IE726 – Processos de Filmes IE726 – Processos de Filmes FinosFinos

Capítulo 8 – CVD de Metais Capítulo 8 – CVD de Metais Prof. Ioshiaki DoiFEEC-UNICAMP05/04/2003

•CVD de MetaisCVD de Metais

Bastante usado para deposição de metaisBastante usado para deposição de metais Boa cobertura de degrau e capacidade de Boa cobertura de degrau e capacidade de

preenchimento de gapspreenchimento de gaps – pode preencher aberturas pequenas de contatos pode preencher aberturas pequenas de contatos

para conexões entre camadas metálicaspara conexões entre camadas metálicas

Qualidade pobre e resistividade mais alta do Qualidade pobre e resistividade mais alta do que filmes finos de metais PVDque filmes finos de metais PVD– usado para plugs e interconexões locaisusado para plugs e interconexões locais– não é aplicado para interconexões globais.não é aplicado para interconexões globais.

•Metais DepositadosMetais Depositados

W, WSiW, WSixx, Ti e TiN, Ti e TiN Processo térmico: o calor fornece Processo térmico: o calor fornece

energia livre necessária para a energia livre necessária para a reação químicareação química

Sistema RF é usado para limpeza Sistema RF é usado para limpeza por plasma a câmara de processo.por plasma a câmara de processo.

•Câmara de CVD de Câmara de CVD de MetalMetal

•Contatos – Caps vs. Contatos – Caps vs. plugplug

Caps, assegura cobertura do metal sobre o contato

Reduz densidade de interconexão.

•Aberturas de Contatos Aberturas de Contatos tipo Vertical e Taptipo Vertical e Tap

•CVD de MetalCVD de Metal

CVD possibilita:CVD possibilita:– Usar estrutura de contato verticalUsar estrutura de contato vertical– Preenchimento de contatos Preenchimento de contatos

decréscimo da topologia da superfíciedecréscimo da topologia da superfície– Não é necessário contato tipo caps, Não é necessário contato tipo caps,

pois o problema da cobertura de pois o problema da cobertura de degrau é minimizado.degrau é minimizado.

Dificuldade na metalização: Dificuldade na metalização: assegurar continuidade do metal na assegurar continuidade do metal na janela de contato e vias;janela de contato e vias;

Cobertura em degrau de Al Cobertura em degrau de Al depositado por sputter degrada depositado por sputter degrada rapidamente com o aumento da razão rapidamente com o aumento da razão de aspecto da janela de contato e de aspecto da janela de contato e para tecnologias avançadas, a para tecnologias avançadas, a cobertura em contatos e vias diminui cobertura em contatos e vias diminui abaixo de 20 %.abaixo de 20 %.

•CVD de Metal - PlugCVD de Metal - Plug

•CVD de Metal - CVD de Metal - ExemploExemplo

Cobertura de degraus profundos e íngremes

•Metais RefratáriosMetais Refratários

Principais aplicações: via-plugs, metalização de contatos e interconexões locais.

Baixa resistividade comparada com Si, si-poli e silicetos.

Suporta altas temperaturas.

Pode ser depositado por CVD (boa conformalidade).

Deposição seletiva em vias e plugs.

•TungstênioTungstênio

Características do W:Características do W:– Excelente contato com Si;Excelente contato com Si;– Suporta altas temperaturas;Suporta altas temperaturas;– Pode ser depositado por CVD Pode ser depositado por CVD

(conforme);(conforme);– Deposição seletiva em via-plugs;Deposição seletiva em via-plugs;– Excelente metal contato/barreira.Excelente metal contato/barreira.

•Contato Ohmico de WContato Ohmico de W

Dopando altamente a superfície do Si, forma camada de depleção bastante estreita no contato metal/semicondutor.

Tunelamento de eletrons sobre a barreira – contato ohmico.

•CVD de Tungstênio - CVD de Tungstênio - BásicoBásico

Fonte de gás de Tungstênio: Fonte de gás de Tungstênio: hexafluoreto de tungstênio (WFhexafluoreto de tungstênio (WF66))

Reagente adicional: hidrogênio (HReagente adicional: hidrogênio (H22))

Temperatura: 400 – 475 ºCTemperatura: 400 – 475 ºC Cobertura de degrau: 100%.Cobertura de degrau: 100%.

Tungstênio(W) é usado como contato (plug) e também como metal de primeiro nível.

