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

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

2 CVD de MetaisCVD de Metais Bastante usado para deposição de metais Bastante usado para deposição de metais Boa cobertura de degrau e capacidade de preenchimento de gaps 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 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 DepositadosMetais Depositados W, WSi x, Ti e TiN W, WSi x, Ti e TiN Processo térmico: o calor fornece energia livre necessária para a reação química Processo térmico: o calor fornece energia livre necessária para a reação química Sistema RF é usado para limpeza por plasma a câmara de processo. Sistema RF é usado para limpeza por plasma a câmara de processo.

4 Câmara de CVD de MetalCâmara de CVD de Metal

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

6 Aberturas de Contatos tipo Vertical e TapAberturas de Contatos tipo Vertical e Tap

7 CVD de MetalCVD de Metal CVD possibilita: 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 Dificuldade na metalização: assegurar continuidade do metal na janela de contato e vias; 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 %. 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 %. CVD de Metal - PlugCVD de Metal - Plug

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

10 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.

11 TungstênioTungstênio Características do W: 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 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.

13 CVD de Tungstênio - BásicoCVD de Tungstênio - Básico Fonte de gás de Tungstênio: hexafluoreto de tungstênio (WF 6 ) Fonte de gás de Tungstênio: hexafluoreto de tungstênio (WF 6 ) Reagente adicional: hidrogênio (H 2 ) Reagente adicional: hidrogênio (H 2 ) Temperatura: 400 – 475 ºC Temperatura: 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.

14 CVD de W – Reações 1CVD de W – Reações 1 Nucleação sobre Si Nucleação sobre Si 2 WF Si 2 W (s) + 3 SiF 4 2 WF Si 2 W (s) + 3 SiF 4 Nucleação sobre camada de adesão Nucleação sobre camada de adesão WF 6 + SiH 4 W (s) + SiF HF + H 2 WF 6 + SiH 4 W (s) + SiF HF + H 2 Deposição Bulk Deposição Bulk WF H 2 W (s) + 6 HF WF H 2 W (s) + 6 HF Reação de WF 6 com umidade Reação de WF 6 com umidade WF H 2 O WO HF WF H 2 O WO HF

15 CVD de W – Reações 2CVD de W – Reações 2 WF 6 reage rapidamente também com Al e Ti: WF 6 reage rapidamente também com Al e Ti: WF 6 + 2Al W + 2AlF 3 WF 6 + 2Al W + 2AlF 3 2WF 6 + 3Ti 2W + 3TiF 4 2WF 6 + 3Ti 2W + 3TiF 4 Reação de WF 6 com Si fuga junção S/D Reação de WF 6 com Si fuga junção S/D AlF 3 aumenta resistência de contato de vias AlF 3 aumenta resistência de contato de vias Reação com Ti problemas de delaminação. Reação com Ti problemas de delaminação. Requer deposição de camada de barreira de TiN ou TiW antes de W. Requer deposição de camada de barreira de TiN ou TiW antes de W.

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

17 CVD de W – Processo Típico1CVD de W – Processo Típico1 Introdução de wafers na câmara Introdução de wafers na câmara Estabelecimento da pressão e fluxo de gases (H 2, SiH 4 ) Estabelecimento da pressão e fluxo de gases (H 2, SiH 4 ) Nucleação (redução de silana de WF 6 ) Nucleação (redução de silana de WF 6 ) Pressão e fluxo de gases muda para deposição em bulk Pressão e fluxo de gases muda para deposição em bulk Deposição bulk (redução de H 2 de WF 6 ) Deposição bulk (redução de H 2 de WF 6 ) Bombeamento e purga da câmara. Bombeamento e purga da câmara.

18 Primeiro é introduzido o SiH 4 sem o WF 6 para deposição de uma fina camada de Si amorfo como camada de pre-nucleação; Primeiro é introduzido o SiH 4 sem o WF 6 para deposição de uma fina camada de Si amorfo como camada de pre-nucleação; Segue o processo de nucleação (SiH 4 + WF 6 ) e por fim a deposição de alta taxa (H 2 + WF 6 ); Segue o processo de nucleação (SiH 4 + WF 6 ) e por fim a deposição de alta taxa (H 2 + WF 6 ); No estágio de nucleação, menos de 100 nm de W é depositado. A deposição bulk de W é feito por redução de hidrogênio. No estágio de nucleação, menos de 100 nm de W é depositado. A deposição bulk de W é feito por redução de hidrogênio. CVD de W – Processo Típico2CVD de W – Processo Típico2

19 Camada Semente de W e BulkCamada Semente de W e Bulk

20 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.

