o preenchimento e a cobertura de fundo do degrau.

A razão de aspecto é simplesmente a relação entre a altura (h) e largura (w) da estrutura.


Razão de Aspecto = AR = h/R


2. Deposição Química a Partir de 2. Deposição Química a Partir de

Fase Vapor (CVD)Fase Vapor (CVD)

Método mais comum de deposição de filmes finos, utilizados atualmente na fabricação de CIs.

Deposição de filmes finos isolantes (dielétricos), condutores e semicondutores.

• Filmes que podem ser Filmes que podem ser depositados por CVD:depositados por CVD:

• silício policristalino (Si-poli)

• óxido de silício (SiO2)

• nitreto de silício (Si3N4, SiN)

• metais (Al, W, Ti, etc.)

• silicetos (WSi2, TiSi2, MoSi2, TaSi2)


Conceitos Básicos de CVDConceitos Básicos de CVD

•CVD: reações químicas que transformam moléculas gasosas chamada precursor, em material sólido na forma de filmes, sobre o substrato .


• CVD: formação de um filme sólido sobre um substrato pela reação de espécies químicas em fase vapor.

Tipos de CVD mais comuns: – APCVD: Atmospheric pressure CVD

– LPCVD: Low pressure CVD

– PECVD: Plasma enhanced CVD

– HDP-CVD: High Density Plasma CVD


• Independente do tipo, todos os sistemas CVD usam gases que decompõem quando aquecidos e reagem sobre a superfície para produzir o filme. Ocasionalmente usa-se fonte líquida, borbulhando através de um gás portador, por exemplo, H2.

• N2 ou H2 é usado com frequência como diluente ou gás portador.

• É importante que a reação ocorra na superfície; reações na fase gasosa podem causar queda de particulados sobre o wafer ou causar deposição de filmes de baixa densidade.


1) – introdução na câmara de gases reagentes e diluentes a dada composição e fluxo;

2) – transporte de espécies reativas até o substrato;

3) – adsorção de espécies reativas na superfície do substrato;

4) – migração de espécies na superfície e reações químicas de formação do filme;

5) – dessorção de subprodutos da reação;

6) – transporte dos subprodutos da reação para a região de fluxo principal; e

7) – remoção dos subprodutos gasosos da reação e gases não consumidos no processo, da câmara de reação.

•Etapas envolvidas no processo CVD:


•Cinética do Processo CVDCinética do Processo CVD

• Etapas 2-5 são mais importantes para a determinação geral da taxa de deposição.

• F1 = fluxo de difusão de espécies reagentes para o wafer

• Fluxo de transferência de massa (etapa 2).

• F2 = fluxo de reagentes consumidos pela superfície

• Fluxo de reação de superfície (etapas 3-5).


F1 = hG(CG – CS)

• Onde, hG é o coeficiente de transferência de massa em (cm/s). Depende do fluxo na câmara.

• (CG – CS) é a diferença de concentração de espécies reagentes entre o fluxo de gás principal e superfície do wafer em (moléculas/cm3).

F2 = kSCS

• Onde kS é a taxa de reação de superfície em (cm/s).


Logo, F = F1 = F2

• Modelo mais simples para descrever o processo, assume que o fluxo de espécies reagentes que atravessam a camada de “boundary layer” são iguais ao fluxo de reagentes consumido pela superfície de crescimento. O fluxo de sub-produtos desorvidos é desprezado no modelo.

CS = CG (1 + kS/hG)-1

Na condição de deposição em estado estacionário processo geral procede na taxa de processo mais lento.

• Logo, a taxaLogo, a taxa dede deposiçãodeposição dodo filmefilme éé dadodado por:por:


• v é a taxa de deposição em cm/s

• N é o número de átomos por unidade de volume incorporados no filme em cm-3. (No caso do Si, densidade do Si, 5 x 1022 cm-3, dividido pelo número de átomos de silício incorporados no filme).

N

C

hk

hk

N

Fv G

GS

GS

A taxa de deposição é proporcional a fração molar das espécies reativas na fase gasosa.

• Definindo Definindo Y Y como fração de moles de espécies como fração de moles de espécies em incorporação na fase gasosa:em incorporação na fase gasosa:


T

G

C

CY • CT é a concentração de todas

as moléculas na fase gasosa.

