31
Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 1 Guilherme Lavareda Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD)

Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

  • Upload
    dodat

  • View
    217

  • Download
    0

Embed Size (px)

Citation preview

Page 1: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 1Guilherme Lavareda

Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica

Deposição Química de VaporesChemical Vapour Deposition (CVD)

Page 2: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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

Page 3: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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.

Page 4: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 4Guilherme Lavareda

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.

Page 5: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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

Page 6: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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.

Page 7: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 7Guilherme Lavareda

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

Page 8: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 8Guilherme Lavareda

Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica

Introdução

Materiais que podem ser depositados por CVD

• Elementos

• Metais e ligas

• Carbonetos

• Nitretos

• Boretos

• Óxidos

• Compostos intermetálicos

Page 9: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9Guilherme Lavareda

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)

Page 10: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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.

Page 11: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 11Guilherme Lavareda

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)

Page 12: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 12Guilherme Lavareda

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

Page 13: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 13Guilherme Lavareda

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

Page 14: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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:

Page 15: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 15Guilherme Lavareda

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.

Page 16: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 16Guilherme Lavareda

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

Page 17: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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

Page 18: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 18Guilherme Lavareda

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

Page 19: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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

Page 20: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 20Guilherme Lavareda

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

Page 21: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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

Page 22: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 22Guilherme Lavareda

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:

Page 23: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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

Page 24: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 24Guilherme Lavareda

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.

Page 25: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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

Page 26: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 26Guilherme Lavareda

Técnicas Complementares de Processamento em Microelectrónica

Cinética dos Processos CVD 2- Taxa de crescimento

Dependência com T

Page 27: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 27Guilherme Lavareda

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.

Page 28: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 28Guilherme Lavareda

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.

Page 29: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 29Guilherme Lavareda

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:

Page 30: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 30Guilherme Lavareda

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:

Page 31: Deposição Química de Vapores Chemical Vapour Deposition (CVD) · Guilherme Lavareda Microelectrónica III – Mestrado em Eng.ª Microelectrónica e Nanotecnologia 9 Técnicas

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