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

22 CVD de W: PlugsCVD de W: Plugs

23 CVD de W: Cobertura de DegrauCVD de W: Cobertura de Degrau

24 Siliceto de TungstênioSiliceto de Tungstênio CVD e RTP CVD e RTP WF 6 e SiH 4 como fonte de gases CVD WF 6 e SiH 4 como fonte de gases CVD Recozimento depois do etch de porta Recozimento depois do etch de porta WSi 2 usado sobre o topo de si-poli para formar porta de policeto de baixa resistência WSi 2 usado sobre o topo de si-poli para formar porta de policeto de baixa resistência Menos popular do que TiSi 2 devido a sua alta resistividade Menos popular do que TiSi 2 devido a sua alta resistividade Compatibilidade com processos de oxidação (800 – 1000 ºC) Compatibilidade com processos de oxidação (800 – 1000 ºC) Cobertura de degrau pobre. Cobertura de degrau pobre. Incorpora F. Incorpora F.

25 Siliceto de Tungstênio 2Siliceto de Tungstênio 2 Aplicações em interconexões locais Aplicações em interconexões locais Fontes de Si: SiH 4 e SiH 2 Cl 2 (DCS) Fontes de Si: SiH 4 e SiH 2 Cl 2 (DCS) Precursor de tungstênio: WF 6 Precursor de tungstênio: WF 6 SiH 4 /WF 6 : baixa temperatura, 400 ºC SiH 4 /WF 6 : baixa temperatura, 400 ºC DCS/WF 6 : alta temperatura, 575 ºC. DCS/WF 6 : alta temperatura, 575 ºC.

26 Siliceto de Tungstênio: CVDSiliceto de Tungstênio: CVD 300 ºC a 400 ºC 300 ºC a 400 ºC WF SiH 4 WSi HF + H 2 WF SiH 4 WSi HF + H 2 Janela de processo bastante amplo Janela de processo bastante amplo 500 a 600 ºC 500 a 600 ºC 2F 6 + 7SiH 2 Cl 2 2WSi 2 + 3SiF 4 + 7HCl 2F 6 + 7SiH 2 Cl 2 2WSi 2 + 3SiF 4 + 7HCl 2F 6 + 7SiH 2 Cl 2 2WSi 2 + 3SiCl HF+ 2HCl 2F 6 + 7SiH 2 Cl 2 2WSi 2 + 3SiCl HF+ 2HCl Melhor cobertura de degrau Melhor cobertura de degrau Menos incorporação de fluoreto. Menos incorporação de fluoreto.

27 WSi x Baseado em SilanaWSi x Baseado em Silana WF SiH 4 WSi 2 (s) + 6 HF + H 2 WF SiH 4 WSi 2 (s) + 6 HF + H 2 Bastante similar a etapa de nucleação do processo CVD de tungstênio. Bastante similar a etapa de nucleação do processo CVD de tungstênio. Relação da taxa de fluxos SiH 4 /WF 6 diferentes: Relação da taxa de fluxos SiH 4 /WF 6 diferentes: abaixo de 3:1, deposição de tungstênio abaixo de 3:1, deposição de tungstênio maior do que 10:1, deposição de siliceto de tungstênio (x = 2.2 a 2.6). maior do que 10:1, deposição de siliceto de tungstênio (x = 2.2 a 2.6).

28 WSi x Baseado em DCSWSi x Baseado em DCS 2WF 6 + 7SiH 2 Cl 2 2WSi 2 + 3SiF HCl 2WF 6 + 7SiH 2 Cl 2 2WSi 2 + 3SiF HCl Requer temperatura de deposição mais alta Requer temperatura de deposição mais alta Taxa de deposição mais alta Taxa de deposição mais alta Melhor cobertura de degrau Melhor cobertura de degrau Baixa concentração de fluoreto Baixa concentração de fluoreto Baixo estresse tensivo Baixo estresse tensivo –menos problemas de quebras e descascamentos.