•Exemplo: deposição de Si

SiCl4(g) + 2H2(g) Si(s) + 4HCl(g)

•Espécies em incorporação: Si

•CG: no de moléculas de SiCl4 por cm3

•CT: no total de moléculas de SiCl4 e H2

• Y é também igual a relação entre a pressão Y é também igual a relação entre a pressão parcial das espécies em incorporação e a parcial das espécies em incorporação e a pressão total no sistema:pressão total no sistema:


1GG

G

T

G

T

G

PP

P

P

P

C

CY

• PG : pressão parcial de SiCl4

• PG1: pressão parcial de H2

• Se usar gás portador (N2, Ar), também devem ser considerados.

• A equação para a velocidade de A equação para a velocidade de deposição fica assim: deposição fica assim:


YN

C

hk

hk

N

Fv T

GS

GS

• A velocidade de deposição é determinado pelo menor de ks ou hG.


a) Se kS << hG Cs = Cg processo controlado por reação de superfície.

b) Se hg ks Cs 0 processo controlado por transferência de massa ou difusão da fase gasosa.

•Temos portanto, 2 casos limites:

YkN

Cv S

T

YhN

Cv G

T

Transferência de massa relativamente rápida enquanto a reação de superfície é lenta.

Reação de superfície bastante rápida em comparação a transferência de massa.

• Experimentalmente as constantes de taxa Experimentalmente as constantes de taxa são dadas por:são dadas por:


• O termo de superfície (kS) é Arrhenius com Ea dependendo da reação (=1.6 eV para deposição de Si mono-crystalino).

• hG constante (difusão através do boundary layer).

• A faixa de temperaturas para diferentes regimes depende de vários fatores: gases, pressão, energia de ativação da reação, configuração dos wafers, condições de fluxos no reator, etc.

• Tipos de Reações Químicas ou Processos :

• térmica

• fótons e

• elétrons.

• Reação homogênea – reação na fase vapor (Processos de Fase Vapor). Produz particulas resulta em filmes de pouca aderência, baixa densidade e alta concentração de defeitos.

• Reação heterogênea – reação na superfície ou próxima dela. Processo desejável (Processos de Superfície).

•Energia para propiciar a reação:


• Processos de Processos de formação dos formação dos filmes:filmes:

Nucleação Formação de Ilhas Crescimento das ilhas Coalescência Formação de filme contínuo


•Reação na Superfície – Taxa de Reação Química

CR = A exp(-Ea/kT)

onde: CR é a taxa de reação, A é uma constante, Ea é a energia de ativação em eV, k é a constante de Boltzman e T é a temperatura do substrato em K.


• tamanho dos grãos – depende das condições de deposição e dos tratamentos térmicos posteriores. Grãos maiores – temperaturas maiores de processamento e filmes mais espessos.

• rugosidade está relacionada com o tamanho dos grãos.

•Estrutura dos FilmesEstrutura dos Filmes

• Processo CVD:Processo CVD:

A taxa de deposição (DR) está relacionada com a A taxa de deposição (DR) está relacionada com a taxa de reação química (CR), taxa de difusão do taxa de reação química (CR), taxa de difusão do precursor no “boundary layer” e taxa de adsorção do precursor no “boundary layer” e taxa de adsorção do precursor sobre a superfície.precursor sobre a superfície.


Temperaturas baixas somente poucas moléculas possuem energia suficiente para iniciar a reação.


•Regimes de Deposição

• Há 3 regimes:a) - Baixas temperaturas – a taxa de

reação química é baixa e a taxa de deposição bastante sensível a temperatura. regime limitado por reação de superfície.

b) - temperaturas altas – deposição bem menos sensível à temperatura. regime limitado por transporte de massa.

c) - Se aumentarmos mais a temperatura, a taxa decresce rapidamente devida a nucleação na fase gasosa. processo indesejável.


Taxa de deposição bastante sensível a temperatura porque é determinado principalmente pela taxa de reação química. Requer boa uniformidade de temperatura sobre o substrato.

•Regime limitado por reação:

• Regime limitado por transporte de massa:

A taxa de reação química é suficientemente alta e os precursores reagem imediatamente quando adsorvidos sobre a superfície do substrato. Taxa de deposição não depende da taxa de reação de superfície, mas pela rapidez com que os precursores podem difundir através do “boundary layer” e adsorvido sobre a superfície. Requer boa uniformidade de fluxo e de densidade de espécies sobre as lâminas.



Ao alcançar determinada temperatura, a taxa de reação torna-se controlada por taxa de reagentes que chegam a superfície do substrato.

Difusão através do “boundary layer” na suferfície do substrato.