•CVD de W – Reações 1CVD de W – Reações 1

Nucleação sobre SiNucleação sobre Si2 WF2 WF66 + 3 Si + 3 Si 2 W (s) + 3 SiF 2 W (s) + 3 SiF44

Nucleação sobre camada de adesãoNucleação sobre camada de adesãoWFWF66 + SiH + SiH44 W (s) + SiF W (s) + SiF44 + 2 HF + H + 2 HF + H22

Deposição BulkDeposição BulkWFWF66 + 3 H + 3 H22 W (s) + 6 HF W (s) + 6 HF

Reação de WFReação de WF66 com umidade com umidadeWFWF66 + 3 H + 3 H22O O WO WO33 + 6 HF + 6 HF

•CVD de W – Reações 2CVD de W – Reações 2

WFWF66 reage rapidamente também com Al e Ti: reage rapidamente também com Al e Ti:

WFWF66 + 2Al + 2Al W + 2AlF W + 2AlF33

2WF2WF66 + 3Ti + 3Ti 2W + 3TiF 2W + 3TiF44

Reação de WFReação de WF66 com Si com Si fuga junção S/D fuga junção S/D

AlFAlF33 aumenta resistência de contato de vias aumenta resistência de contato de vias

Reação com Ti Reação com Ti problemas de delaminação. problemas de delaminação.

Requer deposição de camada de Requer deposição de camada de barreira de TiN ou TiW antes de W.barreira de TiN ou TiW antes de W.

Superfícies de nucleação: Si, Superfícies de nucleação: Si, metais e silicetos.metais e silicetos.

Superfícies não nucleantes: Superfícies não nucleantes: óxidos e nitretos.óxidos e nitretos.

•CVD de W – Reações 3CVD de W – Reações 3

•CVD de W – Processo CVD de W – Processo Típico1Típico1

Introdução de wafers na câmaraIntrodução de wafers na câmara Estabelecimento da pressão e fluxo de Estabelecimento da pressão e fluxo de

gases (Hgases (H22, SiH, SiH44))

Nucleação (redução de silana de WFNucleação (redução de silana de WF66))

Pressão e fluxo de gases muda para Pressão e fluxo de gases muda para deposição em bulkdeposição em bulk

Deposição bulk (redução de HDeposição bulk (redução de H22 de WF de WF66))

Bombeamento e purga da câmara.Bombeamento e purga da câmara.

Primeiro é introduzido o SiHPrimeiro é introduzido o SiH44 sem o WF sem o WF66 para deposição de uma fina camada de Si para deposição de uma fina camada de Si amorfo como camada de pre-nucleação;amorfo como camada de pre-nucleação;

Segue o processo de nucleação (SiHSegue o processo de nucleação (SiH44 + + WFWF66) e por fim a deposição de alta taxa ) e por fim a deposição de alta taxa (H(H22 + WF + WF66););

No estágio de nucleação, menos de 100 No estágio de nucleação, menos de 100 nm de W é depositado. A deposição bulk nm de W é depositado. A deposição bulk de W é feito por redução de hidrogênio.de W é feito por redução de hidrogênio.

•CVD de W – Processo CVD de W – Processo Típico2Típico2

•Camada Semente de W e Camada Semente de W e BulkBulk

•Plugs de WPlugs de W

Via-plugs: conecta camadas de metais através de aberturas sobre o dielétrico.

Uso de via-plug como contacto entre duas camadas resulta em topografia planar.

•Plug de W e Camada de Plug de W e Camada de Barreira /Adesão de TiN/TiBarreira /Adesão de TiN/Ti

•CVD de W: PlugsCVD de W: Plugs

•CVD de W: Cobertura de CVD de W: Cobertura de DegrauDegrau

•Siliceto de TungstênioSiliceto de Tungstênio CVD e RTPCVD e RTP WFWF66 e SiH e SiH44 como fonte de gases CVD como fonte de gases CVD Recozimento depois do etch de portaRecozimento depois do etch de porta WSiWSi22 usado sobre o topo de si-poli usado sobre o topo de si-poli

para formar porta de policeto de para formar porta de policeto de baixa resistênciabaixa resistência

Menos popular do que TiSiMenos popular do que TiSi22 devido a devido a sua alta resistividadesua alta resistividade

Compatibilidade com processos de Compatibilidade com processos de oxidação (800 – 1000 ºC)oxidação (800 – 1000 ºC)

Cobertura de degrau pobre.Cobertura de degrau pobre. Incorpora F.Incorpora F.

•Siliceto de Tungstênio Siliceto de Tungstênio 22

Aplicações em interconexões locaisAplicações em interconexões locais Fontes de Si: SiHFontes de Si: SiH44 e SiH e SiH22ClCl22 (DCS) (DCS)

Precursor de tungstênio: WFPrecursor de tungstênio: WF66

SiHSiH44/WF/WF66: baixa temperatura, : baixa temperatura, 400 ºC 400 ºC

DCS/WFDCS/WF66: alta temperatura, : alta temperatura, 575 ºC. 575 ºC.