29 Exemplo de WS x CVDExemplo de WS x CVD

30 O Ti têm 2 aplicações importantes no processo de CIs: 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. Para barreira é melhor Ti PVD do que Ti CVD, pois filmes PVD tem melhor qualidade e resistividade mais baixa. CVD de Titânio 1CVD de Titânio 1

31 CVD de Titânio 2CVD de Titânio 2 A alta temperaturas ( 600 ºC), o CVD de Ti pode reagir com Si para formar simultâneamente TiSi 2 durante a deposição de Ti. A alta temperaturas ( 600 ºC), o CVD de Ti pode reagir com Si para formar simultâneamente TiSi 2 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. 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. TiCl H 2 Ti + 4 HCl Ti + Si TiSi 2

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

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

34 PVD e CVD de Camadas de TiNPVD e CVD de Camadas de TiN

35 CVD de TiN 1CVD de TiN 1 Química inorgânica: TiCl 4 e NH 3 a 400 – 700 ºC Química inorgânica: TiCl 4 e NH 3 a 400 – 700 ºC 6 TiCl NH 3 6 TiN + 24 HCl + N 2 6 TiCl NH 3 6 TiN + 24 HCl + N 2 2 TiCl NH 3 + H 2 2 TiN + 8HCl 2 TiCl NH 3 + H 2 2 TiN + 8HCl 2 TiCl 4 + N H 2 2 TiN + 8HCl 2 TiCl 4 + N H 2 2 TiN + 8HCl Temperatura alta melhor propriedade do filme, resistividade do filme mais baixa, densidade do filme melhor e menor incorporação de Cl. Temperatura alta melhor propriedade do filme, resistividade do filme mais baixa, densidade do filme melhor e menor incorporação de Cl.

36 Mesmo melhor TiN contém 0.5% de Cl. Mesmo melhor TiN contém 0.5% de Cl. Baixa temperatura de processo alta incorporação de Cl ( 5%). 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. 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 NH 3 Cl que é um sólido e pode causar contaminação de particulados. Produz também o sub-produto NH 3 Cl que é um sólido e pode causar contaminação de particulados. CVD de TiN 2CVD de TiN 2

37 Pode ser depositado usando precursor organo-metálico (MOCVD) a 350 ºC, 300 mTorr: Pode ser depositado usando precursor organo-metálico (MOCVD) a 350 ºC, 300 mTorr: Ti[N(CH 3 ) 2 ] 4 TiN + subprodutos orgânicos. TDMAT (tetrakis-dimetilamido-Ti). Precursor mais comumente usado. Ti[N(CH 3 ) 2 ] 4 TiN + subprodutos orgânicos. TDMAT (tetrakis-dimetilamido-Ti). Precursor mais comumente usado. Ti[N(C 2 H 5 ) 2 ] 4 + NH 3 TiN + 3HN(C 2 H 5 ) 2 + subprodutos orgânicos. TDEAT Ti[N(C 2 H 5 ) 2 ] 4 + NH 3 TiN + 3HN(C 2 H 5 ) 2 + subprodutos orgânicos. TDEAT CVD de TiN 3CVD de TiN 3

38 Temperatura baixa e sem contaminação de Cl. Temperatura baixa e sem contaminação de Cl. Pode ocorrer incorporação de C e O alta resistividade. Pode ocorrer incorporação de C e O alta resistividade. Excelente cobertura de degrau; 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 N 2 a 450 ºC para reduzir a resistividade; 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 N 2 a 450 ºC para reduzir a resistividade; TDMAT: líquido venenoso e fatal. TDMAT: líquido venenoso e fatal. CVD de TiN 4CVD de TiN 4

39 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

40 CVD de Alumínio 1CVD de Alumínio 1 P&D para substituir o plug de tungstênio. P&D para substituir o plug de tungstênio. Melhor cobertura de degrau e habilidade no preenchimento de contatos e vias. Melhor cobertura de degrau e habilidade no 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 (C 4 H 9 ) 3 Al ou TIBA; Tri-isobutil-Al (C 4 H 9 ) 3 Al ou TIBA; Hidreto de dimetilalumínio (DMAH). Hidreto de dimetilalumínio (DMAH). Deposição a temperaturas relativamente baixas. Deposição a temperaturas relativamente baixas.

