Capítulo 3 – Técnicas de Deposição: Pt1 - CVD

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1 Capítulo 3 – Técnicas de Deposição: Pt1 - CVD
Chemical Vapor Deposition IE726 – Processos de Filmes Finos Capítulo 3 – Técnicas de Deposição: Pt1 - CVD Ioshiaki Doi FEEC/UNICAMP

2 Chemical Vapor Deposition
1. Introdução Diversos filmes de variados materiais são depositados durante a fabricação de um CI Nitretos e si-poli Dielétrico para isolação de dispositivos Alguns filmes são usados temporariamente como camada de máscara, enquanto que outros filmes tornam partes do circuito sendo fabricado.

3 Tipos de Filmes Finos e Aplicações:
Chemical Vapor Deposition Tipos de Filmes Finos e Aplicações: Podem ser condutores, semicondutores ou isolantes Conexão das regiões ativas dos dispositivos. Comunicação entre os dispositivos. Acesso externo aos circuitos. Isolação entre as camadas condutoras. como fonte de dopante e como barreira para dopagem. para proteger as superfícies do ambiente externo.

4 Métodos Principais de Deposição:
Chemical Vapor Deposition Métodos Principais de Deposição: Chemical Vapor Deposition (CVD) formação de um filme sólido sobre um substrato pela reação de espécies químicas em fase vapor. Physical Vapor Deposition (PVD) usa método físico (evaporação ou sputtering) para produzir átomos que passam pela fase gasosa e depois condensada sobre a superfície do substrato.

5 Parâmetros de Qualidade dos Filmes:
Chemical Vapor Deposition Parâmetros de Qualidade dos Filmes: a) – alta pureza e densidade; b) – composição e estequiometria controladas; c) – boa uniformidade em espessura e reprodutibilidade; ao longo do wafer e de wafer-para-wafer d) – alto nível de perfeição estrutural; e) – boas propriedades elétricas; f) – boas propriedades mecânicas; stress e aderência g) – boa cobertura de degraus (conforme);

6 Parâmetros de Qualidade dos Filmes:
Chemical Vapor Deposition Parâmetros de Qualidade dos Filmes: h) – baixa densidade de defeitos(imperfeições, pinholes, etc.); i) – baixa contaminação por partículas, e j) – bom preenchimento de espaços (sem buracos e com cobertura nos fundos dos poços).

7 Requisitos Necessários para a Técnica de Deposição:
Chemical Vapor Deposition Requisitos Necessários para a Técnica de Deposição: Além dos itens mencionados para os filmes requer processo econômico: alta taxa de produção; seguro, automatizável e barato. A técnica CVD atende vários dos requisitos citados, com vantagens sobre outras técnicas.

8 Exemplos de Problemas de Qualidade
Chemical Vapor Deposition Exemplos de Problemas de Qualidade Problemas de cobertura de degraus Alta resistência elétrica Aumento da probabilidade de falha mecânica.

9 Exemplos de Problemas de Qualidade
Chemical Vapor Deposition Exemplos de Problemas de Qualidade Problemas de cobertura de degraus Camadas TiW/Al/TiW sobre óxido Formado por sputtering

10 Exemplos de Problemas de Qualidade
Chemical Vapor Deposition Exemplos de Problemas de Qualidade Problemas de preenchimento

11 Exemplos de Problemas de Qualidade
Chemical Vapor Deposition Exemplos de Problemas de Qualidade Voids Alta resistência de contato ou de folha (metal) Trincas ou rachaduras (dielétricos) Confiabilidade (aprisionamento de contaminantes e humidade) Cobertura de fundo do degrau Necessário para contato ou camada de barreira adesão

12 Exemplos de Problemas de Qualidade
Chemical Vapor Deposition Exemplos de Problemas de Qualidade Problemas de Preenchimento Buracos em óxido CVD

13 Razão de Aspecto = AR = h/R
Chemical Vapor Deposition Razão de Aspecto: A Razão de Aspecto (AR) da estrutura afeta o preenchimento e a cobertura de fundo do degrau. A razão de aspecto é simplesmente a relação entre a altura (h) e largura (w) da estrutura. Razão de Aspecto = AR = h/R

14 2. Deposição Química a Partir de Fase Vapor (CVD)
Chemical Vapor Deposition 2. Deposição Química a Partir de Fase Vapor (CVD) Método mais comum de deposição de filmes finos, utilizados atualmente na fabricação de CIs. Deposição de filmes finos isolantes (dielétricos), condutores e semicondutores.