•Siliceto de Tungstênio: Siliceto de Tungstênio: CVDCVD

300 ºC a 400 ºC300 ºC a 400 ºC WFWF66 + 2 SiH + 2 SiH44 WSi WSi22 + 6 HF + H + 6 HF + H22

Janela de processo bastante amploJanela de processo bastante amplo

500 a 600 ºC500 a 600 ºC 2F2F66 + 7SiH + 7SiH22ClCl22 2WSi 2WSi22 + 3SiF + 3SiF44 + 7HCl + 7HCl

2F2F66 + 7SiH + 7SiH22ClCl22 2WSi 2WSi22 + 3SiCl + 3SiCl44 + 12HF+ + 12HF+ 2HCl2HCl

Melhor cobertura de degrauMelhor cobertura de degrau Menos incorporação de fluoreto.Menos incorporação de fluoreto.

•WSiWSixx Baseado em Baseado em SilanaSilana

WFWF66 + 2 SiH + 2 SiH44 WSi WSi22 (s) + 6 HF + H (s) + 6 HF + H2 2

Bastante similar a etapa de nucleação Bastante similar a etapa de nucleação do processo CVD de tungstênio.do processo CVD de tungstênio.

Relação da taxa de fluxos SiHRelação da taxa de fluxos SiH44/WF/WF66 diferentes:diferentes: abaixo de 3:1, abaixo de 3:1, deposição de tungstênio deposição de tungstênio maior do que 10:1, maior do que 10:1, deposição de siliceto deposição de siliceto

de tungstênio (x = 2.2 a 2.6).de tungstênio (x = 2.2 a 2.6).

•WSiWSixx Baseado em DCS Baseado em DCS

2WF2WF66 + 7SiH + 7SiH22ClCl22 2WSi 2WSi22 + 3SiF + 3SiF44 + 14HCl + 14HCl

Requer temperatura de deposição mais altaRequer temperatura de deposição mais alta Taxa de deposição mais altaTaxa de deposição mais alta Melhor cobertura de degrauMelhor cobertura de degrau Baixa concentração de fluoretoBaixa concentração de fluoreto Baixo estresse tensivoBaixo estresse tensivo

– menos problemas de quebras e descascamentos.menos problemas de quebras e descascamentos.

•Exemplo de WSExemplo de WSxx CVD CVD

• O Ti têm 2 aplicações importantes no O Ti têm 2 aplicações importantes no processo de CIs:processo de CIs:– Usado antes da camada de TiN Usado antes da camada de TiN

(barreira/adesão), porque o contato direto (barreira/adesão), porque o contato direto de TiN/Si pode causar alta resistência de de TiN/Si pode causar alta resistência de contato;contato;

– Usado para formação de siliceto de titânio.Usado para formação de siliceto de titânio.

• Para barreira é melhor Ti PVD do que Ti Para barreira é melhor Ti PVD do que Ti CVD, pois filmes PVD tem melhor CVD, pois filmes PVD tem melhor qualidade e resistividade mais baixa. qualidade e resistividade mais baixa.

•CVD de Titânio 1CVD de Titânio 1

•CVD de Titânio 2CVD de Titânio 2

A alta temperaturas (A alta temperaturas ( 600 ºC), o CVD 600 ºC), o CVD de Ti pode reagir com Si para formar de Ti pode reagir com Si para formar simultâneamente TiSisimultâneamente TiSi22 durante a durante a deposição de Ti. deposição de Ti.

Para processo de siliceto de titânio, Ti Para processo de siliceto de titânio, Ti CVD tem algumas vantagens que o Ti CVD tem algumas vantagens que o Ti PVD como uma cobertura de degrau PVD como uma cobertura de degrau melhor, pois a deposição do Ti é feita melhor, pois a deposição do Ti é feita após a corrosão da porta e a após a corrosão da porta e a superfície do wafer não e planarizada.superfície do wafer não e planarizada.

TiCl4 + 2 H2 Ti + 4 HCl

Ti + Si TiSi2

•CVD de Nitreto de CVD de Nitreto de Titânio 1Titânio 1

Camada de barreira/adesão para Camada de barreira/adesão para plug de tungstênioplug de tungstênio

Melhor cobertura das paredes Melhor cobertura das paredes laterais dos degrauslaterais dos degraus

Camada fina de Camada fina de 200 200 Å é Å é geralmente aplicada em geralmente aplicada em contatos/vias depois de PVD de Ti contatos/vias depois de PVD de Ti e deposição de TiN. e deposição de TiN.

Contudo, a qualidade do TiN CVD Contudo, a qualidade do TiN CVD não é tão bom quanto o TiN PVD. não é tão bom quanto o TiN PVD. Tem alta resistividade.Tem alta resistividade.

Porém, O TiN CVD tem melhor Porém, O TiN CVD tem melhor cobertura de degrau do que TiN cobertura de degrau do que TiN PVD (PVD ( 70% vs. 15%). 70% vs. 15%).