41 TIBA + H 2 DIBAH + C 4 H 8 DIBAH + H 2 AlH 3 + 2C 4 H 8 2AlH 3 2Al + 3H 2. CVD de Alumínio 2CVD de Alumínio 2 Primeira reação ocorre a 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, (C 4 H 9 ) 2 AlH) 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 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; 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. 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); Alternativa: CVD de Al com dopagem simultânea usando hidreto de dimetil-Al (DMAH) e ciclopentadienil cobre trietilfosfina (CpCuTEP); CVD de Alumínio 3CVD de Alumínio 3

43 CVD de Alumínio 4CVD de Alumínio 4 Hidreto de dimethilalumínio (DMAH), Al(CH 3 ) 2 H Hidreto de dimethilalumínio (DMAH), Al(CH 3 ) 2 H A T de 350 ºC, DMAH dissocia e deposita alumínio A T de 350 ºC, DMAH dissocia e deposita alumínio Al(CH 3 ) 2 H Al + orgânicos voláteis Al(CH 3 ) 2 H Al + orgânicos voláteis Dificuldade em incorporar 1% Cu necessário para resistir a eletromigração. Dificuldade em incorporar 1% Cu necessário para resistir a eletromigração. A ligação Al-H, resulta em filmes com menos incorporação de C. A ligação Al-H, resulta em filmes com menos incorporação de C.

44 CVD de Alumínio 5CVD de Alumínio 5 Liga Al-Cu: Liga Al-Cu: Depositar camada de sputter Cu, abaixo ou sobre o Al CVD e fazer o recozimento a ºC. Depositar camada de sputter Cu, abaixo ou sobre o Al CVD e fazer o recozimento a ºC. Difusão do Cu na camada de Al, produz camada uniforme de liga Al-Cu. 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. 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 Al problemas com ligas de metais : CVD de Al problemas com ligas de metais : Reações indesejáveis entre precursores para vários metais, Reações indesejáveis entre precursores para vários metais, Contaminação de carbono, Contaminação de carbono, Rugosidade dos filmes e Rugosidade dos filmes e Baixa taxa de deposição. Baixa taxa de deposição. Al CVD tem boa capacidade de preenchimento de aberturas de vias e contatos e resistência mais baixa que o tungstênio. Al CVD tem boa capacidade de preenchimento de aberturas de vias e contatos e resistência mais baixa que o tungstênio. CVD de Alumínio 6CVD de Alumínio 6

46 PVD de AlPVD de Al P baixo é desejável: P baixo é desejável: –Presença de outras espécies, oxigênio, hidrogênio, nitrogênio, vapor de água, etc., afeta a deposição e propriedades dos filmes. P alto: 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. Solução: usar UHV, Ar ultra-puro, aquecimento dos wafers e porta substratos antes da deposição.

47 PVD de Al 2PVD de Al 2 Aquecimentos dos Wafers : 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 AlumínioCVD/PVD de Alumínio Deposição Ti/TiN, camada de barreira/adesão Deposição Ti/TiN, camada de barreira/adesão CVD de Al (preenchimento de via), PVD de alloy de Al, PVD de TiN CVD de Al (preenchimento de via), PVD de alloy de Al, PVD de TiN não precisa de W não precisa de W Tecnologia ainda não estabelecida Tecnologia ainda não estabelecida Difícil competir com metalização de cobre. Difícil competir com metalização de cobre.

49 Alumínio CVD/PVD – Cluster ToolAlumínio CVD/PVD – Cluster Tool

50 Processo Contato/ViaProcesso Contato/Via Degaseificação Degaseificação Limpeza da superfície do wafer Limpeza da superfície do wafer PVD de Ti PVD de Ti PVD de TiN PVD de TiN CVD de TiN CVD de TiN Tratamento de plasma N 2 – H 2 Tratamento de plasma N 2 – H 2 CVD de W CVD de W

51 Processo de Interconexão de AlumínioProcesso de Interconexão de Alumínio Degaseificação Degaseificação Limpeza da superfície do wafer Limpeza da superfície do wafer PVD de Ti PVD de Ti PVD de Al-Cu PVD de Al-Cu PVD de TiN PVD de TiN

52 Processo de Interconexão de CobreProcesso de Interconexão de Cobre Degaseificação Degaseificação Limpeza da superfície do wafer Limpeza da superfície do wafer PVD de Ta PVD de Ta PVD da semente de Cu PVD da semente de Cu

53 DegaseificaçãoDegaseificação Aquecimento do wafer para retirar gases e umidade da superfície do wafer Aquecimento do wafer para retirar gases e umidade da superfície do wafer O gás liberado pode causar contaminação e alta resistividade do filme de metal depositado. O gás liberado pode causar contaminação e alta resistividade do filme de metal depositado.