15 Filmes que podem ser depositados por CVD:
Chemical Vapor Deposition Filmes que podem ser depositados por CVD: silício policristalino (Si-poli) óxido de silício (SiO2) nitreto de silício (Si3N4, SiN) metais (Al, W, Ti, etc.) silicetos (WSi2, TiSi2, MoSi2, TaSi2)

16 Conceitos Básicos de CVD
Chemical Vapor Deposition Conceitos Básicos de CVD CVD: reações químicas que transformam moléculas gasosas chamada precursor, em material sólido na forma de filmes, sobre o substrato CVD: formação de um filme sólido sobre um substrato pela reação de espécies químicas em fase vapor.

17 Tipos de CVD mais comuns:
Chemical Vapor Deposition Tipos de CVD mais comuns: APCVD: Atmospheric pressure CVD LPCVD: Low pressure CVD PECVD: Plasma enhanced CVD HDP-CVD: High Density Plasma CVD Independente do tipo, todos os sistemas CVD usam gases que decompõem quando aquecidos e reagem sobre a superfície para produzir o filme. Ocasionalmente usa-se fonte líquida, borbulhando através de um gás portador, por exemplo, H2. N2 ou H2 é usado com frequência como diluente ou gás portador. É importante que a reação ocorra na superfície; reações na fase gasosa podem causar queda de particulados sobre o wafer ou causar deposição de filmes de baixa densidade.

18 Etapas envolvidas no processo CVD:
Chemical Vapor Deposition Etapas envolvidas no processo CVD: 1) – introdução na câmara de gases reagentes e diluentes a dada composição e fluxo; 2) – transporte de espécies reativas até o substrato; 3) – adsorção de espécies reativas na superfície do substrato; 4) – migração de espécies na superfície e reações químicas de formação do filme; 5) – dessorção de subprodutos da reação; 6) – transporte dos subprodutos da reação para a região de fluxo principal; e 7) – remoção dos subprodutos gasosos da reação e gases não consumidos no processo, da câmara de reação.

19 Cinética do Processo CVD
Chemical Vapor Deposition Cinética do Processo CVD Etapas 2-5 são mais importantes para a determinação geral da taxa de deposição. F1 = fluxo de difusão de espécies reagentes para o wafer Fluxo de transferência de massa (etapa 2). F2 = fluxo de reagentes consumidos pela superfície Fluxo de reação de superfície (etapas 3-5).

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F1 = hG(CG – CS) Onde, hG é o coeficiente de transferência de massa em (cm/s). Depende do fluxo na câmara. (CG – CS) é a diferença de concentração de espécies reagentes entre o fluxo de gás principal e superfície do wafer em (moléculas/cm3). F2 = kSCS Onde kS é a taxa de reação de superfície em (cm/s).

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Modelo mais simples para descrever o processo, assume que o fluxo de espécies reagentes que atravessam a camada de “boundary layer” são iguais ao fluxo de reagentes consumido pela superfície de crescimento. O fluxo de sub-produtos desorvidos é desprezado no modelo. Logo, F = F1 = F2  Na condição de deposição em estado estacionário  processo geral procede na taxa de processo mais lento.  CS = CG (1 + kS/hG)-1

22 Logo, a taxa de deposição do filme é dado por:
Chemical Vapor Deposition Logo, a taxa de deposição do filme é dado por: v é a taxa de deposição em cm/s N é o número de átomos por unidade de volume incorporados no filme em cm-3. (No caso do Si, densidade do Si, 5 x 1022 cm-3, dividido pelo número de átomos de silício incorporados no filme).  A taxa de deposição é proporcional a fração molar das espécies reativas na fase gasosa.

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Definindo Y como fração de moles de espécies em incorporação na fase gasosa: CT é a concentração de todas as moléculas na fase gasosa. Exemplo: deposição de Si SiCl4(g) + 2H2(g)  Si(s) + 4HCl(g) Espécies em incorporação: Si CG: no de moléculas de SiCl4 por cm3 CT: no total de moléculas de SiCl4 e H2

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Y é também igual a relação entre a pressão parcial das espécies em incorporação e a pressão total no sistema: PG : pressão parcial de SiCl4 PG1: pressão parcial de H2 Se usar gás portador (N2, Ar), também devem ser considerados.

25 A equação para a velocidade de deposição fica assim:
Chemical Vapor Deposition A equação para a velocidade de deposição fica assim: A velocidade de deposição é determinado pelo menor de ks ou hG.

