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Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 1Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Deposição Química de VaporesChemical Vapour Deposition (CVD)
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 2Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Sumário
CVD ou PVD?
Introdução
Tipos de CVD
Cinética dos processos CVD
– Região Fronteira– Taxa de crescimento
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 3Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
CVD ou PVD?
• Deposição Química de Vapores (CVD): • Nome genérico para um conjunto de processos que envolve a deposição de um material sólido a partir de uma fase gasosa através de uma reacção química.
• Como vimos, na PVD:• O material a depositar provém de uma fase sólida.• Não há reacções químicas.
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
CVD ou PVD?
• Recobrimento de degraus: Os processos de CVD não são direccionais o que permite um melhor recobrimento de degraus que no PVD.
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 5Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
No CVD:• Os gases percursores (por vezes diluídos em gases
transportadores) são conduzidos para os reactores à temperatura ambiente.
•Ao entrarem em contacto com um substrato aquecido decompõem-se.•Dá-se a reacção química na superfície com a formação de um sólido (o filme depositado) e de produtos de reacção gasosos.•A temperatura do substrato é crítica e pode influenciar quais as reacções que ocorrerão.
Introdução
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 6Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Introdução
Constituição dos Sistemas de CVD
1 - Sistema de gases:Fornece os gases percursores para o reactor.
2 – Reactor (câmara de reacção):Contentor onde se dá a reacção e a deposição.
3 – Fonte de Energia para a Reacção:Aquecimento resistivo (p. ex. fornos “de difusão”).Aquecimento radiativo (p. ex. lâmpadas de halogéneo). Aquecimento por radiofrequência/indução.Aquecimento dos gases por plasma de radiofrequência.Aquecimento dos gases por LASER.
4 – Sistema de vácuo/extração:Remove os gases restantes da reacção (gás percursor não utilizado e produtos voláteis de reacção).
5 – Sistema de tratamento de efluentes gasosos:Nos casos em que os gases extraídos da câmara de reacção não podemser libertados para atmosfera sem tratamento prévio.
6 – Equipamento de controlo de processo:Medidores de pressão, de caudal, temperatura, tempo e alarmes de segurança.
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Introdução
Reagentes Percursores
• Devem ser gasosos ou líquidos voláteis
• Devem ser suficientemente estáveis para chegarem ao reactor
• Geralmente é fornecido apenas um elemento por cada gás percursor
Tipos de Gases:
1. Haletos (TiCl4, TaCl5, WF6, etc)
2. Hidretos (SiH4, GeH4, AlH3(N(CH3)3)2, NH3, etc.
3. Compostos organometálicos
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Introdução
Materiais que podem ser depositados por CVD
• Elementos
• Metais e ligas
• Carbonetos
• Nitretos
• Boretos
• Óxidos
• Compostos intermetálicos
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Tipos de CVD
• Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition (APCVD)
• Low Pressure Chemical Vapour Deposition (LPCVD)
• Metal-Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD)
• Plasma Assisted Chemical Vapour Deposition (PACVD) or Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD)
• Laser Chemical Vapour Deposition (LCVD)
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 10Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Tipos de CVD
• Atmospheric Pressure Chemical Vapour Deposition (APCVD)
+ Foi a primeira técnica de CVD a ser desenvolvida.+ Mais simples, mais barata.+ Permite altas taxas de crescimento.
− É susceptível a reacções em fase gasosa devido ao baixo LPM− Necessita de alto fluxo de gases.− Cobertura de degraus deficiente.
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Tipos de CVD
• Low Pressure Chemical Vapour Deposition (LPCVD)+ Melhor uniformidade.+ Melhor cobertura de degraus.+ Menor contaminação química e de partículas.
− Menor taxa de crescimento dos filmes− Alta temperatura utilizada.− Mais caro e mais complexo.
Reactores LPCVD de paredes quentes (a) e de paredes frias (b)
(a) (b)
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Tipos de CVD
• Metal-Organic Chemical Vapour Deposition (MOCVD)o É um caso particular de LPCVD, feito a pressões moderadas (vácuo
primário)o Muito utilizado em epitaxia de semicondutores.o É caracterizado por ter um reagente organometálico que se desintegra
facilmente na presença de temperaturas moderadas. Ex: dep de InP
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Tipos de CVD
• Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD)o Provavelmente o tipo mais comum de CVD.o Tem a vantagem de emular reacções de alta temperatura
(dissociação molecular) que decorrem a temperaturas moderadas ou baixas.
Reactor de paredes frias e placas paralelas
Reactor de paredes quentes e placas paralelas
Reactor Electron Cyclotron Resonance (ECR)- Plasma de alta densidade
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 14Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Tipos de CVD
• Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition (PECVD)
o A ionização do gás permite uma reactividade normalmente obtida a altas temperaturas => possibilidade de utilização de baixa temperatura
o As propriedades dos filmes (p. ex. tensões internas) podem ser ajustadascontrolando o bombardeamento iónico do substrato através da sua polarização dc.
Ex:
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Tipos de CVD
• Laser Chemical Vapour Deposition (LCVD ou PLCVD)o Utilizado na deposição de filmes de alta pureza.o Funciona em ultra alto vácuo.o Método muito caro e com baixa taxa de crescimento.
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD
Ilustração da variação da espessura da região fronteira δ(x)com a distância ao início do substrato
1- Região fronteira
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 17Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD
A velocidade do gás u é uma função de x (ao longo do substrato) e de y (distância à superfície do substrato).u(x,y) = 0 à superfície.u(x,y) = U no volume do gás (afastado de qualquer objecto).