54 Limpeza do WaferLimpeza do Wafer Remoção do óxido nativo Remoção do óxido nativo Redução da resistência de contato Redução da resistência de contato Sputtering com ions de Argônio Sputtering com ions de Argônio Plasma RF. Plasma RF.

55 PVD de TitânioPVD de Titânio Reduzir resistência de contato Reduzir resistência de contato Aumentar tamanho de grãos com baixa resistividade Aumentar tamanho de grãos com baixa resistividade Wafer normalmente aquecido a temperatura de 350 ºC durante o processo de deposição para: Wafer normalmente aquecido a temperatura de 350 ºC durante o processo de deposição para: melhorar a mobilidade da superfície melhorar a mobilidade da superfície melhorar a cobertura de degrau. melhorar a cobertura de degrau.

56 Sputtering ColimadoSputtering Colimado Usado para deposição de Ti e TiN Usado para deposição de Ti e TiN O colimador permite que átomos de metal ou moléculas movam principalmente na direção vertical O colimador permite que átomos de metal ou moléculas movam principalmente na direção vertical Alcançam o fundo da abertura estreita de contatos/vias Alcançam o fundo da abertura estreita de contatos/vias Melhora a cobertura de fundo do degrau. Melhora a cobertura de fundo do degrau.

57 Sputtering Colimado 2Sputtering Colimado 2

58 Sistema de Plasma para MetalSistema de Plasma para Metal Deposição de Ti, TiN, Ta e TaN Deposição de Ti, TiN, Ta e TaN Ioniza átomos de metal através de acoplamento indutivo de potência RF na bobina de RF Ioniza átomos de metal através de acoplamento indutivo de potência RF na bobina de RF Íons de metal (positivo) incidem verticalmente sobre a superfície do wafer (carregado negativamente) Íons de metal (positivo) incidem verticalmente sobre a superfície do wafer (carregado negativamente) Melhora cobertura do fundo do degrau Melhora cobertura do fundo do degrau Reduz resistência de contato. Reduz resistência de contato.

59 Plasma de Metal IonizadoPlasma de Metal Ionizado

60 PVD de Nitreto de TitânioPVD de Nitreto de Titânio Processo de sputtering reativo Processo de sputtering reativo Ar e N 2 Ar e N 2 Moléculas de N 2 dissociam no plasma Moléculas de N 2 dissociam no plasma Radicais livres de nitrogênio reage com Ti para formar uma camada fina de TiN sobre a superfície do alvo Radicais livres de nitrogênio reage com Ti para formar uma camada fina de TiN sobre a superfície do alvo Íons de Ar sputter o TiN da superfície do alvo e deposita sobre a superfície do wafer. Íons de Ar sputter o TiN da superfície do alvo e deposita sobre a superfície do wafer.

61 Três Aplicações do TiNTrês Aplicações do TiN

62 PVD de Al-CuPVD de Al-Cu UHV para remover umidade e obter filmes de baixa resistividade UHV para remover umidade e obter filmes de baixa resistividade Processo padrão: Al-Cu sobre plug de tungstênio depois da deposição de Ti e TiN Processo padrão: Al-Cu sobre plug de tungstênio depois da deposição de Ti e TiN Normalmente, deposição a 200 ºC Normalmente, deposição a 200 ºC Tamanho de grãos pequenos, fácil para etch Tamanho de grãos pequenos, fácil para etch Recozimento do metal, forma grãos de tamanhos grandes Recozimento do metal, forma grãos de tamanhos grandes abaixa resistividade abaixa resistividade alto EMR (resistência a eletromigração). alto EMR (resistência a eletromigração).