26 Temos portanto, 2 casos limites:
Chemical Vapor Deposition Temos portanto, 2 casos limites: Se kS << hG  Cs = Cg  processo controlado por reação de superfície.  Se hg  ks  Cs  0  processo controlado por transferência de massa ou difusão da fase gasosa. Transferência de massa relativamente rápida enquanto a reação de superfície é lenta. Reação de superfície bastante rápida em comparação a transferência de massa.

27 Experimentalmente as constantes de taxa são dadas por:
Chemical Vapor Deposition Experimentalmente as constantes de taxa são dadas por: O termo de superfície (kS) é Arrhenius com Ea dependendo da reação (=1.6 eV para deposição de Si mono-crystalino). hG  constante (difusão através do boundary layer). A faixa de temperaturas para diferentes regimes depende de vários fatores: gases, pressão, energia de ativação da reação, configuração dos wafers, condições de fluxos no reator, etc.

28 Tipos de Reações Químicas ou Processos :
Chemical Vapor Deposition Tipos de Reações Químicas ou Processos : Reação homogênea – reação na fase vapor (Processos de Fase Vapor). Produz particulas  resulta em filmes de pouca aderência, baixa densidade e alta concentração de defeitos. Reação heterogênea – reação na superfície ou próxima dela. Processo desejável (Processos de Superfície). térmica fótons e elétrons. Energia para propiciar a reação:

29 Processos de formação dos filmes:
Chemical Vapor Deposition Processos de formação dos filmes: Nucleação Formação de Ilhas Crescimento das ilhas Coalescência Formação de filme contínuo

30 Reação na Superfície – Taxa de Reação Química
Chemical Vapor Deposition Estrutura dos Filmes tamanho dos grãos – depende das condições de deposição e dos tratamentos térmicos posteriores. Grãos maiores – temperaturas maiores de processamento e filmes mais espessos. rugosidade está relacionada com o tamanho dos grãos. Reação na Superfície – Taxa de Reação Química CR = A exp(-Ea/kT) onde: CR é a taxa de reação, A é uma constante, Ea é a energia de ativação em eV, k é a constante de Boltzman e T é a temperatura do substrato em K.

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Processo CVD: A taxa de deposição (DR) está relacionada com a taxa de reação química (CR), taxa de difusão do precursor no “boundary layer” e taxa de adsorção do precursor sobre a superfície. Temperaturas baixas  somente poucas moléculas possuem energia suficiente para iniciar a reação.

32 Regimes de Deposição Há 3 regimes:
Chemical Vapor Deposition Regimes de Deposição Há 3 regimes: - Baixas temperaturas – a taxa de reação química é baixa e a taxa de deposição bastante sensível a temperatura.  regime limitado por reação de superfície. - temperaturas altas – deposição bem menos sensível à temperatura.  regime limitado por transporte de massa. - Se aumentarmos mais a temperatura, a taxa decresce rapidamente devida a nucleação na fase gasosa.  processo indesejável.

33 Regime limitado por reação:
Chemical Vapor Deposition Regime limitado por reação: Taxa de deposição bastante sensível a temperatura porque é determinado principalmente pela taxa de reação química. Requer boa uniformidade de temperatura sobre o substrato.

34 Regime limitado por transporte de massa:
Chemical Vapor Deposition Regime limitado por transporte de massa: A taxa de reação química é suficientemente alta e os precursores reagem imediatamente quando adsorvidos sobre a superfície do substrato. Taxa de deposição não depende da taxa de reação de superfície, mas pela rapidez com que os precursores podem difundir através do “boundary layer” e adsorvido sobre a superfície. Requer boa uniformidade de fluxo e de densidade de espécies sobre as lâminas.

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Difusão através do “boundary layer” na suferfície do substrato. Ao alcançar determinada temperatura, a taxa de reação torna-se controlada por taxa de reagentes que chegam a superfície do substrato.

36 Dinâmica dos Fluidos no Reator
Chemical Vapor Deposition Dinâmica dos Fluidos no Reator Comportamento da Velocidade dos fluídos Velocidade do fluído na superfície do reator é zero. Aumenta a medida que se distancia da parede. Há uma certa distância da entrada do gás, apresenta um perfil parabólico. Perfil de velocidade – reator tubular

37 Concentração dos gases reagentes
Chemical Vapor Deposition Concentração dos gases reagentes Concentração dos reagentes num reator de paredes frias. Zero na superfície do susceptor e aumenta rapidamente com distância da superfície. Concentração dos reagentes num reator de paredes quentes.