•Dinâmica dos Fluidos no ReatorDinâmica dos Fluidos no Reator

Comportamento da Velocidade dos fluídos

Perfil de velocidade – reator tubular

Velocidade do fluído na superfície do reator é zero. Aumenta a medida que se distancia da parede. Há uma certa distância da entrada do gás, apresenta um perfil parabólico.


•Concentração dos gases reagentesConcentração dos gases reagentes

Concentração dos reagentes num reator de paredes quentes.

Concentração dos reagentes num reator de paredes frias. Zero na superfície do susceptor e aumenta rapidamente com distância da superfície.


•Perfil de temperaturaPerfil de temperatura

Reator de paredes quentes: na entrada somente os gases próximos a parede são aquecidas. Pouco adiante, gases próximos do centro são aquecidos. Se o reator for longo, em algum ponto o

gás e aquecido uniformente.

Reator de paredes frias : a temperatura do gás é mais alto na superfície do susceptor e decresce rapidamente para um valor constante, a uma certa distância da superfície.


3. Tipos de Reatores 3. Tipos de Reatores

Placas Parelelas

Plasma Remoto,

ECR, outros

Paredes Quentes

Paredes Frias

Assistido por

Plasma

Isotérmico com Fluxo Vertical

Paredes Quentes

Movimentação Contínua Epitaxial

Paredes Quentes

Paredes Frias

Pressão Atmosférica

Baixa Pressão


• Reatores CVD de Pressão Reatores CVD de Pressão Atmosférica - APCVDAtmosférica - APCVD

Características: • operam normalmente na condição

de taxa limitada por transferência de espécies fluxo deve ser idêntico sobre todas as lâminas pode processar poucas lâminas por vez.


• Desvantagens: • pode processar poucas lâminas

por vez;

• cobertura de degrau pobre;

• é susceptível à reações em fase gasosa (reação homogênea) causa particulados e filme pouco denso;

• necessita de limpeza frequente.

•Vantagens e DesvantagensVantagens e Desvantagens

•Vantagens:

•Estrutura do reator bastante simples;

•Alta taxa de deposição.

• É usado para deposição de SiO2 (dopado e não dopado) em baixa temperatura ( 400 C).

Reatores APCVD:


a) horizontal (tubo de parede quente)

Reatores APCVD:


b) sistema de movimento contínuo com injeção de gás e

(c) APCVD de movimento contínuo tipo plenum.

Reator Epitaxial ou reator vertical tipo Bell-Jar ou Pancake aquecido por indução.


• Exemplo: Deposição Epitaxial do Si (a Exemplo: Deposição Epitaxial do Si (a pressão total de 1 atm)pressão total de 1 atm)


Ea mesmo valor e

hG constante.

• Taxa é aproximadamente proporcional a (mol.wt.)1/2.

• Deposição limitado por kS bastante sensível a temperatura.

• Deposição limitado por hG bastante sensível a geometria (camada limite).

•Efeito GeométricoEfeito Geométrico


• Deposição epi do Si: feito a alto T, para obter crescimento de mono cristal de alta qualidade.

controlado por hG .

configuração do reator horizontal.

• hG corresponde a difusão através de boundary layer de espessura S.

S

GG

Dh


• Mas S não é constante a medida que o gás flui ao longo da superfície.

Geometria especial é requerida para deposição uniforme.

• Inclinando o suceptor aumenta a velocidade do gás que auxilia manter o S constante.


•Reatores CVD de Baixa Pressão - LPCVDReatores CVD de Baixa Pressão - LPCVD

Problemas dos sistemas APCVD:

• Se operar a altas temperaturas, deve usar configuração horizontal (poucas lâminas por vez).

• Se operar a temperaturas baixas, a taxa de deposição diminui bastante e o rendimento torna-se muito baixo.

•Solução:Solução:

Operar a baixa pressão, no regime limitado por transferência de massas.


S

GG

Dh

totalG P

D1

mas,

• DG 760 vezes a 1 torr, enquanto S aumenta cerca de 7 vezes. hG aumenta aproximadamente de 100 vezes.

• Transporte de reagentes da fase gasosa para superfície através de boundary layer não é mais limitante da taxa.


• O processo é mais sensível a T, mas pode usar sistema de parede quente, para bom controle da temperatura e pode empilhar lâminas.


Pressão Reduzida(0.25 – 2.0 Torr) aumenta difusibilidade das espécies (103 vezes).

Processo opera em taxa limitado por reação.