63 PVD de Al-Cu 2PVD de Al-Cu 2 Processo de alumínio quente Processo de alumínio quente Preenchimento de contatos/vias, reduz resistência de contato Preenchimento de contatos/vias, reduz resistência de contato Etapas de processo: Etapas de processo: Deposição de Ti Deposição de Ti Deposição de camada semente de Al-Cu a T < 200 ºC Deposição de camada semente de Al-Cu a T < 200 ºC Camada bulk de Al-Cu é depositado a temperaturas altas ( 450 ºC a 500 ºC). Camada bulk de Al-Cu é depositado a temperaturas altas ( 450 ºC a 500 ºC).

64 Metalização de CobreMetalização de Cobre

65 Cobre 1Cobre 1 Melhor condutor do que o alumínio Melhor condutor do que o alumínio Resistividade do Cu = 1.8 a 1.9 -cm Resistividade do Cu = 1.8 a 1.9 -cm Resistividade do Al = 2.9 a 3.3 -cm Resistividade do Al = 2.9 a 3.3 -cm Pode reduzir significativamente a resistência de interconexão Pode reduzir significativamente a resistência de interconexão Aumenta resistência a eletromigração permite aumentar a densidade de corrente nas linhas de interconexão de cobre Aumenta resistência a eletromigração permite aumentar a densidade de corrente nas linhas de interconexão de cobre Ambos acima, aumenta a velocidade do CI e menos consumo de potência. Ambos acima, aumenta a velocidade do CI e menos consumo de potência. Portanto, a metalização de Cu é mais desejável do que o Al para algumas aplicações. Portanto, a metalização de Cu é mais desejável do que o Al para algumas aplicações.

66 Cobre 2Cobre 2 Contudo, a taxa de difusão do cobre é alta em Si e SiO 2, causando a contaminação de metais pesados. requer camada de barreira de difusão Contudo, a taxa de difusão do cobre é alta em Si e SiO 2, causando a contaminação de metais pesados. requer camada de barreira de difusão Difícil corrosão a sêco, não há gases compostos químicos simples Difícil corrosão a sêco, não há gases compostos químicos simples

67 Processo de Metalização de CobreProcesso de Metalização de Cobre Limpeza do wafer Limpeza do wafer Camada de barreira de Ta e/ou TaN por PVD Camada de barreira de Ta e/ou TaN por PVD Camada semente de cobre por PVD Camada semente de cobre por PVD Camada bulk de cobre ECP (electrochemical plating) Camada bulk de cobre ECP (electrochemical plating) Recozimento térmico para melhorar a condutividade Recozimento térmico para melhorar a condutividade

68 Deposição de CobreDeposição de Cobre Deposição do cobre por ECP ou CVD

69 Eletrodeposição de Cu - ExemploEletrodeposição de Cu - Exemplo 500 Å de camada de barreira de TaN. Camada semente: 1000 Å de Cu depositado por sputtering.

70 CVD de CobreCVD de Cobre Bis-hexafluoracetil-acetonato de cobre, Cu(hfac) 2 : precursor mais usado. Bis-hexafluoracetil-acetonato de cobre, Cu(hfac) 2 : precursor mais usado. Cu(hfac) 2 + H 2 Cu + 2 H(hfac) Cu(hfac) 2 + H 2 Cu + 2 H(hfac) Deposição de Cu por reação de redução de hidrogênio. Alta taxa de deposição e filmes de boa qualidade. Deposição de Cu por reação de redução de hidrogênio. Alta taxa de deposição e filmes de boa qualidade. 350 ºC a 450 ºC, baixa resistividade 350 ºC a 450 ºC, baixa resistividade Muito alto para dielétrico polimérico de baixo. Muito alto para dielétrico polimérico de baixo.

71 Estrutura Química de Cu(hfac) 2Estrutura Química de Cu(hfac) 2 Sólido a temperatura ambiente sublima a baixa temperatura (35 a 130 ºC)

72 CVD de Cobre 2CVD de Cobre 2 Composto organometálico Composto organometálico Cu(hfac)(tmvs): C 10 H 13 CuF 6 O 2 Si Cu(hfac)(tmvs): C 10 H 13 CuF 6 O 2 Si 2 Cu(hfac)(tmvs) Cu + Cu(hfac) tmvs 2 Cu(hfac)(tmvs) Cu + Cu(hfac) tmvs Processo térmico 175 ºC, 1 a 3 Torr Processo térmico 175 ºC, 1 a 3 Torr Boa qualidade, baixa resistividade, excelente cobertura de degrau e capacidade de preenchimento de gaps e vias. Boa qualidade, baixa resistividade, excelente cobertura de degrau e capacidade de preenchimento de gaps e vias.

