IE726 – Processos de Filmes Finos Capítulo 7 – Filmes Finos Condutores Prof. Ioshiaki Doi FEEC-UNICAMP 05/04/2003

Metalização Processos de deposição de filmes finos de metais sobre a superfície do wafer.

Aplicações Interconexão Porta e eletrodos

CMOS – Metalização Padrão Interconexão de Alumínio e plug de tungstênio

Aplicações – Interconexão 1 SEM de um circuito mostrando contatos e interconexões. Hierarquia de interconexões.

Aplicações – Interconexões 2 SEM de um circuito mostrando contatos e interconexões.

Aplicações – Interconexão 2 Domina os processos de metalização Liga Al-Cu é o mais usado comumente Plug de W (tecnologia de 80 e 90) Ti e TiN, camadas de barreira, adesão e ARC (anti-reflection coating) Futuro? .... Cu!

Metalização de Cobre

Aplicações – Porta e Eletrodos Porta de Al e eletrodo Silício policristalino substitui Al como material de porta Silicetos: WSi2, TiSi2, CoSi2, MoSi2, TaSi2, NiSi, ... Pt, Au, ... como eletrodos para capacitores DRAM.

Filmes Finos Condutores Silício policristalino Silicetos Al e ligas de Al Titânio e Nitreto de Titânio Tungstênio Cobre Tântalo

Requisitos para Filmes Metálicos 1 Baixa resistividade é essencial a redução da resistência do metal para baixo consumo de potência e circuitos rápidos. Baixa resistência de contato com redução das dimensões dos CIs, a resistência de contato torna fração cada vez maior da resistência total. Resistência a eletromigração efeitos da migração induzidos pela corrente piora com o decréscimo das dimensões do metal, por causa da alta densidade de corrente. Para obter Chips de alta confiabilidade.

Requisitos para Filmes Metálicos 2 Superfície de baixa rugosidade para processo litográfico de alta resolução Baixo estresse Para boa adesão com o substrato Existência do processo de deposição.

Requisitos para Filmes Metálicos 3 Estabilidade durante todo o processamento: Oxidação, sinterização, deposição de filmes dielétricos subsequentes. Boa resistência a corrosão Possibilidade de etching Formação de compostos voláteis durante a corrosão sêca Boa cobertura de degrau Para assegurar contato elétrico apropriado entre os níveis metálicos.

Exemplo de cobertura de degrau: WSi2 Processo A Processo B

Requisitos de Filmes Metálicos: resistividade vs. espessura Impurezas e contornos de grãos adicionam contribuições significativas para o espalhamento de eletrons.

Alumínio vs. Cobre Cobre Alumínio resistividade mais baixa que o Alumínio. Problemas de adesão, difusão e dificuldade para a corrosão sêca  dificultou a aplicação do cobre nos CIs por muito tempo. Alumínio interconexão de Al dominou aplicações de metalização desde o início da indústria de semicondutores. nos anos 60 e 70, interconexões de Al ou liga Al-Cu.

Alumínio vs. Cobre 2 Anos 80 redução das dimensões  uso de multi-camadas de interconexão. c/aumento da densidade de dispositivos, contatos tipo tap largos tornou-se indesejável devido deixar a topografia da superfície bastante áspero. dificuldade na litografia e deposição de outra camada de filme fino.

Alumínio vs. Cobre 3 para aumentar a densidade de empacotamento, surgiu a necessidade de contatos e vias verticais. Muito estreito para preenchimento por liga de Al PVD sem buracos. W tem sido usado para preenchimento de vias e contatos que serve como plug para conexão entre diferentes camadas de metais. Requer camada de adesão e barreira (Ti/TiN).

Silício Policristalino Portas e interconexão local Substitui Al desde meio de 70 Estável a alta temperatura Permite S/D auto-alinhado Porta de Al não permite formar S/D auto-alinhado Pode ser altamente dopado LPCVD

S/D Auto-Alinhado Desalinhamento de Porta Desalinhado A porta era superdimensionada para assegurar cobertura completa da porta sobre as regiões de fonte e dreno.

