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IE726 – Processos de Filmes Finos

IE726 – Processos de Filmes Finos. Prof. Ioshiaki Doi FEEC-UNICAMP 05/04/2003. Capítulo 8 – CVD de Metais . CVD de Metais. Bastante usado para deposição de metais Boa cobertura de degrau e capacidade de preenchimento de gaps

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IE726 – Processos de Filmes Finos

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  1. IE726 – Processos de Filmes Finos Prof. Ioshiaki Doi FEEC-UNICAMP 05/04/2003 Capítulo 8 – CVD de Metais

  2. CVD de Metais • Bastante usado para deposição de metais • Boa cobertura de degrau e capacidade de preenchimento de gaps • pode preencher aberturas pequenas de contatos para conexões entre camadas metálicas • Qualidade pobre e resistividade mais alta do que filmes finos de metais PVD • usado para plugs e interconexões locais • não é aplicado para interconexões globais.

  3. Metais Depositados • W, WSix, Ti e TiN • Processo térmico: o calor fornece energia livre necessária para a reação química • Sistema RF é usado para limpeza por plasma a câmara de processo.

  4. Câmara de CVD de Metal

  5. Contatos – Caps vs. plug • Caps, assegura cobertura do metal sobre o contato • Reduz densidade de interconexão.

  6. Aberturas de Contatos tipo Vertical e Tap

  7. CVD de Metal • CVD possibilita: • Usar estrutura de contato vertical • Preenchimento de contatos  decréscimo da topologia da superfície • Não é necessário contato tipo caps, pois o problema da cobertura de degrau é minimizado.

  8. CVD de Metal - Plug • Dificuldade na metalização: assegurar continuidade do metal na janela de contato e vias; • Cobertura em degrau de Al depositado por sputter degrada rapidamente com o aumento da razão de aspecto da janela de contato e para tecnologias avançadas, a cobertura em contatos e vias diminui abaixo de 20 %.

  9. CVD de Metal - Exemplo Cobertura de degraus profundos e íngremes

  10. Metais Refratários • 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. • Principais aplicações: via-plugs, metalização de contatos e interconexões locais.

  11. Tungstênio • Características do W: • Excelente contato com Si; • Suporta altas temperaturas; • Pode ser depositado por CVD (conforme); • Deposição seletiva em via-plugs; • Excelente metal contato/barreira.

  12. Contato 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.

  13. CVD de Tungstênio - Básico • Tungstênio(W) é usado como contato (plug) e também como metal de primeiro nível. • Fonte de gás de Tungstênio: hexafluoreto de tungstênio (WF6) • Reagente adicional: hidrogênio (H2) • Temperatura: 400 – 475 ºC • Cobertura de degrau: 100%.

  14. CVD de W – Reações 1 • Nucleação sobre Si • 2 WF6 + 3 Si  2 W (s) + 3 SiF4 • Nucleação sobre camada de adesão • WF6 + SiH4 W (s) + SiF4 + 2 HF + H2 • Deposição Bulk • WF6 + 3 H2 W (s) + 6 HF • Reação de WF6 com umidade • WF6 + 3 H2O  WO3 + 6 HF

  15. CVD de W – Reações 2 • WF6 reage rapidamente também com Al e Ti: • WF6 + 2Al  W + 2AlF3 • 2WF6 + 3Ti  2W + 3TiF4 • Reação de WF6 com Si  fuga junção S/D • AlF3 aumenta resistência de contato de vias • Reação com Ti  problemas de delaminação. •  Requer deposição de camada de barreira de TiN ou TiW antes de W.

  16. CVD de W – Reações 3 • Superfícies de nucleação: Si, metais e silicetos. • Superfícies não nucleantes: óxidos e nitretos.

  17. CVD de W – Processo Típico1 • Introdução de wafers na câmara • Estabelecimento da pressão e fluxo de gases (H2, SiH4) • Nucleação (redução de silana de WF6) • Pressão e fluxo de gases muda para deposição em bulk • Deposição bulk (redução de H2 de WF6) • Bombeamento e purga da câmara.

  18. CVD de W – Processo Típico2 • Primeiro é introduzido o SiH4 sem o WF6 para deposição de uma fina camada de Si amorfo como camada de pre-nucleação; • Segue o processo de nucleação (SiH4 + WF6) e por fim a deposição de alta taxa (H2 + WF6); • No estágio de nucleação, menos de 100 nm de W é depositado. A deposição bulk de W é feito por redução de hidrogênio.

