IE726 – Processos de Filmes Finos
Capítulo 7 – Filmes Finos
Condutores
Prof. Ioshiaki Doi
FEEC-UNICAMP
05/04/2003
• Metalização
Processos de deposição de
filmes finos de metais sobre a
superfície do wafer.
• Aplicações
 Interconexão
 Porta e eletrodos
• CMOS – Metalização Padrão
 Interconexão de Alumínio e
plug de tungstênio
• Aplicações – Interconexão 1
 SEM de um circuito mostrando contatos e
interconexões. Hierarquia de interconexões.
• Aplicações – Interconexões 2
SEM de um circuito mostrando contatos e
interconexões.
• Aplicações – Interconexão 2
 Domina os processos de metalização
 Liga Al-Cu é o mais usado
comumente
 Plug de W (tecnologia de 80 e 90)
 Ti e TiN, camadas de barreira, adesão
e ARC (anti-reflection coating)
 Futuro? .... Cu!
• Metalização de Cobre
• Aplicações – Porta e Eletrodos
 Porta de Al e eletrodo
 Silício policristalino substitui Al
como material de porta
 Silicetos:
– WSi2, TiSi2, CoSi2, MoSi2, TaSi2, NiSi, ...
 Pt, Au, ... como eletrodos para
capacitores DRAM.
• Filmes Finos Condutores
 Silício policristalino
 Silicetos
 Al e ligas de Al
 Titânio e Nitreto de Titânio
 Tungstênio
 Cobre
 Tântalo
• Requisitos para Filmes Metálicos 1
 Baixa resistividade
– é essencial a redução da resistência do metal
para baixo consumo de potência e circuitos
rápidos.
 Baixa resistência de contato
– com redução das dimensões dos CIs, a
resistência de contato torna fração cada vez
maior da resistência total.
 Resistência a eletromigração
– efeitos da migração induzidos pela corrente
piora com o decréscimo das dimensões do
metal, por causa da alta densidade de corrente.
Para obter Chips de alta confiabilidade.
• Requisitos para Filmes Metálicos 2
 Superfície de baixa rugosidade
– para processo litográfico de alta
resolução
 Baixo estresse
– Para boa adesão com o substrato
 Existência do processo de deposição.
• Requisitos para Filmes Metálicos 3
 Estabilidade durante todo o processamento:
– Oxidação, sinterização, deposição de filmes
dielétricos subsequentes.
 Boa resistência a corrosão
 Possibilidade de etching
– Formação de compostos voláteis durante a
corrosão sêca
 Boa cobertura de degrau
– Para assegurar contato elétrico apropriado entre
os níveis metálicos.
• Exemplo de cobertura de
degrau: WSi2
Processo A
Processo B
• Requisitos de Filmes Metálicos:
resistividade vs. espessura
 Impurezas e contornos de grãos adicionam contribuições
significativas para o espalhamento de eletrons.
• Alumínio vs. Cobre
 Cobre
– resistividade mais baixa que o Alumínio.
– Problemas de adesão, difusão e dificuldade
para a corrosão sêca  dificultou a aplicação
do cobre nos CIs por muito tempo.
 Alumínio
– interconexão de Al dominou aplicações de
metalização desde o início da indústria de
semicondutores.
– nos anos 60 e 70, interconexões de Al ou liga
Al-Cu.
• Alumínio vs. Cobre 2
 Anos 80
– redução das dimensões  uso de multicamadas de interconexão.
– c/aumento da densidade de dispositivos,
contatos tipo tap largos tornou-se
indesejável devido deixar a topografia da
superfície bastante áspero.
– dificuldade na litografia e deposição de outra
camada de filme fino.
• Alumínio vs. Cobre 3
- para aumentar a densidade de empacotamento,
surgiu a necessidade de contatos e vias
verticais. Muito estreito para preenchimento por
liga de Al PVD sem buracos.
- W tem sido usado para preenchimento de vias e
contatos que serve como plug para conexão
entre diferentes camadas de metais. Requer
camada de adesão e barreira (Ti/TiN).
• Silício Policristalino
 Portas e interconexão local
 Substitui Al desde meio de 70
 Estável a alta temperatura
 Permite S/D auto-alinhado
 Porta de Al não permite formar S/D
auto-alinhado
 Pode ser altamente dopado
 LPCVD
• S/D Auto-Alinhado
 Desalinhamento de Porta
Alinhado
Desalinhado
 A porta era superdimensionada para assegurar
cobertura completa da porta sobre as regiões
de fonte e dreno.