S/D Auto-Alinhado 2 S/D auto alinhado com porta de si-poli. Porta de Al não permite S/D auto-alinhado. Não suporta recozimento pos-ímplantação de 900-1000 ºC.

Silicetos Resistividade mais baixo que o Si-poli TiSi2, WSi2 e CoSi2 mais comumente usado.

Salicide TiSi2 e CoSi2 Salicide: self-aligned silicide Sputtering de Ar remove óxido nativo Deposição de Ti ou Co Processo de recozimento para formar o siliceto Ti ou Co não reage com SiO2. O siliceto é formado onde o silício tem contato com Ti ou Co Remoção de Ti ou Co não reagido Segundo recozimento opcional para aumentar a condutividade

Formação de Siliceto de Titânio Auto-Alinhado Deposição de Ti Recozimento para Silicetação Remoção de Ti

Siliceto de Tungstênio Processo CVD WF6 como precursor de tungstênio SiH4 como precursor de silício.

Alumínio Metal mais comumente usado Quarto metal de melhor condutividade Prata 1.6 -cm Cobre 1.7 -cm Ouro 2.2 -cm Alumínio 2.7 -cm Foi usado como material de porta até meio de 70.

Liga Alumínio-Silício (Al-Si) Al faz contato direto com Si em fonte/dreno (S/D) Si dissolve no Al e Al difunde no Si.

Junction Spike Spike de Al perfura a junção dopada Curto de S/D com o substrato.

Solução para Junction Spike  1% de Si em Al satura o filme Recozimento térmico a 400 ºC forma a liga Si-Al na interface silício-alumínio. Uso de barreira para prevenir que Al remova Si do siliceto ou do substrato. Uma barreira típica é  30 nm.

Exemplo de Junction Spike Interpenetração de Al/Si. Al deposição por e-beam. Recozimento em H2 a 450 ºC por 30 minutos e alumínio removido. SEM da região central do contado. (a) contato típico que foi recoberta com Al. Observa-se partículas recristalizadas de Si dispersas aleatóriamente sobre o wafer. Em (b) e © pequenas estruturas e precipitados de Si.

Eletromigração 1 Alumínio é um material policristalino Muitos grãos mono-cristalinos Corrente flui através da linha de Al Eletrons bombardeiam constantemente os grãos Grãos menores iniciam a se mover O efeito é chamado de eletromigração.

Processo de Eletromigração Eletromigração pode causar sérios problemas para linhas de alumínio.

Eletromigração 2 Eletromigração divide a linha de metal em partes A alta densidade de corrente que permanece na linha: Agrava o bombardeamento de eletrons Causa migrações adicionais de grãos de Al Por fim pode quebrar a linha metálica. Afeta a confiabilidade do chip de CI.

Exemplo de Eletromigração SEM de falhas de eletromigração nas linhas de Al. Liga Al-Cu(0.5%) depositado por magnetron sputering (a) e por evaporação (b).

Eletromigração - Prevenção Alguns % de Cu no Al, melhora a resistência a eletromigração do Al Cu atua como aderente dos grãos de Al e previne da migração devida ao bombardeamento de eletrons É usado a liga Al-Si-Cu Al-Cu(0.5%) é bastante comum. Uso de camadas shunt (Ti, TiN, TiW). para prover shunting elétrico e para melhorar a estrutura de Al.

Hillocks e Voids Hillocks e buracos (voids) são formados por causa do estresse e difusão nos filmes de Al. Aquecimento é realizado sob Al em compressão  causa hillocks. O aquecimento gera no Al um estresse altamente compressivo, devido a tendência do Al de se expandir mais do que o Si. Para aliviar o stress, a porção do Al espremido, forma pequenas colinas (hills) ou hillocks. O resfriamento é realizado sob o Al em estado tensivo  forma buracos. O Al procura encolher-se mais do que o Si. O hillock formado não é reversível. Si é mais rígido que o Al. O stress é aliviado pelo movimento de vacâncias e aglomeração no Al, formando os buracos.

