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Capítulo 5 - Deposição de Óxidos e Nitretos CVD Ioshiaki Doi FEEC/UNICAMP Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4 IE726 – Processos de Filmes Finos.

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1 Capítulo 5 - Deposição de Óxidos e Nitretos CVD Ioshiaki Doi FEEC/UNICAMP Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4 IE726 – Processos de Filmes Finos

2 1.Isolação entre multiníveis de metal 2.Máscara contra difusão ou I/I 3.Dielétrico de porta 4.Aumentar o óxido de campo 5.Fonte de gettering 6.Fonte de dopantes 7.Passivação final do dispositivo Deposição de Óxido de SilícioDeposição de Óxido de Silício Aplicações : Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

3 Propriedades do SiO 2Propriedades do SiO 2 alta rigidez mecânica; boa adesão com as camadas em que são depositadas; alta resistência elétrica; alta tensão de ruptura elétrica; impermeabilidade à umidade e metais alkalinos; alta estabilidade química e térmica. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

4 a)Deposições em baixas temperaturas ( C) SiH 4 + O 2 (+N 2 ) SiO 2 + 2H 2 reatores APCVD, LPCVD e PECVD vantagem: baixa temperatura desvantagem: cobertura de degrau pobre adição de PH 3 produz um fósforosilicato (PSG) e B 2 H 6 um borosilicato (BSG) o óxido produzido a baixa temperatura apresenta uma densidade menor que o óxido térmico Métodos de DeposiçãoMétodos de Deposição Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

5 PECVD, T < 400 C, com decomposição de TEOS:PECVD, T < 400 C, com decomposição de TEOS: Si(OC 2 H 5 ) 4 SiO 2 + sub-produtos da reação PECVD, C, reação de silana com óxido nitroso e tetracloreto de silício com oxigênio: SiH 4 + 2N 2 O SiO 2 + 2N 2 + 2H 2 SiCl 4 + O 2 SiO 2 + 2Cl 2 Incorporação de H (1-10%) e N Estequiometria pode ser diferente de 1:2 Composição depende da potência RF e fluxo dos reagentes Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

6 reatores LPCVD pela decomposição de tetraetil- ortosilicato (TEOS) Si(OC 2 H 5 ) 4 SiO 2 + sub-produtos da reação Vantagens: uniformidade excelente, cobertura de degrau conforme, boas propriedades do filme. Desvantagens: alta temperatura, fonte líquida, difícil controle b) Deposição em temperatura média b) Deposição em temperatura média ( C) Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

7 reatores LPCVD, reação de diclorosilana com óxido nitroso. SiH 2 Cl 2 + 2N 2 O SiO 2 + 2N 2 + 2HCl Vantagem: uniformidade e cobertura de degrau excelente ER do SiO 2 térmico. Desvantagem: - alta temperatura - óxido contém HCl pode reagir c/Si-poli, causar rachadura do filme. c) Deposição em temperaturas altas c) Deposição em temperaturas altas ( 900 C) Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

8 Dopagem com Fósforo (P) – PSG Dopagem: PH 3, AsH 3, B 2 H 6 e outros 1) - Processo com silana 4PH 3 + 5O 2 2P 2 O 5 + 6H 2 2) – Processo com TEOS trimetilfosfato – PO(OCH 3 ) 3 Oxicloreto de fósforo – POCl 3 SiO 2 dopado possibilita o processo de reflow para planarizar a superfície do wafer (Exemplo: quinas e degraus para contatos). PSG reflow T 900 C. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

9 Dopagem com Boro (B) - BSG 1) – Processo com Silana 2B 2 H 6 + 3O 2 2B 2 O 3 + 6H 2 2) – Processo com TEOS Trimetilborato – B(OCH 3 ) 3 Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

10 Dopagem com Boro e Fósforo - BPSGDopagem com Boro e Fósforo - BPSG mesmas fontes de dopantes anteriores concentrações: BPSG típico contém 5-6 wt% de P e B mantém propriedades do PSG (stress e ER) Reflow do BPSG T : C Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

11 Concentração de Dopantes – Valores TípicosConcentração de Dopantes – Valores Típicos a) - como fonte de dopantes: 5 a 15 wt% b) - passivação de isolante: 2 a 8 wt% c) - reflow: 6 a 8 wt% Se < 6 wt% não flui Se > 7 wt%, superfície do PSG torna altamente higroscópico, reage com unidade e forma ácidos. P forma ácido fósforico corroe o Al. Caso de B, forma ácido bórico. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

12 ReflowReflow Flow depende de: a) tempo de recozimento; b) temperatura de recozimento; c) taxa de aquecimento; d) concentração de P; e e) ambiente de recozimento (vapor é melhor) 0.0 wt%P2.2 wt%P 4.6 wt%P7.2 wt%P SEM de amostra recozida em vapor a 1100 C, 20 min. Quanto maior a concentração de P, melhor o reflow. Menor o ângulo de reflow,, melhor a planarização da superfície. Reflow é melhor em ambiente de vapor e alta temperatura. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

13 Cobertura em Degrau – Step CoverageCobertura em Degrau – Step Coverage Step coverage: mede a habilidade de depositar filmes sobre paredes laterais e no fundo de uma trincheira profunda ou vias. A figura acima define os parâmetros da cobertura em degrau e a conformalidade. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

14 O ângulo de incidência e a mobilidade superficial do percursor determina a cobertura em degrau. AB C ângulo maior (B), maior quantidade de átomos e moléculas percursores. Se reagir imediatamente, sem migração superfical, canto B, 1.5 vezes (270/180) mais deposição que A e em C, metade (90/180) da deposição de A. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