•CVD de Nitreto de CVD de Nitreto de Titânio 2Titânio 2

•PVD e CVD de Camadas de PVD e CVD de Camadas de TiNTiN

•CVD de TiN 1CVD de TiN 1

Química inorgânica:Química inorgânica: TiCl TiCl44 e NH e NH33 a a 400 – 400 – 700 ºC700 ºC6 TiCl6 TiCl44 + 8 NH + 8 NH33 6 TiN + 24 HCl + N 6 TiN + 24 HCl + N22

2 TiCl2 TiCl44 + 2 NH + 2 NH33 + H + H22 2 TiN + 8HCl 2 TiN + 8HCl

2 TiCl2 TiCl44 + N + N22 + 4 H + 4 H22 2 TiN + 8HCl 2 TiN + 8HCl

Temperatura altaTemperatura alta melhor melhor propriedade do filme, resistividade do propriedade do filme, resistividade do filme mais baixa, densidade do filme filme mais baixa, densidade do filme melhor e menor incorporação de Cl.melhor e menor incorporação de Cl.

Mesmo melhor TiN contém Mesmo melhor TiN contém 0.5% de 0.5% de Cl.Cl.

Baixa temperatura de processo Baixa temperatura de processo alta incorporação de Cl (alta incorporação de Cl ( 5%). 5%).

Incorporação de Cl é alto (0.5 – 5%) Incorporação de Cl é alto (0.5 – 5%) problemas de corrosão em problemas de corrosão em interconexão de Al. interconexão de Al. Afeta a Afeta a confiabilidade do CI. confiabilidade do CI.

Produz também o sub-produto NHProduz também o sub-produto NH33Cl Cl que é um sólido e pode causar que é um sólido e pode causar contaminação de particulados.contaminação de particulados.

•CVD de TiN 2CVD de TiN 2

Pode ser depositado usando precursor Pode ser depositado usando precursor organo-metálico (MOCVD)organo-metálico (MOCVD) a 350 ºC, a 350 ºC, 300 mTorr:300 mTorr:Ti[N(CHTi[N(CH33))22]]44 TiN + subprodutos TiN + subprodutos orgânicos. orgânicos. TDMAT (tetrakis- TDMAT (tetrakis-dimetilamido-Ti). Precursor mais dimetilamido-Ti). Precursor mais comumente usado.comumente usado.

Ti[N(CTi[N(C22HH55))22]]44 + NH + NH33 TiN + 3HN(C TiN + 3HN(C22HH55))22 + + subprodutos orgânicos. subprodutos orgânicos. TDEAT TDEAT

•CVD de TiN 3CVD de TiN 3

Temperatura baixa e sem contaminação de Temperatura baixa e sem contaminação de Cl.Cl.

Pode ocorrer incorporação de C e O Pode ocorrer incorporação de C e O alta alta resistividade.resistividade.

Excelente cobertura de degrau;Excelente cobertura de degrau; Camada de TiN depositado (Camada de TiN depositado ( 100 100Å) não Å) não

é tão denso quanto ao filme obtido a é tão denso quanto ao filme obtido a altas temperaturas e tem alta altas temperaturas e tem alta resistividade. Pode densificar em RTP em resistividade. Pode densificar em RTP em NN22 a 450 ºC para reduzir a resistividade; a 450 ºC para reduzir a resistividade;

TDMAT: líquido venenoso e fatal.TDMAT: líquido venenoso e fatal.

•CVD de TiN 4CVD de TiN 4

•Nitreto de Titânio CVDNitreto de Titânio CVD

Micrografia TEM de TiN depositado por CVD usando precursor metal-orgânico.

•Melhor cobertura de degrau que as técnicas PVD

•CVD de Alumínio 1CVD de Alumínio 1

P&D para substituir o plug de P&D para substituir o plug de tungstênio.tungstênio. Melhor cobertura de degrau e habilidade no Melhor cobertura de degrau e habilidade no

preenchimento de contatos e vias. preenchimento de contatos e vias. Reduzir resistência de interconexão.Reduzir resistência de interconexão.

Método comum de deposição:Método comum de deposição: Deposição de Al CVD e depois dopar com Cu.Deposição de Al CVD e depois dopar com Cu.

CVD de Al – fontes organo-metálicos.CVD de Al – fontes organo-metálicos. Tri-isobutil-Al (CTri-isobutil-Al (C44HH99))33Al ou TIBA;Al ou TIBA; Hidreto de dimetilalumínio (DMAH).Hidreto de dimetilalumínio (DMAH). Deposição a temperaturas relativamente Deposição a temperaturas relativamente

baixas.baixas.

TIBA + HTIBA + H22 DIBAH + C DIBAH + C44HH8 8

DIBAH + HDIBAH + H22 AlH AlH33 + 2C + 2C44HH88

2AlH2AlH33 2Al + 3H 2Al + 3H22..

•CVD de Alumínio 2CVD de Alumínio 2

Primeira reação ocorre a 40-50 ºC antes do gas alcançar o wafer;

O segundo sobre o wafer aquecido a 150 a 300 ºC;

Na prática DIBAH (di-isobutil hidreto de Al, (C4H9)2AlH) é o precursor que decompõe sobre o wafer;

Mas o uso direto de DIBAAH é impraticável devido a sua baixa pressão de vapor e taxa de deposição.