Propriedades Mecânicas de Materiais de Interconexão Material Thermal Expansion Coefficient (C-1 ) Elastic Modulus, Y/(1-) (MPa) Hardness (kg-mm-2) Melting Point (C) Al (111) Ti TiAl3 Si (100) Si (111) SiO2 23.1 x 10-6 8.41 x 10-6 12.3 x 10-6 2.6 x 10-6 0.55 x 10-6 1.143 x 105 1.699 x 105 - 1.805 x 105 2.290 x 105 0.83 x 105 19-22 81-143 660-750 660 1660 1340 1417 1700

Formação de hillocks A formação de hillocks pode causar: Curto entre níveis de interconexão; Topografia da superfície rugosa. Dificulta litografia e etching.

Eletromigração vs. Hillocks e Voids Adição de alguns at% de Cu estabiliza contornos de grãos e minimiza a formação de hillocks. A eletromigração também pode causar hillocks e voids na interconexão de alumínio. Pode causar hillocks e voids e levar a um curto ou abrir circuitos.

Eletromigração vs. Hillocks e Voids 2 Os eletrons podem transferir quantidade suficiente de momentum para o Al e causar a sua difusão. A difusão é mais rápida nos contornos de grãos, causando o acúmulo de Al em algumas regiões, resultando em hillocks, e depleção em outras regiões, levando a formação de buracos. Hillock e voids formados por eletromigração.

Como a maioria dos átomos de Al e vacâncias difunde pelos contornos de grãos, a eletromigração é fortemente dependente da estrutura do grão, incluindo o tamanho e a orientação cristalográfica, além das camadas de cima e de baixo do Al, e da história de processamento da interconexão. Solução : Adicionar Cu (0.5-4 wt%) pode inibir a eletromigração. Acredita-se que o Cu inibe a difusão pelos contornos de grãos. Contudo Cu em excesso pode causar problemas com etching e corrosão da interconexão. Máximo 4 wt%. Razão pela qual o Al é normalmente depositado com 1-2 wt% de Si e 0.5-4 wt% de Cu. A adição desses elementos aumenta a resistividade de folha da interconexão de aproximadamente 35%.

Eletromigração de Contato Cobertura de degrau pobre do Al pode causar alta densidade de corrente e aquecimento Joule. contato plug Al/W causa buraco no canto da interface Al/plug. vários caminhos de corrente oferecem diferentes resistências e a corrente tende a tomar o caminho menos resistivo, isto é, canto interno. As corrente concentram no canto interno do plug e linha de Al adjacente. (d) com a camada de TiN, a concentração de corrente no canto interno pode ser reduzido, devido a alta resistência do TiN auxiliar na distribuição da corrente para maior área da linha de Al.

Deposição da Liga de Al PVD CVD Sputtering Evaporação térmico e-beam Hidreto dimetilalumínio [DMAH, Al(CH3)2H] Processo térmico

PVD vs. CVD 1 CVD: reação química sobre a superfície PVD: não há reação química sobre a superfície. CVD: melhor cobertura de degrau (50% a  100%) e capacidade de preenchimento de gaps e vias PVD: cobertura de degrau pobre ( 15%) e capacidade de preenchimento de gaps e vias.

PVD vs. CVD 2 PVD: melhor qualidade, filme depositado mais puro, condutividade mais alta, fácil para depositar ligas. CVD: sempre contém impurezas no filme, condutividade mais baixa, difícil para depositar ligas.

Titânio Aplicações Formação de silicetos Camadas de adesão, contatos e vias (precisa de barreira TiN). Boa adesão a outros materiais, habilidade para redução de óxidos nativos e boa propriedade elétrica de contato. Deposição por PVD. Magnetron sputering mais usual. Ou por sputering colimado ou ionizado para boa cobertura de contato ou fundos de vias. Nitretação de titânio.

Aplicações do Titânio

Aplicações do Nitreto de Titânio Camada de barreira Previne difusão de tungstênio Camada de adesão Auxilia na adesão do tungstênio sobre a superfície do óxido de silício Cobertura anti-reflexão (ARC) Reduz reflexão e melhora resolução da fotoligrafia no processo com metais Previne hillock e controla eletromigração Interconexão local: dimensões curtas. Deposição por PVD e CVD.

Deposição do TiN Deposição sobre Ti que possui melhor propriedade de contato e de adesão. Deposição por PVD sputtering usando gás reativo (N2).

