Capítulo 12 Deposição de Filmes Finos por PVD – Pt I Physical Vapor Deposition Ioshiaki Doi...
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Capítulo 12 Capítulo 12 Deposição de Filmes Finos Deposição de Filmes Finos
por PVD – Pt Ipor PVD – Pt I
Physical Vapor Deposition
Ioshiaki DoiIoshiaki DoiFEEC/UNICAMPFEEC/UNICAMP
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• Comparação entre os Processos CVD e PVD
Capítulo 12 - Deposição de Filmes Capítulo 12 - Deposição de Filmes Finos por PVD – Pt IFinos por PVD – Pt I
Physical Vapor Deposition
• CVD: usa gases or precursores em estado vapor e o filme depositado a partir de reações químicas sobre superfície do substrato.
• PVD: vaporiza o material sólido por calor ou sputtering e recondensa o vapor sobre a superfície do substrato para formar o filme fino sólido.
CVD PVD
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•Filmes Finos Metálicos são utilizados para:
- Interconexão dos diversos dispositivos
- Alimentação dos dispositivos com tensões
• Filmes CVD: melhor cobertura de degrau.
• Filmes PVD: melhor qualidade, baixa concentração de impurezas e baixa resistividade
Physical Vapor Deposition
• Processos PVD : empregados em processos de metalização na manufactura de CIs.
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•Metal mais empregado:Metal mais empregado:
Physical Vapor Deposition
•Alumínio para CIs de Silício
- Baixa resitividade
(Al – 2.65-cm, Ag – 1.6 -cm,
Cu – 1.7 -cm e Au- 2.2 -cm).
- Boa estabilidade e aderência sobre o SiO2 e Si
Porém, o Alumínio apresenta baixo ponto de fusão (660C). Limita as etapas térmicas após a deposição do Al.
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•Problemas do AlProblemas do Al
Physical Vapor Deposition
a) Junction spiking
• Na região de S/D onde a linha metálica de Al faz contacto direto com Si, o Si pode dissolver em Al. o Al difunde no Si formando spikes de Al (junction spiking), põe em curto S/D com o substrato e danificar o dispositivo.
Efeito junction spiking
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b) Eletromigraçãob) Eletromigração
Physical Vapor Deposition
•Al metálico: material policristalino.
Processo de Eletromigração:
• Fluxo de corrente elétrica os eletrons bombardeiam constantemente os grãos os grãos movem como pequenas rochas (eletromigração).
•A eletromigração causa sérios danos na linha de Al. O movimento dos grãos danifica alguns pontos da linha metálica e causa aumento da densidade de corrente na linha remanescente desses pontos. Gera aquecimento elevado e pode romper a linha de metal.
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A eletromigração afeta a confiabilidade do chip de CI pois causa um loop aberto depois de sua aplicação no sistema eletrônico.
Physical Vapor Deposition
Fotos SEM de falhas de eletromigração.
Al-0.5%Cu
a) Depositado por S-gun magnetron
b) evaporado
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•Processo de Deposição: Processo de Deposição:
• Normalmente utiliza-se o processo PVD
a) O material a ser depositado (fonte sólida) é convertido a fase vapor por processo físico.
b) O vapor é transportado da fonte até o substrato através de uma região de baixa pressão.
c) O vapor condensa sobre o substrato para formar o filme fino.
Physical Vapor Deposition
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a) Adição de Calor EVAPORAÇÃO.
b) Pelo desalojamento dos átomos da superfície da fonte através de transferência de momento por bombardeio iônico – SPUTTERING.
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•Conversão para Fase Conversão para Fase GasosaGasosa
• A conversão para a fase gasosa pode ser feita por:
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Physical Vapor Deposition
a) - EVAPORAÇÃO
•MÉTODOS DE DEPOSIÇÃO:MÉTODOS DE DEPOSIÇÃO:
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b) - SPUTTERINGb) - SPUTTERING
Physical Vapor Deposition
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•EvaporaçãoEvaporação
Physical Vapor Deposition
• Taxa de evaporação:
R = 5.83 x 10-2(M/T)1/2Pe [g/(cm2.s)]
onde :
M = massa molar
T = temperatura em graus Kelvin
Pe = pressão de vapor em Torr
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•Pressão de Vapor de MetaisPressão de Vapor de Metais
Pressão de Vapor de Metais comumente depositados por
Evaporação.
Para uma taxa prática: Pe > 10 mTorr
Al T = 1200 K
W T = 3230 K
Physical Vapor Deposition
Pressão de Vapor x Temperatura
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•Evaporação de Al:Evaporação de Al:
a) Taxas são compatíveis (0.5 m/min.) ;
b) Átomos do metal impingem na lâmina com baixa energia
(~ 0.1 eV) sem danos;
c) Uso de alto vácuo baixa incorporação de gases;
d) Aquecimento não intencional deve-se apenas a :
- calor de condensação;
- radiação da fonte.
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•Limitações da Evaporação:Limitações da Evaporação:
Physical Vapor Deposition
a) Difícil controle na evaporação de ligas;
b) Com sputtering é mais fácil melhorar cobertura de degrau;
c) e-beam gera raio X quando os eletrons energéticos incidem sobre o metal alvo causan danos no dispositivo.
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•Uniformidade do Filme: Uniformidade do Filme:
Physical Vapor Deposition
Fonte pontual resultaria num filme uniforme sobre uma esfera.
(, , r ) varia através da superfície do cadinho e do substrato.
Na prática : - fonte não é pontual.
- acima da fonte forma-se uma região viscosa.
uniformidade
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•Solução:Solução:
Sistema planetário girante.
Superf. Esférica: =
Physical Vapor Deposition
•Deposição: taxa uniforme e monitorada com fonte pontual.
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•Cobertura em Cobertura em DegrauDegrau
Physical Vapor Deposition
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•Evaporação: Deposição de Ligas e CompostosEvaporação: Deposição de Ligas e Compostos
Physical Vapor Deposition
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•Métodos de EvaporaçãoMétodos de Evaporação
1) Aquecimento Resistivo :
• Material fonte em uma barquinha metálica suspensa por um filamento de W.
Al funde molha o fio de W evapora.
Physical Vapor Deposition
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•Tipos de Tipos de CadinhosCadinhos
Physical Vapor Deposition
Limitações: - contaminação com impurezas do filamento;
- não permite evaporaração de metais refratários;
- carga pequena espessura limitada;
- não consegue controlar com precisão a espessura do filme e
- difícil controle da composição de ligas.
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Sistema de Evaporação por e-beam. Fonte: arco de 270°,
mais comum.
Physical Vapor Deposition
• 2) Evaporação por feixe de elétrons (e-beam) :2) Evaporação por feixe de elétrons (e-beam) :
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•Características do e-beamCaracterísticas do e-beam
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- é livre de contaminação - aquecimento;
- evapora qualquer material - função da potência e-beam;
- produz raio X recozimento.
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3) Aquecimento Indutivo :
Physical Vapor Deposition
• Vantagens :
- taxa e sem limite na espessura e
- não há raio X.
Desvantagens :
- há contato entre o Al fundido e o cadinho contaminação;
- complexidade do sistema RF e do processo.
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Physical Vapor Deposition
• 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.