  19. Camada Semente de W e Bulk

  20. Plugs 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.

  21. Plug de W e Camada de Barreira /Adesão de TiN/Ti

  22. CVD de W: Plugs

  23. CVD de W: Cobertura de Degrau

  24. Siliceto de Tungstênio • CVD e RTP • WF6 e SiH4 como fonte de gases CVD • Recozimento depois do etch de porta • WSi2 usado sobre o topo de si-poli para formar porta de policeto de baixa resistência • Menos popular do que TiSi2 devido a sua alta resistividade • Compatibilidade com processos de oxidação (800 – 1000 ºC) • Cobertura de degrau pobre. • Incorpora F.

  25. Siliceto de Tungstênio 2 • Aplicações em interconexões locais • Fontes de Si: SiH4 e SiH2Cl2 (DCS) • Precursor de tungstênio: WF6 • SiH4/WF6: baixa temperatura,  400 ºC • DCS/WF6: alta temperatura,  575 ºC.

  26. Siliceto de Tungstênio: CVD • 300 ºC a 400 ºC • WF6 + 2 SiH4 WSi2 + 6 HF + H2 • Janela de processo bastante amplo • 500 a 600 ºC • 2F6 + 7SiH2Cl2 2WSi2 + 3SiF4 + 7HCl • 2F6 + 7SiH2Cl2 2WSi2 + 3SiCl4 + 12HF+ 2HCl • Melhor cobertura de degrau • Menos incorporação de fluoreto.

  27. WSix Baseado em Silana • WF6 + 2 SiH4 WSi2 (s) + 6 HF + H2 • Bastante similar a etapa de nucleação do processo CVD de tungstênio. • Relação da taxa de fluxos SiH4/WF6 diferentes: • abaixo de 3:1,  deposição de tungstênio • maior do que 10:1,  deposição de siliceto de tungstênio (x = 2.2 a 2.6).

  28. WSix Baseado em DCS • 2WF6 + 7SiH2Cl2 2WSi2 + 3SiF4 + 14HCl • Requer temperatura de deposição mais alta • Taxa de deposição mais alta • Melhor cobertura de degrau • Baixa concentração de fluoreto • Baixo estresse tensivo • menos problemas de quebras e descascamentos.

  29. Exemplo de WSx CVD

  30. CVD de Titânio 1 • O Ti têm 2 aplicações importantes no processo de CIs: • Usado antes da camada de TiN (barreira/adesão), porque o contato direto de TiN/Si pode causar alta resistência de contato; • Usado para formação de siliceto de titânio. • Para barreira é melhor Ti PVD do que Ti CVD, pois filmes PVD tem melhor qualidade e resistividade mais baixa.

  31. CVD de Titânio 2 TiCl4 + 2 H2 Ti + 4 HCl Ti + Si  TiSi2 • A alta temperaturas ( 600 ºC), o CVD de Ti pode reagir com Si para formar simultâneamente TiSi2 durante a deposição de Ti. • Para processo de siliceto de titânio, Ti CVD tem algumas vantagens que o Ti PVD como uma cobertura de degrau melhor, pois a deposição do Ti é feita após a corrosão da porta e a superfície do wafer não e planarizada.

  32. CVD de Nitreto de Titânio 1 • Camada de barreira/adesão para plug de tungstênio • Melhor cobertura das paredes laterais dos degraus • Camada fina de  200 Å é geralmente aplicada em contatos/vias depois de PVD de Ti e deposição de TiN.

  33. CVD de Nitreto de Titânio 2 • Contudo, a qualidade do TiN CVD não é tão bom quanto o TiN PVD. Tem alta resistividade. • Porém, O TiN CVD tem melhor cobertura de degrau do que TiN PVD ( 70% vs. 15%).

  34. PVD e CVD de Camadas de TiN

  35. CVD de TiN 1 • Química inorgânica: TiCl4 e NH3 a 400 – 700 ºC • 6 TiCl4 + 8 NH3 6 TiN + 24 HCl + N2 • 2 TiCl4 + 2 NH3 + H2  2 TiN + 8HCl • 2 TiCl4 + N2 + 4 H2  2 TiN + 8HCl • Temperatura alta melhor propriedade do filme, resistividade do filme mais baixa, densidade do filme melhor e menor incorporação de Cl.

  36. CVD de TiN 2 • Mesmo melhor TiN contém  0.5% de Cl. • Baixa temperatura de processo  alta incorporação de Cl ( 5%). • Incorporação de Cl é alto (0.5 – 5%)  problemas de corrosão em interconexão de Al.  Afeta a confiabilidade do CI. • Produz também o sub-produto NH3Cl que é um sólido e pode causar contaminação de particulados.