Nitreto de Titânio PVD Camada de barreira, adesão e ARC Sputtering reativo de alvo de Ti com Ar e N2 Moléculas de N2 dissocia no plasma Radicais livres de nitrogênio (N) N reage com Ti e forma camada de TiN sobre a superfície de Ti Ions de Ar sputter TiN e deposita sobre a superfície do wafer.

Nitreto de Titânio CVD Camada de barreira e adesão Melhor cobertura de degrau do que PVD Processo organo-metálico (MOCVD)  350 ºC Tetrakis-dimethyamino Titanium (TDMAT), Ti[N(CH3)2]4 Tetrakis-diethyamino Titanium (TDEAT). Aplicação em vias.

Nitretação de Titânio Titânio PVD Nitretação da superfície de titânio com Nitrogênio ou Amônia Processo térmico rápido (RTP) a T > 600 ºC. Frequentemente feito juntamente com a formação de siliceto. Forma TiSi2 na camada mais inferior, Ti na camada do meio e o TiN no topo de Ti.

Nitretação de Titânio 2 NH3 + Ti  TiN + 3/2 H2

Ligas de Ti-W Material de barreira para contatos e camadas ARC em interconexões. TiN é mais usado atualmente. Melhor qualidade do filme e propriedades de barreira. Deposição por PVD, magnetron sputtering a partir de alvo 10% wt Ti – 90% wt W em ambiente de Ar/N2. Resistividade, estresse, composição e propriedades de barreira dependem das condições de deposição (pressão, temperatura e taxa Ar/N2).

Tungstênio Plug de metal em contato e vias Aberturas para contato tornam menores e estreitos Liga de Al PVD: cobertura de degrau pobre e com buracos W CVD: excelente cobertura de degrau e prenchimento de vias Resistividade alta: 8.0 a 12 -cm comparada a liga de Al PVD (2.9 a 3.3 -cm) Usado somente para plugs e interconexão local.

Evolução dos Processos de Contatos Abertura de contato largo em tap, preenchimento metal PVD. Abertura de contato estreito, buraco com preenchimento metal PVD. Abertura de contato estreito, W CVD para plug de tungstênio.

Tungstênio CVD WF6 como precursor de tungstênio Reage com SiH4 para formar camada de nucleação Reage com H2 para deposição bulk de tungstênio Precisa de camada de TiN para adesão sobre óxido de silício.

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

Cobre Baixa resistividade (1.7 -cm) baixo consumo de potência e velocidade mais alta do CI Alta resistência a eletromigração melhor confiabilidade Aderência pobre com óxido de silício Alta difusão  contaminação de metal pesado Corrosão a sêco bastante difícil Cobre-halogênio apresenta baixa volatilidade.

Deposição de Cobre Camada semente (seed layer) de PVD Camada bulk, ECP (electrochemical plating) ou CVD Recozimento térmico após deposição bulk de cobre: aumenta o tamanho de grãos melhora a condutividade.

Tântalo Camada de barreira Prevenir difusão de cobre Deposição por sputtering.

Cobalto Usado principalmente para siliceto de cobalto (CoSi2) Normalmente depositado por sputtering.

Siliceto de Cobalto Tamanho de grãos do siliceto de titânio (TiSi2):  0.2 m Não pode ser usado para porta de 0.18m CoSi2 substitui o TiSi2 em tecnologias futuras Resistividade: 13 -cm Processo salicide.

Siliceto de Cobalto - Processo Limpeza pré-deposição por sputtering de Ar Deposição de Co por sputtering Primeira etapa de recozimento por RTP a 600 ºC Co + Si  CoSi Remoção do Co não reagido Segunda etapa de RTP a 700 ºC Co + Si  CoSi2

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

Referências : 1. S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the VLSI Era, Vol.1 – Process Technology, Lattice Press, 1986. 2. J. D. Plummer, M. D. Deal and P. B. Griffin; Silicon VLSI Technology – Fundamentals, Practice and Modeling, Prentice Hall, 2000. 3. S. A. Campbell; The Science and Engineering of Microelectronic Fabrication, Oxford University Press, 1996. 4. S. M. Sze; VLSI Technology, McGraw-Hill, 1988.