Se µ for a viscosidade do gás [g/(cm.s)], então a força de fricção por unidade de área na direcção xx’ (tensão tangencial) é:
yu∂∂
= µτ
Consideremos um elemento de volume com:- profundidade unitária (i. e. perpendicular ao plano do papel)- altura δ(x)- comprimento dx
A força de fricção nesse elemento é:
= força de desaceleração do gásdxyudx
yuAF
∂∂
=∂∂
== µµτ ).1.(..
1- Região fronteira
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD
Por outro lado, a força total de aceleração no elemento de volume é F=ma:
onde ρ é a densidade do gás
uxudxx
tx
xudxx
tudxx ..)(...)(..1.)(.
∂∂
=∂∂
∂∂
=∂∂
= δρδρδρ
No equilíbrio Fac = Fdesac:
uxudxxdx
yu ..)(.
∂∂
=∂∂ δρµ
uxux
yu .).(.
∂∂
=∂∂ δρµ
e u(x,y) é determinável.
1- Região fronteira
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 19Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD
Solução aproximada:
xU
xu
xU
yu
≈∂∂
≈∂∂ ;
)(δSe:
Então a solução da equação diferencial dá:
Que exibe uma dependência parabólica com x. A e B são constantes.
BUxAx −
≈
2/1.)(
ρµδ
Se considerarmos u=99%U como boa aproximação, teremos:
2/1.0,5)(
≈
Uxx
ρµδ
1- Região fronteira
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD
A espessura média da região fronteira é:
LRL
ULLx
L e
L
32
32)(1
0
==∫µ
ρδ
ReL é chamado o número de Reynolds do reactor.
Se ReL for pequeno (<=2000) o fluxo é laminar (ou viscoso).
Se ReL for grande (>2000) o fluxo é turbulento.
δ
Fluxos turbulentos levam a padrões irregulares de distribuição do fluxo, dando origem a desuniformidades nos filmes.
Fluxos laminares são os mais indicados para CVD.
1- Região fronteira
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 21Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD 2- Taxa de crescimento
Modelo de Grove
Neste modelo assume-se que o transporte de massa na região fronteira éfeita pelo processo de difusão gasosa:
, onde DG é o coef de difusão do gás
Define-se o coeficiente de transporte de massa, hG , como :
δSG
GCCDF −
≡1
δG
GDh =
Se a deposição for limitada pelo transporte de massa, a razão de crescimento é proprocional a hG ,
UdtdxRC ∝∝=
δ1
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD 2- Taxa de crescimento
Modelo de Grove
δSG
GCCDF −
≡1δ
GG
Dh =
SSCkF =3
31 FF =
kTE
S ekk∆−
= 0
Como vimos, o transporte de gás até à superfície é:
Por outro lado a constante de reacção, kS, comanda o consumo de gás junto à interface:
No equilíbrio deve ter-se:
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 23Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD 2- Taxa de crescimento
Modelo de Grove
( )SGG CChF −=1
SSCkF =3
31 FF =
Como vimos, o transporte de gás até à superfície é:
GGS h
FCC 1−=
G
SGGS
G
SGGS
GGS h
FkChkh
FkChkhFCkF 311
3−
=−
=
−=
GGS
GSGGSSG C
hkhkFChkFkhF+
=⇔=+ 333
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD 2- Taxa de crescimento
Modelo de Grove
A taxa de crescimento do filme é F3/N,onde N é a densidade atómica superficial do filme depositado.
GGS
GS Chk
hkF+
=3
Assim,
NC
hkhk
NF
dtdxR G
GS
GSC +
=== 3
Que é constante com o tempo.
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 25Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD 2- Taxa de crescimento
Modelo de Grove
GSG
GS
GSC hk
NC
hkhkR <<+
= ;
UdtdxRC ∝∝=
δ1
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD 2- Taxa de crescimento
Dependência com T
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD
No caso do LPCVD temos:- Baixa pressão (P<= 1 Torr).- Alta velocidade do gás devido ao bombeamento.
O coeficiente de difusão é inversamente proprocional a P. De 1 atm (760 Torr) a até 1 Torr D aumenta 1000 vezes.
A espessura da região fronteira aumenta cerca de 3 vezes.
O coeficiente de transporte de massa = aumenta assim ~300 vezes.
δ
δG
GDh =
Portanto, no LPCVD temos provavelmente uma taxa de crescimento.
limitada pela velocidade de reacção.
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD
LPCVD:
Vantagens
- Elevadas taxas de crescimento, porque hG é elevado.
- Melhor recobrimento de degraus desde que T seja uniforme.
- A espessura de filme tem melhor uniformidade quer dentro da bolacha, quer entrediferentes bolachas.
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD
LPCVD:
Desvantagens
- δ depende do padrão do fluxo de gases:
- poderá existir um problema de deplecção de massa:
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Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD
LPCVD:
Soluções para a deplecção de massa:
1 – Rampa de temperatura ao longo do recator:se o sistema estiver no regime limitado pela velocidade de reacção,
Um gradiente de temperatura ao longo do reactor de 20ºC a 40ºC aumentará a uniformidade.
2 – Distribuição da entrada dos gases:
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 31Guilherme Lavareda
Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica
Cinética dos Processos CVD
LPCVD:
Efeitos da difusão superficial e do livre percurso médio do gás na morfologia da superfície:
LPM – controlável pela pressão da deposiçãoDG – controlável pela temperatura