38 Chemical Vapor Deposition
Perfil de temperatura Reator de paredes quentes: na entrada somente os gases próximos a parede são aquecidas. Pouco adiante, gases próximos do centro são aquecidos. Se o reator for longo, em algum ponto o gás e aquecido uniformente. Reator de paredes frias : a temperatura do gás é mais alto na superfície do susceptor e decresce rapidamente para um valor constante, a uma certa distância da superfície.

39 3. Tipos de Reatores Placas Parelelas Plasma Remoto, ECR, outros
Chemical Vapor Deposition 3. Tipos de Reatores Placas Parelelas Plasma Remoto, ECR, outros Paredes Quentes Paredes Frias Assistido por Plasma Isotérmico com Fluxo Vertical Movimentação Contínua Epitaxial Pressão Atmosférica Baixa Pressão

40 Reatores CVD de Pressão Atmosférica - APCVD
Chemical Vapor Deposition Reatores CVD de Pressão Atmosférica - APCVD Características: operam normalmente na condição de taxa limitada por transferência de espécies  fluxo deve ser idêntico sobre todas as lâminas  pode processar poucas lâminas por vez.

41 Vantagens e Desvantagens
Chemical Vapor Deposition Vantagens e Desvantagens Vantagens: Estrutura do reator bastante simples; Alta taxa de deposição. Desvantagens: pode processar poucas lâminas por vez; cobertura de degrau pobre; é susceptível à reações em fase gasosa (reação homogênea)  causa particulados e filme pouco denso; necessita de limpeza frequente. É usado para deposição de SiO2 (dopado e não dopado) em baixa temperatura ( 400 C).

42 Reatores APCVD: a) horizontal (tubo de parede quente)
Chemical Vapor Deposition Reatores APCVD: a) horizontal (tubo de parede quente)

43 b) sistema de movimento contínuo com injeção de gás e
Chemical Vapor Deposition Reatores APCVD: b) sistema de movimento contínuo com injeção de gás e (c) APCVD de movimento contínuo tipo plenum.

44 Chemical Vapor Deposition
Reator Epitaxial ou reator vertical tipo Bell-Jar ou Pancake aquecido por indução.

45 Exemplo: Deposição Epitaxial do Si (a pressão total de 1 atm)
Chemical Vapor Deposition Exemplo: Deposição Epitaxial do Si (a pressão total de 1 atm) Ea  mesmo valor e hG  constante. Taxa é aproximadamente proporcional a (mol.wt.)1/2. Deposição limitado por kS  bastante sensível a temperatura. Deposição limitado por hG  bastante sensível a geometria (camada limite).

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Efeito Geométrico Deposição epi do Si: feito a alto T, para obter crescimento de mono cristal de alta qualidade.  controlado por hG .  configuração do reator horizontal. hG corresponde a difusão através de boundary layer de espessura S.

47  Geometria especial é requerida para deposição uniforme.
Chemical Vapor Deposition Mas S não é constante a medida que o gás flui ao longo da superfície.  Geometria especial é requerida para deposição uniforme. Inclinando o suceptor aumenta a velocidade do gás que auxilia manter o S constante.

48 Reatores CVD de Baixa Pressão - LPCVD
Chemical Vapor Deposition Reatores CVD de Baixa Pressão - LPCVD Problemas dos sistemas APCVD: Se operar a altas temperaturas, deve usar configuração horizontal (poucas lâminas por vez). Se operar a temperaturas baixas, a taxa de deposição diminui bastante e o rendimento torna-se muito baixo.

49 Chemical Vapor Deposition
Solução: Operar a baixa pressão, no regime limitado por transferência de massas. mas, DG   760 vezes a 1 torr, enquanto S aumenta cerca de 7 vezes.  hG aumenta aproximadamente de 100 vezes. Transporte de reagentes da fase gasosa para superfície através de boundary layer não é mais limitante da taxa.

50 Chemical Vapor Deposition
O processo é mais sensível a T, mas pode usar sistema de parede quente, para bom controle da temperatura e pode empilhar lâminas.

51 Características do Sistema:
Chemical Vapor Deposition Pressão Reduzida(0.25 – 2.0 Torr)  aumenta difusibilidade das espécies (103 vezes). Processo  opera em taxa limitado por reação. Características do Sistema: menos reação na fase gasosa  menor geração de partículas; boa uniformidade; boa cobertura de degraus; baixa taxa de deposição (10 – 50 nm/min.); não requer uniformidade de fluxo, mas sim de temperatura  pode se utilizar um forno convencional  pode processar muitas lâminas por vez (até  200); usado para deposição de: Si-poli, Si3N4, SiO2, PSG, BPSG, W, etc.