O problema com o CVD de Al é que não há Cu O problema com o CVD de Al é que não há Cu nos materiais precursores. A formação de liga nos materiais precursores. A formação de liga Al-Cu é necessária para resistência a Al-Cu é necessária para resistência a eletromigração;eletromigração;

Uma opção: depositar Uma opção: depositar 50% do total da 50% do total da espessura de Al por CVD e o restante por PVD espessura de Al por CVD e o restante por PVD sputtering de liga Al-Cu, fazendo posteriormente sputtering de liga Al-Cu, fazendo posteriormente o recozimento a 250 – 400 ºC, para o recozimento a 250 – 400 ºC, para redistribuição do Cu sobre todo o filme.redistribuição do Cu sobre todo o filme.

Alternativa: CVD de Al com dopagem simultânea Alternativa: CVD de Al com dopagem simultânea usando hidreto de dimetil-Al (DMAH) e usando hidreto de dimetil-Al (DMAH) e ciclopentadienil cobre trietilfosfina (CpCuTEP);ciclopentadienil cobre trietilfosfina (CpCuTEP);

•CVD de Alumínio 3CVD de Alumínio 3

•CVD de Alumínio 4CVD de Alumínio 4

Hidreto de dimethilalumínio (DMAH), Hidreto de dimethilalumínio (DMAH), Al(CHAl(CH33))22HH A T de A T de 350 ºC, DMAH dissocia e deposita 350 ºC, DMAH dissocia e deposita

alumínioalumínio Al(CHAl(CH33))22H H Al + orgânicos voláteis Al + orgânicos voláteis

Dificuldade em incorporar Dificuldade em incorporar 1% Cu 1% Cu necessário para resistir a necessário para resistir a eletromigração.eletromigração.

A ligação Al-H, resulta em filmes com A ligação Al-H, resulta em filmes com menos incorporação de C.menos incorporação de C.

•CVD de Alumínio 5CVD de Alumínio 5 Liga Al-Cu: Liga Al-Cu:

Depositar camada de sputter Cu, Depositar camada de sputter Cu, abaixo ou sobre o Al CVD e fazer o abaixo ou sobre o Al CVD e fazer o recozimento a 250-450 ºC.recozimento a 250-450 ºC.

Difusão do Cu na camada de Al, Difusão do Cu na camada de Al, produz camada uniforme de liga Al-produz camada uniforme de liga Al-Cu.Cu.

Técnica mais usada para Técnica mais usada para depositar liga Al-Cu e por PVD, depositar liga Al-Cu e por PVD, magnetron sputtering. Alta taxa magnetron sputtering. Alta taxa de deposição de de deposição de 1 1 m/min de Al.m/min de Al.

CVD de Al CVD de Al problemas com ligas de problemas com ligas de metais :metais : Reações indesejáveis entre precursores Reações indesejáveis entre precursores

para vários metais,para vários metais, Contaminação de carbono,Contaminação de carbono, Rugosidade dos filmes eRugosidade dos filmes e Baixa taxa de deposição.Baixa taxa de deposição.

Al CVD tem boa capacidade de Al CVD tem boa capacidade de preenchimento de aberturas de vias preenchimento de aberturas de vias e contatos e resistência mais baixa e contatos e resistência mais baixa que o tungstênio. que o tungstênio.

•CVD de Alumínio 6CVD de Alumínio 6

•PVD de AlPVD de Al

P baixo é desejável:P baixo é desejável:– Presença de outras espécies, oxigênio, Presença de outras espécies, oxigênio,

hidrogênio, nitrogênio, vapor de água, etc., hidrogênio, nitrogênio, vapor de água, etc., afeta a deposição e propriedades dos filmes.afeta a deposição e propriedades dos filmes.

P alto:P alto:– Melhora a cobertura de degrau, mas Melhora a cobertura de degrau, mas

incorpora Ar no filme de Al (incorpora Ar no filme de Al ( 1%) 1%) resistividade alta, mais estresse e grãos resistividade alta, mais estresse e grãos menores (Ar serve como sítio de nucleação). menores (Ar serve como sítio de nucleação).

Solução: usar UHV, Ar ultra-puro, aquecimento Solução: usar UHV, Ar ultra-puro, aquecimento dos wafers e porta substratos antes da dos wafers e porta substratos antes da deposição.deposição.

•PVD de Al 2PVD de Al 2

Aquecimentos dos Wafers : Aquecimentos dos Wafers : – 150 – 300 ºC durante a deposição 150 – 300 ºC durante a deposição

por sputtering,por sputtering,– Melhora cobertura de degrau Melhora cobertura de degrau

devido ao aumento da mobilidade devido ao aumento da mobilidade superficial,superficial,

– De 450 – 550 ºC, aumenta a difusão De 450 – 550 ºC, aumenta a difusão de superfície e permite melhor de superfície e permite melhor preenchimento de contatos e vias preenchimento de contatos e vias estreitas e profundas.estreitas e profundas.