  37. CVD de TiN 3 • Pode ser depositado usando precursor organo-metálico (MOCVD) a 350 ºC, 300 mTorr: • Ti[N(CH3)2]4 TiN + subprodutos orgânicos.  TDMAT (tetrakis-dimetilamido-Ti). Precursor mais comumente usado. • Ti[N(C2H5)2]4 + NH3  TiN + 3HN(C2H5)2 + subprodutos orgânicos.  TDEAT

  38. CVD de TiN 4 • Temperatura baixa e sem contaminação de Cl. • Pode ocorrer incorporação de C e O  alta resistividade. • Excelente cobertura de degrau; • Camada de TiN depositado ( 100Å) não é tão denso quanto ao filme obtido a altas temperaturas e tem alta resistividade. Pode densificar em RTP em N2 a 450 ºC para reduzir a resistividade; • TDMAT: líquido venenoso e fatal.

  39. Nitreto de Titânio CVD • Melhor cobertura de degrau que as técnicas PVD • Micrografia TEM de TiN depositado por CVD usando precursor metal-orgânico.

  40. CVD de Alumínio 1 • P&D para substituir o plug de tungstênio. • Melhor cobertura de degrau e habilidade no preenchimento de contatos e vias. • Reduzir resistência de interconexão. • Método comum de deposição: • Deposição de Al CVD e depois dopar com Cu. • CVD de Al – fontes organo-metálicos. • Tri-isobutil-Al (C4H9)3Al ou TIBA; • Hidreto de dimetilalumínio (DMAH). • Deposição a temperaturas relativamente baixas.

  41. CVD de Alumínio 2 TIBA + H2 DIBAH + C4H8 DIBAH + H2  AlH3 + 2C4H8 2AlH3  2Al + 3H2. • 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.

  42. CVD de Alumínio 3 • O problema com o CVD de Al é que não há Cu nos materiais precursores. A formação de liga Al-Cu é necessária para resistência a eletromigração; • Uma opção: depositar  50% do total da espessura de Al por CVD e o restante por PVD sputtering de liga Al-Cu, fazendo posteriormente o recozimento a 250 – 400 ºC, para redistribuição do Cu sobre todo o filme. • Alternativa: CVD de Al com dopagem simultânea usando hidreto de dimetil-Al (DMAH) e ciclopentadienil cobre trietilfosfina (CpCuTEP);

  43. CVD de Alumínio 4 • Hidreto de dimethilalumínio (DMAH), Al(CH3)2H • A T de  350 ºC, DMAH dissocia e deposita alumínio • Al(CH3)2H  Al + orgânicos voláteis • Dificuldade em incorporar  1% Cu necessário para resistir a eletromigração. • A ligação Al-H, resulta em filmes com menos incorporação de C.

  44. CVD de Alumínio 5 • Liga Al-Cu: • Depositar camada de sputter Cu, abaixo ou sobre o Al CVD e fazer o recozimento a 250-450 ºC. • Difusão do Cu na camada de Al, produz camada uniforme de liga Al-Cu. • Técnica mais usada para depositar liga Al-Cu e por PVD, magnetron sputtering. Alta taxa de deposição de  1 m/min de Al.

  45. CVD de Alumínio 6 • CVD de Al  problemas com ligas de metais : • Reações indesejáveis entre precursores para vários metais, • Contaminação de carbono, • Rugosidade dos filmes e • Baixa taxa de deposição. • Al CVD tem boa capacidade de preenchimento de aberturas de vias e contatos e resistência mais baixa que o tungstênio.

  46. PVD de Al • P baixo é desejável: • Presença de outras espécies, oxigênio, hidrogênio, nitrogênio, vapor de água, etc., afeta a deposição e propriedades dos filmes. • P alto: • Melhora a cobertura de degrau, mas incorpora Ar no filme de Al ( 1%) resistividade alta, mais estresse e grãos menores (Ar serve como sítio de nucleação). • Solução: usar UHV, Ar ultra-puro, aquecimento dos wafers e porta substratos antes da deposição.

  47. PVD de Al 2 • Aquecimentos dos Wafers : • 150 – 300 ºC durante a deposição por sputtering, • Melhora cobertura de degrau devido ao aumento da mobilidade superficial, • De 450 – 550 ºC, aumenta a difusão de superfície e permite melhor preenchimento de contatos e vias estreitas e profundas.

  48. CVD/PVD de Alumínio • Deposição Ti/TiN, camada de barreira/adesão • CVD de Al (preenchimento de via), PVD de alloy de Al, PVD de TiN • não precisa de W • Tecnologia ainda não estabelecida • Difícil competir com metalização de cobre.

  49. Alumínio CVD/PVD – Cluster Tool

  50. Processo Contato/Via • Degaseificação • Limpeza da superfície do wafer • PVD de Ti • PVD de TiN • CVD de TiN • Tratamento de plasma N2 – H2 • CVD de W

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