73 Estrutura Química de tmvsEstrutura Química de tmvs tmvs: hexafluoracetil- acetonato de cobre- vinil trimetil-silana tmvs: hexafluoracetil- acetonato de cobre- vinil trimetil-silana Líquido a temperatura ambiente Baixa temperatura de deposição, < 200 ºC

74 CVD de Cobre 3CVD de Cobre 3 Processo Cu(hfac)(tmvs) é o processo CVD de cobre mais promissor Processo Cu(hfac)(tmvs) é o processo CVD de cobre mais promissor Contudo, compete com o processo ECP (electrochemical plating) de cobre já estabelecido Contudo, compete com o processo ECP (electrochemical plating) de cobre já estabelecido A reação é reversível, portanto tmvs pode ser usado para limpeza a sêco da câmara de deposição. Removendo o cobre depositado sobre as paredes e outras partes da câmara e prevenir a contaminação. Causa quebra e descascamento do filme. A reação é reversível, portanto tmvs pode ser usado para limpeza a sêco da câmara de deposição. Removendo o cobre depositado sobre as paredes e outras partes da câmara e prevenir a contaminação. Causa quebra e descascamento do filme.

75 CVD de Cobre 4CVD de Cobre 4 Possível aplicação do CVD de cobre: deposição conforme de camada semente de cobre em vias e trincheiras estreitas, difícil de obter por processos PVD quando as dimensões são reduzidas. Possível aplicação do CVD de cobre: deposição conforme de camada semente de cobre em vias e trincheiras estreitas, difícil de obter por processos PVD quando as dimensões são reduzidas.

76 Cu difunde no SiO 2 e causa nível de impureza profunda no Si causa fuga de junção; Cu difunde no SiO 2 e causa nível de impureza profunda no Si causa fuga de junção; Cu não tem compostos voláteis a temperatura ambiente não pode ser corroído por processo RIE a temperaturas moderadas 200 ºC; Cu não tem compostos voláteis a temperatura ambiente não pode ser corroído por processo RIE a temperaturas moderadas 200 ºC; Cu é vulnerável a corrosão; Cu é vulnerável a corrosão; Para prevenir da corrosão e difusão de Cu no Si, é necessário camada de barreira Ta ou TaN. Para prevenir da corrosão e difusão de Cu no Si, é necessário camada de barreira Ta ou TaN. CVD de Cobre 5CVD de Cobre 5

77 SegurançaSegurança Os processos PVD de sputtering de metal não usam produtos químicos perigosos. Os gases de processos são Argônio e Nitrogênio, ambos considerados seguros. Os processos PVD de sputtering de metal não usam produtos químicos perigosos. Os gases de processos são Argônio e Nitrogênio, ambos considerados seguros. Contudo, os processos CVD de metal usam variados produtos químicos de risco. Contudo, os processos CVD de metal usam variados produtos químicos de risco. WF 6 é corrosivo; SiH 4 é pirofórico, explosivo e tóxico; H 2 é inflamável e explosivo; o TDMAT usado para depositar TiN é altamente venenoso; e o DMAH usado para deposição do Al é pirofórico e explosivo. WF 6 é corrosivo; SiH 4 é pirofórico, explosivo e tóxico; H 2 é inflamável e explosivo; o TDMAT usado para depositar TiN é altamente venenoso; e o DMAH usado para deposição do Al é pirofórico e explosivo.

78 ResumoResumo Aplicação principal: interconexão Aplicação 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 dominante Liga Al-Cu é ainda dominante Precisa UHV para PVD de Al-Cu Precisa UHV para PVD de Al-Cu W usado como plug W usado como plug TiN: camada de barreira, adesão e ARC TiN: camada de barreira, adesão e ARC Futuro: Cu e Ta/TaN. Futuro: Cu e Ta/TaN.

79 1. S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the VLSI Era, Vol.1 – Process Technology, Lattice Press, J. D. Plummer, M. D. Deal and P. B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, S. A. Campbell; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, S. M. Sze; VLSI Technology, McGraw-Hill, Referências :


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