•CVD/PVD de AlumínioCVD/PVD de Alumínio

Deposição Ti/TiN, camada de Deposição Ti/TiN, camada de barreira/adesãobarreira/adesão

CVD de Al (preenchimento de via), CVD de Al (preenchimento de via), PVD de alloy de Al, PVD de TiNPVD de alloy de Al, PVD de TiNnão precisa de Wnão precisa de W

Tecnologia ainda não estabelecidaTecnologia ainda não estabelecida Difícil competir com metalização Difícil competir com metalização

de cobre.de cobre.

•Alumínio CVD/PVD – Alumínio CVD/PVD – Cluster ToolCluster Tool

•Processo Contato/ViaProcesso Contato/Via

DegaseificaçãoDegaseificação Limpeza da superfície do waferLimpeza da superfície do wafer PVD de TiPVD de Ti PVD de TiNPVD de TiN CVD de TiNCVD de TiN Tratamento de plasma NTratamento de plasma N22 – H – H22

CVD de WCVD de W

•Processo de Interconexão Processo de Interconexão de Alumíniode Alumínio

DegaseificaçãoDegaseificação Limpeza da superfície do waferLimpeza da superfície do wafer PVD de TiPVD de Ti PVD de Al-CuPVD de Al-Cu PVD de TiNPVD de TiN

•Processo de Interconexão Processo de Interconexão de Cobrede Cobre

DegaseificaçãoDegaseificação Limpeza da superfície do waferLimpeza da superfície do wafer PVD de TaPVD de Ta PVD da semente de CuPVD da semente de Cu

•DegaseificaçãoDegaseificação

• Aquecimento do wafer para retirar Aquecimento do wafer para retirar gases e umidade da superfície do gases e umidade da superfície do waferwafer

• O gás liberado pode causar O gás liberado pode causar contaminação e alta resistividade contaminação e alta resistividade do filme de metal depositado.do filme de metal depositado.

•Limpeza do WaferLimpeza do Wafer Remoção do óxido nativoRemoção do óxido nativo Redução da resistência de contatoRedução da resistência de contato Sputtering com ions de ArgônioSputtering com ions de Argônio Plasma RF.Plasma RF.

•PVD de TitânioPVD de Titânio

Reduzir resistência de contatoReduzir resistência de contato Aumentar tamanho de grãos com Aumentar tamanho de grãos com

baixa resistividadebaixa resistividade Wafer normalmente aquecido a Wafer normalmente aquecido a

temperatura de temperatura de 350 ºC durante 350 ºC durante o processo de deposição para:o processo de deposição para:melhorar a mobilidade da superfíciemelhorar a mobilidade da superfíciemelhorar a cobertura de degrau.melhorar a cobertura de degrau.

•Sputtering ColimadoSputtering Colimado

Usado para deposição de Ti e TiNUsado para deposição de Ti e TiN O colimador permite que átomos O colimador permite que átomos

de metal ou moléculas movam de metal ou moléculas movam principalmente na direção verticalprincipalmente na direção vertical

Alcançam o fundo da abertura Alcançam o fundo da abertura estreita de contatos/viasestreita de contatos/vias

Melhora a cobertura de fundo do Melhora a cobertura de fundo do degrau.degrau.

•Sputtering Colimado 2Sputtering Colimado 2

•Sistema de Plasma para Sistema de Plasma para MetalMetal

Deposição de Ti, TiN, Ta e TaNDeposição de Ti, TiN, Ta e TaN Ioniza átomos de metal através de Ioniza átomos de metal através de

acoplamento indutivo de potência acoplamento indutivo de potência RF na bobina de RFRF na bobina de RF

Íons de metal (positivo) incidem Íons de metal (positivo) incidem verticalmente sobre a superfície do verticalmente sobre a superfície do wafer (carregado negativamente)wafer (carregado negativamente)

Melhora cobertura do fundo do Melhora cobertura do fundo do degraudegrau

Reduz resistência de contato.Reduz resistência de contato.

•Plasma de Metal Plasma de Metal IonizadoIonizado

•PVD de Nitreto de PVD de Nitreto de TitânioTitânio

Processo de sputtering reativoProcesso de sputtering reativo Ar e NAr e N22

Moléculas de NMoléculas de N22 dissociam no dissociam no plasmaplasma

Radicais livres de nitrogênio reage Radicais livres de nitrogênio reage com Ti para formar uma camada fina com Ti para formar uma camada fina de TiN sobre a superfície do alvode TiN sobre a superfície do alvo

Íons de Ar sputter o TiN da Íons de Ar sputter o TiN da superfície do alvo e deposita sobre superfície do alvo e deposita sobre a superfície do wafer. a superfície do wafer.