Características do Sistema:

• menos reação na fase gasosa menor geração de partículas;

• boa uniformidade;

• boa cobertura de degraus;

• baixa taxa de deposição (10 – 50 nm/min.);

• não requer uniformidade de fluxo, mas sim de temperatura pode se utilizar um forno convencional pode processar muitas lâminas por vez (até 200);

• usado para deposição de: Si-poli, Si3N4, SiO2, PSG, BPSG, W, etc.


Reator LPCVD horizontal de parede quente.

• O reator deste tipo permite processar grande quantidade ( 200) de lâminas por fornada.

• Reator LPCVD do tipo vertical isotérmico.



•Reatores CVD Assistida por Plasma - PECVD

Características :• operam em regime de taxa limitada por reação;

• taxa de deposição mais elevada que o LPCVD;

• operam em temperatura mais baixa que nos processos APCVD e LPCVD permite depositar filmes de SiO2 e Si3N4 sobre metais de baixo ponto de fusão. importante quando já existe Al na lâmina;

• boa adesão e boa cobertura de degraus, devido à maior mobilidade superficial das espécies adsorvidas;

• filmes não são estequiométricos;

• há incorporação de subprodutos de reação, especialmente hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Pode resultar em degaseificação, formação de bolhas e quebras do filme durante etapas posteriores;

• é um processo mais complexo, com mais parâmetros;

• pode depositar SiO2, Si3N4, oxinitretos, SiC, a-Si, etc.;

• PECVD a temperatura mais elevada permite crescer epi: Si, Ge e III-V.


• Energia não térmica para melhorar o processo a temperaturas baixas.

• Plasma consiste de eletrons, moléculas ionizadas, moléculas neutras, fragmentos de moléculas neutras e ionizadas, moléculas excitadas e radicais livres.

• Radicais livres são espécies eletricamente neutras que possuem ligações incompletas e são extremamente reativas (exemplos: SiO, SiH3, F).

• Processos de superfície e a deposição ocorrem a temperaturas mais baixas que em sistemas non-plasma, como resultado desta fragmentação e bombardeio de radicais livres e ions.

•Plasma?


(a) Reator de Fluxo Radial (Placas Paralelas) • + baixa temperatura;• capacidade limitada;• manual; • podem cair partículas sobre o filme/substrato.

(a)

(b) Reator Horizontal de Parede Quente

• + lâminas em pé e paralelo ao fluxo;

• + alta capacidade;

• + baixa temperatura;

• manual;

• Geração de particulas durante a carga.


(b)


(c) Reator Planar de Parede Fria para Substrato Único

(c)

•Reatores CVD com Plasma Remoto – RPECVD

(remote, indirect ou downstream PECVD)

A câmara onde o plasma é gerado está separada da câmara de reação onde se encontram os substratos. os substratos não ficam expostos diretamente à radiação do plasma e portanto não são bombardeados pelos íons de alta energia.

Reator ECR. Neste tipo de reator o plasma é gerado por um campo elétrico com frequência de microondas em um campo magnético que provoca a ressonância ciclotrônica do elétron. Plasma 100 vezes mais denso em espécies reativas.


Processos Vantagens Desvantagens Aplicações

APCVD Simples Alta taxa de deposição Baixa temperatura

Cobertura de degraus ruins Contaminação por partículas

Óxidos de baixa temperatura, dopados ou não

LPCVD Excelente uniformidade e purezaProcessamento de muitas lâminas por vez ( até 200)

Alta temperatura Baixa taxa de deposição

Óxidos de alta temperatura, dopados ou não, nitreto de silício, polisilício, W e WSi.

PECVD Baixa temperatura Alta taxa de deposiçãoBoa cobertura de degrau

Contaminação química, como H2 e por particulados

Deposição de dielétricos sobre metais em baixa temperatura e nitreto de silício

RPECVD Mesmas que PECVD sem a radiação do substrato pelo plasma

Baixa taxa de deposição Mesmas que PECVD e dielétricos de porta em estruturas MOS

ECR Baixa temperaturaAlta qualidade dos filmes depositados Alta taxa de deposição Boa cobertura de degrau

Alto custo do equipamento

Mesmas que RPECVD

•Características e Aplicações de Reatores CVDCaracterísticas e Aplicações de Reatores CVD


•Referências: Referências:

1. S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the VLSI Era, Vol.1, Process Technology, Lattice Press, 1986.

2. S. A. Campbel; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, 1996.

3. J. D. Plummer, M. D. Deal and P.B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, 2000.


capítulo 3 – técnicas de deposição: pt1 - cvd ioshiaki doi feec/unicamp chemical vapor...

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