15 Exemplos de Step CoverageExemplos de Step Coverage a)Cobertura pobre devido a pouca ou nenhuma mobilidade do material depositado sobre a superfície. b)Cobertura melhor mas paredes laterais finas e mais deposição nos cantos. c)Ilustra o processo de excelente cobertura em degrau. Relação da step coverage com pressão e mobilidade superficial Alta mobilidade superfical do percursor, melhor cobertura em degrau e melhor conformalidade. T ou PECVD T T Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

16 Formação de BuracoFormação de Buraco Região de maior deposição produz saliências que com o aumento da esspesura do filme, fecha o gap formando o buraco. Os buracos contém gases selados e podem difundir para os CIs e podem causar problemas em processos posteriores ou durante a operação do chip em um sistema eletrônico. Requer dos processos CVD o preenchimento do gap livre de buracos para assegura a confiabilidade dos chips de CIs. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

17 passivação de dispositivos máscara para oxidações seletivas (LOCOS) dielétricos para capacitores dielétrico entre níveis condutores passivação final de CIs contra riscos mecânicos, partículas, difusão de sódio e ambiente máscara contra I/I e etching Deposição de Nitretos de Silício (Si 3 N 4 )Deposição de Nitretos de Silício (Si 3 N 4 ) Aplicações: Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

18 Comparação Si 3 N 4 versus SiO 2Comparação Si 3 N 4 versus SiO 2 alto bom para capacitor; melhor barreira contra difusão bom para encapsulamento. b) SiO 2 baixo bom para isolante entre níveis de metalização. a) Si 3 N 4 Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

19 Métodos de DeposiçãoMétodos de Deposição a)Reatores APCVD, T = 700 a 900 C b) Reatores LPCVD, T = 700 a 800 C 3SiH 4 + 4NH 3 Si 3 N H 2 3SiCl 2 H 2 + 4NH 3 Si 3 N 4 + 6HCl + 6H 2 Falta de NH 3 filme rico em Si. usar NH 3 em excesso Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

20 c) Por reatores PECVD, T = 200 a 400 C 3SiH 4 + NH 3 (ou N 2 ) Si x N y H z + xH 2 Requer NH 3 em excesso, pois não decompõe rapidamente como a silana Taxa de Deposição : 100 – 500 Å/min. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

21 Características do Processo e dos filmes PECVDCaracterísticas do Processo e dos filmes PECVD o filme não é estequiométrico com Si/N 0.8 – 1.2 incorporação de hidrogênio em grande quantidade (até ~ 20 at%). hidrogênio no filme pode provocar instabilidade do V T de transistores MOS. Há incorporação de outros elementos: O : de vazamento de vácuo e contaminação do gás; C : de óleo das bombas; H : até 20 – 25%, se T %H H resulta em mais baixo e ER mais alto. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

22 Vantagem : temperatura baixa Desvantagens : Controle de composição pobre (filme não estequiométrico) Ligações não uniformes no filme; Incorporação de átomos não desejados. Propriedades elétricas, mecânicas e químicas variáveis. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

23 Pinholes :Pinholes : é um defeito comum. - são furos com diametro < 1 m. origem: partículas presentes na superfície; - partículas geradas durante a deposição. contagem : fazer revelação por solução que ataca o substrato e não o filme. Parâmetros do processo: - Pressão; - temperatura; - frequência e potência do RF - fluxos de gases Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

24 Características:Características: taxa de deposição; estequiometria; incorporação de H (%); impurezas; densidade; stress. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

25 Nitreto PECVD – Índice de Refração x Taxa SiH 4 /N 2Nitreto PECVD – Índice de Refração x Taxa SiH 4 /N 2 Deseja-se n = 2.0 Taxa de deposição x Potência RFTaxa de deposição x Potência RF DR aumenta com potência RF DR aumenta com concentração de SiH 4 Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

26 Nitreto PECVD – Taxa de Deposição e Índice de Refração x PressãoNitreto PECVD – Taxa de Deposição e Índice de Refração x Pressão Nitreto PECVD – Taxa de Deposição e Índice de Refração x Temperatura Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

27 Característica do filme de nitreto em função da concentração de NH 3Característica do filme de nitreto em função da concentração de NH 3 [ H] aumenta com a concentração de NH 3. Densidade é máximo para Si/N Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

28 Característica do filme de nitreto em função da temperatura de deposiçãoCaracterística do filme de nitreto em função da temperatura de deposição Ponto para T = 700 C, corresponde a CVD térmico sem plasma. Densidade aumenta com T; %H diminui com aumento de T. Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

29 MaterialReagentesMétodo Temperatura( C) Observações PolisilícioSiH 4 LPCVD Pode ser dopado in situ. SiO 2 SiH 4 + O 2 SiH 4 + N 2 O SiCl 2 H 2 + N 2 O Si(OC 2 H 5 ) 4 [TEOS] (1) APCVD PECVD PECVD LPCVD Fonte líquida SiO 2 dopadoSiH 4 + O 2 + PH 3 SiH 4 + O 2 + PH 3 + B 2 H 6 APCVD PECVD APCVD PECVD PSG BPSG Nitreto de SilícioSiH 4 + NH 3 SiCl 2 H 2 + NH 3 SiH 4 + NH 3 SiH 4 + N 2 LPCVD LPCVD PECVD PECVD (1) – TEOS - Tetraethoxysilane Reações Típicas para Deposição de Dielétricos e Polisilício Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4

30 Referências:Referências: 1. S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the VLSI Era, Vol.1, Process Technology, Lattice Press, S. A. Campbel; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, J. D. Plummer, M. D. Deal and P.B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, Deposição de SiO 2 e Si 3 N 4


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