•Três Aplicações do TiNTrês Aplicações do TiN

•PVD de Al-CuPVD de Al-Cu

UHV para remover umidade e obter filmes UHV para remover umidade e obter filmes de baixa resistividadede baixa resistividade

Processo padrão: Al-Cu sobre plug de Processo padrão: Al-Cu sobre plug de tungstênio depois da deposição de Ti e TiNtungstênio depois da deposição de Ti e TiN

Normalmente, deposição a Normalmente, deposição a 200 ºC 200 ºC Tamanho de grãos pequenos, fácil para Tamanho de grãos pequenos, fácil para

etchetch Recozimento do metal, forma grãos de Recozimento do metal, forma grãos de

tamanhos grandestamanhos grandes abaixa resistividadeabaixa resistividade alto EMR (resistência a eletromigração).alto EMR (resistência a eletromigração).

•PVD de Al-Cu 2PVD de Al-Cu 2 Processo de alumínio quenteProcesso de alumínio quente Preenchimento de contatos/vias, Preenchimento de contatos/vias,

reduz resistência de contatoreduz resistência de contato Etapas de processo:Etapas de processo:

Deposição de TiDeposição de TiDeposição de camada semente de Deposição de camada semente de

Al-Cu a T < 200 ºCAl-Cu a T < 200 ºCCamada bulk de Al-Cu é depositado Camada bulk de Al-Cu é depositado

a temperaturas altas ( 450 ºC a 500 a temperaturas altas ( 450 ºC a 500 ºC).ºC).

•Metalização de CobreMetalização de Cobre

•Cobre 1Cobre 1 Melhor condutor do que o alumínioMelhor condutor do que o alumínio Resistividade do Cu = 1.8 a 1.9 Resistividade do Cu = 1.8 a 1.9 -cm-cm Resistividade do Al = 2.9 a 3.3 Resistividade do Al = 2.9 a 3.3 -cm-cm Pode reduzir significativamente a Pode reduzir significativamente a

resistência de interconexãoresistência de interconexão Aumenta resistência a eletromigração Aumenta resistência a eletromigração

permite aumentar a densidade de permite aumentar a densidade de corrente nas linhas de interconexão de corrente nas linhas de interconexão de cobrecobre

Ambos acima, aumenta a velocidade Ambos acima, aumenta a velocidade do CI e menos consumo de potência. do CI e menos consumo de potência.

Portanto, a metalização de Cu é mais Portanto, a metalização de Cu é mais desejável do que o Al para algumas desejável do que o Al para algumas aplicações.aplicações.

•Cobre 2Cobre 2

• Contudo, a taxa de difusão do cobre é Contudo, a taxa de difusão do cobre é alta em Si e SiOalta em Si e SiO22, causando a , causando a contaminação de metais pesados. contaminação de metais pesados. requer camada de barreira de requer camada de barreira de difusãodifusão

• Difícil corrosão a sêco, não há gases Difícil corrosão a sêco, não há gases compostos químicos simplescompostos químicos simples

•Processo de Metalização Processo de Metalização de Cobrede Cobre

Limpeza do waferLimpeza do wafer Camada de barreira de Ta e/ou TaN Camada de barreira de Ta e/ou TaN

por PVDpor PVD Camada semente de cobre por PVDCamada semente de cobre por PVD Camada bulk de cobre ECP Camada bulk de cobre ECP

(electrochemical plating) (electrochemical plating) Recozimento térmico para Recozimento térmico para

melhorar a condutividademelhorar a condutividade

•Deposição de CobreDeposição de Cobre

Deposição do cobre por ECP ou CVD

•Eletrodeposição de Cu - Eletrodeposição de Cu - ExemploExemplo

500 Å de camada de barreira de TaN.

Camada semente: 1000 Å de Cu depositado por sputtering.

•CVD de CobreCVD de Cobre

Bis-hexafluoracetil-acetonato de cobre, Bis-hexafluoracetil-acetonato de cobre, Cu(hfac)Cu(hfac)22 : precursor mais usado. : precursor mais usado.

Cu(hfac)Cu(hfac)22 + H + H22 Cu + 2 H(hfac) Cu + 2 H(hfac)

Deposição de Cu por reação de redução Deposição de Cu por reação de redução de hidrogênio. Alta taxa de deposição e de hidrogênio. Alta taxa de deposição e filmes de boa qualidade.filmes de boa qualidade.

350 ºC a 450 ºC, baixa resistividade350 ºC a 450 ºC, baixa resistividade Muito alto para dielétrico polimérico de Muito alto para dielétrico polimérico de

baixo baixo ..

•Estrutura Química de Estrutura Química de Cu(hfac)Cu(hfac)22

Sólido a temperatura ambiente

sublima a baixa temperatura (35 a 130 ºC)

•CVD de Cobre 2CVD de Cobre 2 Composto organometálicoComposto organometálico Cu(hfac)(tmvs): CCu(hfac)(tmvs): C1010HH1313CuFCuF66OO22SiSi

2 Cu(hfac)(tmvs) 2 Cu(hfac)(tmvs) Cu + Cu(hfac) Cu + Cu(hfac)22 + 2 tmvs+ 2 tmvs

Processo térmico Processo térmico 175 ºC, 1 a 3 175 ºC, 1 a 3 TorrTorr

Boa qualidade, baixa resistividade, Boa qualidade, baixa resistividade, excelente cobertura de degrau e excelente cobertura de degrau e capacidade de preenchimento de capacidade de preenchimento de gaps e vias.gaps e vias.