52 Reator LPCVD horizontal de parede quente.
Chemical Vapor Deposition Reator LPCVD horizontal de parede quente. O reator deste tipo permite processar grande quantidade ( 200) de lâminas por fornada.

53 Reator LPCVD do tipo vertical isotérmico.
Chemical Vapor Deposition Reator LPCVD do tipo vertical isotérmico.

54 Reatores CVD Assistida por Plasma - PECVD
Chemical Vapor Deposition Reatores CVD Assistida por Plasma - PECVD Características : operam em regime de taxa limitada por reação; taxa de deposição mais elevada que o LPCVD; operam em temperatura mais baixa que nos processos APCVD e LPCVD  permite depositar filmes de SiO2 e Si3N4 sobre metais de baixo ponto de fusão.  importante quando já existe Al na lâmina; boa adesão e boa cobertura de degraus, devido à maior mobilidade superficial das espécies adsorvidas; filmes não são estequiométricos; há incorporação de subprodutos de reação, especialmente hidrogênio, oxigênio e nitrogênio. Pode resultar em degaseificação, formação de bolhas e quebras do filme durante etapas posteriores; é um processo mais complexo, com mais parâmetros; pode depositar SiO2, Si3N4, oxinitretos, SiC, a-Si, etc.; PECVD a temperatura mais elevada permite crescer epi: Si, Ge e III-V.

55 Chemical Vapor Deposition
Plasma? Energia não térmica para melhorar o processo a temperaturas baixas. Plasma consiste de eletrons, moléculas ionizadas, moléculas neutras, fragmentos de moléculas neutras e ionizadas, moléculas excitadas e radicais livres. Radicais livres são espécies eletricamente neutras que possuem ligações incompletas e são extremamente reativas (exemplos: SiO, SiH3, F). Processos de superfície e a deposição ocorrem a temperaturas mais baixas que em sistemas non-plasma, como resultado desta fragmentação e bombardeio de radicais livres e ions.

56 (a) Reator de Fluxo Radial (Placas Paralelas) + baixa temperatura;
Chemical Vapor Deposition (a) (a) Reator de Fluxo Radial (Placas Paralelas) + baixa temperatura; capacidade limitada; manual; podem cair partículas sobre o filme/substrato.

57 (b) Reator Horizontal de Parede Quente
Chemical Vapor Deposition (b) (b) Reator Horizontal de Parede Quente + lâminas em pé e paralelo ao fluxo; + alta capacidade; + baixa temperatura; manual; Geração de particulas durante a carga.

58 (c) Reator Planar de Parede Fria para Substrato Único
Chemical Vapor Deposition (c) (c) Reator Planar de Parede Fria para Substrato Único

59 Reatores CVD com Plasma Remoto – RPECVD
Chemical Vapor Deposition Reatores CVD com Plasma Remoto – RPECVD (remote, indirect ou downstream PECVD) A câmara onde o plasma é gerado está separada da câmara de reação onde se encontram os substratos.  os substratos não ficam expostos diretamente à radiação do plasma e portanto não são bombardeados pelos íons de alta energia. Reator ECR. Neste tipo de reator o plasma é gerado por um campo elétrico com frequência de microondas em um campo magnético que provoca a ressonância ciclotrônica do elétron. Plasma 100 vezes mais denso em espécies reativas.

60 Características e Aplicações de Reatores CVD
Chemical Vapor Deposition Características e Aplicações de Reatores CVD Processos Vantagens Desvantagens Aplicações APCVD Simples Alta taxa de deposição Baixa temperatura Cobertura de degraus ruins Contaminação por partículas Óxidos de baixa temperatura, dopados ou não LPCVD Excelente uniformidade e pureza Processamento de muitas lâminas por vez ( até 200) Alta temperatura Baixa taxa de deposição Óxidos de alta temperatura, dopados ou não, nitreto de silício, polisilício, W e WSi. PECVD Boa cobertura de degrau Contaminação química, como H2 e por particulados Deposição de dielétricos sobre metais em baixa temperatura e nitreto de silício RPECVD Mesmas que PECVD sem a radiação do substrato pelo plasma Mesmas que PECVD e dielétricos de porta em estruturas MOS ECR Alta qualidade dos filmes depositados Alto custo do equipamento Mesmas que RPECVD

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