IE726 – Processos de Filmes Finos

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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 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 Excelente cobertura de degrau;
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 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 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

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

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

53 Degaseificação 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.

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

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

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

57 Sputtering Colimado 2

58 Sistema de Plasma para Metal
Deposição de Ti, TiN, Ta e TaN 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) Melhora cobertura do fundo do degrau Reduz resistência de contato.

59 Plasma de Metal Ionizado

60 PVD de Nitreto de Titânio
Processo de sputtering reativo Ar e N2 Moléculas de N2 dissociam no plasma 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.

61 Três Aplicações do TiN

62 PVD de Al-Cu 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 Normalmente, deposição a  200 ºC Tamanho de grãos pequenos, fácil para etch Recozimento do metal, forma grãos de tamanhos grandes abaixa resistividade alto EMR (resistência a eletromigração).

63 PVD de Al-Cu 2 Processo de alumínio quente
Preenchimento de contatos/vias, reduz resistência de contato Etapas de processo: Deposição de Ti 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).

64 Metalização de Cobre

65 Cobre 1 Melhor condutor do que o alumínio
Resistividade do Cu = 1.8 a 1.9 -cm Resistividade do Al = 2.9 a 3.3 -cm Pode reduzir significativamente a resistência de interconexão 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. Portanto, a metalização de Cu é mais desejável do que o Al para algumas aplicações.

66 Cobre 2 Contudo, a taxa de difusão do cobre é alta em Si e SiO2, causando a contaminação de metais pesados.  requer camada de barreira de difusão Difícil corrosão a sêco, não há gases compostos químicos simples

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

68 Deposição de Cobre Deposição do cobre por ECP ou CVD

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

70 CVD de Cobre Bis-hexafluoracetil-acetonato de cobre, Cu(hfac)2 : precursor mais usado. Cu(hfac)2 + H2  Cu + 2 H(hfac) 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 Muito alto para dielétrico polimérico de baixo .

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

72 CVD de Cobre 2 Composto organometálico Cu(hfac)(tmvs): C10H13CuF6O2Si
2 Cu(hfac)(tmvs)  Cu + Cu(hfac)2 + 2 tmvs Processo térmico  175 ºC, 1 a 3 Torr Boa qualidade, baixa resistividade, excelente cobertura de degrau e capacidade de preenchimento de gaps e vias.

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

74 CVD de Cobre 3 Processo Cu(hfac)(tmvs) é o processo CVD de cobre mais promissor 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.

75 CVD 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.

76 CVD de Cobre 5 Cu difunde no SiO2 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 é vulnerável a corrosão; Para prevenir da corrosão e difusão de Cu no Si, é necessário camada de barreira Ta ou TaN.

77 Segurança 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. WF6 é corrosivo; SiH4 é pirofórico, explosivo e tóxico; H2 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 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.

79 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.