•Estrutura Química de Estrutura Química de tmvstmvs

tmvs: hexafluoracetil-tmvs: hexafluoracetil-acetonato de cobre-acetonato de cobre-vinil trimetil-silanavinil trimetil-silana

Líquido a temperatura ambiente

Baixa temperatura de deposição, < 200 ºC

•CVD de Cobre 3CVD de Cobre 3 Processo Cu(hfac)(tmvs) é o Processo Cu(hfac)(tmvs) é o

processo CVD de cobre mais processo CVD de cobre mais promissorpromissor

Contudo, compete com o processo Contudo, compete com o processo ECP (electrochemical plating) de ECP (electrochemical plating) de cobre já estabelecidocobre já estabelecido

A reação é reversível, portanto tmvs A reação é reversível, portanto tmvs pode ser usado para limpeza a sêco pode ser usado para limpeza a sêco da câmara de deposição. Removendo da câmara de deposição. Removendo o cobre depositado sobre as paredes o cobre depositado sobre as paredes e outras partes da câmara e prevenir e outras partes da câmara e prevenir a contaminação. Causa quebra e a contaminação. Causa quebra e descascamento do filme.descascamento do filme.

•CVD de Cobre 4CVD de Cobre 4

Possível aplicação do CVD de Possível aplicação do CVD de cobre: deposição conforme cobre: deposição conforme de camada semente de cobre de camada semente de cobre em vias e trincheiras em vias e trincheiras estreitas, difícil de obter por estreitas, difícil de obter por processos PVD quando as processos PVD quando as dimensões são reduzidas.dimensões são reduzidas.

Cu difunde no SiOCu difunde no SiO22 e causa nível de e causa nível de impureza profunda no Si impureza profunda no Si causa fuga causa fuga de junção;de junção;

Cu não tem compostos voláteis a Cu não tem compostos voláteis a temperatura ambiente temperatura ambiente não pode ser não pode ser corroído por processo RIE a corroído por processo RIE a temperaturas moderadas temperaturas moderadas 200 ºC; 200 ºC;

Cu é vulnerável a corrosão;Cu é vulnerável a corrosão; Para prevenir da corrosão e difusão de Para prevenir da corrosão e difusão de

Cu no Si, é necessário camada de Cu no Si, é necessário camada de barreira Ta ou TaN.barreira Ta ou TaN.

•CVD de Cobre 5CVD de Cobre 5

•SegurançaSegurança• Os processos PVD de sputtering de Os processos PVD de sputtering de

metal não usam produtos químicos metal não usam produtos químicos perigosos. Os gases de processos são perigosos. Os gases de processos são Argônio e Nitrogênio, ambos Argônio e Nitrogênio, ambos considerados seguros.considerados seguros.

• Contudo, os processos CVD de metal Contudo, os processos CVD de metal usam variados produtos químicos de usam variados produtos químicos de risco.risco.

• WFWF66 é corrosivo; SiH é corrosivo; SiH44 é pirofórico, é pirofórico, explosivo e tóxico; Hexplosivo e tóxico; H22 é inflamável e é inflamável e explosivo; o TDMAT usado para explosivo; o TDMAT usado para depositar TiN é altamente venenoso; e depositar TiN é altamente venenoso; e o DMAH usado para deposição do Al é o DMAH usado para deposição do Al é pirofórico e explosivo.pirofórico e explosivo.

•ResumoResumo Aplicação principal: interconexãoAplicação principal: interconexão CVD (W, Ti e TiN) e PVD (Al-Cu, Ti, TiN)CVD (W, Ti e TiN) e PVD (Al-Cu, Ti, TiN) Liga Al-Cu é ainda dominanteLiga Al-Cu é ainda dominante Precisa UHV para PVD de Al-CuPrecisa UHV para PVD de Al-Cu W usado como plugW usado como plug TiN: camada de barreira, adesão e ARCTiN: camada de barreira, adesão e ARC Futuro: Cu e Ta/TaN.Futuro: Cu e Ta/TaN.

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

2. J. D. Plummer, M. D. Deal and P. B. Griffin; Silicon 2. J. D. Plummer, M. D. Deal and P. B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, 2000.Modeling, Prentice Hall, 2000.

3. S. A. Campbell; The Science and Engineering of 3. S. A. Campbell; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, 1996. Press, 1996.

4. S. M. Sze; VLSI Technology, McGraw-Hill, 1988.4. S. M. Sze; VLSI Technology, McGraw-Hill, 1988.

Referências :