• S/D Auto-Alinhado 2
 S/D auto
alinhado com
porta de si-poli.
 Porta de Al não permite S/D auto-alinhado. Não
suporta recozimento pos-ímplantação de 9001000 ºC.
• Silicetos
 Resistividade mais baixo que o Sipoli
 TiSi2, WSi2 e CoSi2 mais
comumente usado.
• Salicide
 Salicide: self-aligned silicide
 TiSi2 e CoSi2
– Sputtering de Ar remove óxido nativo
– Deposição de Ti ou Co
– Processo de recozimento para formar o
siliceto
– Ti ou Co não reage com SiO2. O siliceto é
formado onde o silício tem contato com
Ti ou Co
– Remoção de Ti ou Co não reagido
– Segundo recozimento opcional para
aumentar a condutividade
• Formação de Siliceto de
Titânio Auto-Alinhado
Deposição
de Ti
Recozimento
para
Silicetação
Remoção de Ti
• Siliceto de Tungstênio
 Processo CVD
– WF6 como precursor de tungstênio
– SiH4 como precursor de silício.
• Alumínio
 Metal mais comumente usado
 Quarto metal de melhor
condutividade
Prata
Cobre
Ouro
Alumínio
1.6
1.7
2.2
2.7
-cm
-cm
-cm
-cm
 Foi usado como material de porta até
meio de 70.
• Liga Alumínio-Silício (Al-Si)
 Al faz contato direto com Si em

fonte/dreno (S/D)
Si dissolve no Al e Al difunde no Si.
• Junction Spike
 Spike de Al perfura a junção dopada
 Curto de S/D com o substrato.
• Solução para Junction Spike
  1% de Si em Al satura o filme
 Recozimento térmico a 400 ºC forma
a liga Si-Al na interface silícioalumínio.
 Uso de barreira para prevenir que Al
remova Si do siliceto ou do substrato.
 Uma barreira típica é  30 nm.
• Exemplo de Junction Spike
Interpenetração de Al/Si. Al
deposição por e-beam.
Recozimento em H2 a 450 ºC
por 30 minutos e alumínio
removido. SEM da região
central do contado. (a)
contato típico que foi
recoberta com Al. Observa-se
partículas recristalizadas de
Si dispersas aleatóriamente
sobre o wafer. Em (b) e ©
pequenas estruturas e
precipitados de Si.
• Eletromigração 1
 Alumínio é um material policristalino
 Muitos grãos mono-cristalinos
 Corrente flui através da linha de Al
 Eletrons bombardeiam
constantemente os grãos
 Grãos menores iniciam a se mover
 O efeito é chamado de
eletromigração.
• Processo de Eletromigração
 Eletromigração pode causar sérios
problemas para linhas de alumínio.
• Eletromigração 2
 Eletromigração divide a linha de
metal em partes
 A alta densidade de corrente que
permanece na linha:
– Agrava o bombardeamento de eletrons
– Causa migrações adicionais de grãos de
Al
– Por fim pode quebrar a linha metálica.
 Afeta a confiabilidade do chip de CI.
• Exemplo de Eletromigração
• SEM de falhas de eletromigração nas linhas de
Al. Liga Al-Cu(0.5%) depositado por
magnetron sputering (a) e por evaporação (b).
• Eletromigração - Prevenção
 Alguns % de Cu no Al, melhora a




resistência a eletromigração do Al
Cu atua como aderente dos grãos de Al e
previne da migração devida ao
bombardeamento de eletrons
É usado a liga Al-Si-Cu
Al-Cu(0.5%) é bastante comum.
Uso de camadas shunt (Ti, TiN, TiW).
 para prover shunting elétrico e para melhorar a
estrutura de Al.
• Hillocks e Voids
• Hillocks e buracos (voids) são formados por causa do
estresse e difusão nos filmes de Al.
• Aquecimento é realizado sob Al em compressão 
causa hillocks. O aquecimento gera no Al um
estresse altamente compressivo, devido a tendência
do Al de se expandir mais do que o Si. Para aliviar o
stress, a porção do Al espremido, forma pequenas
colinas (hills) ou hillocks.
• O resfriamento é realizado sob o Al em estado
tensivo  forma buracos. O Al procura encolher-se
mais do que o Si. O hillock formado não é reversível.
Si é mais rígido que o Al. O stress é aliviado pelo
movimento de vacâncias e aglomeração no Al,
formando os buracos.
Propriedades Mecânicas de Materiais de
Interconexão
Material
Thermal
Expansion
Coefficient (C-1 )
Al (111)
Ti
TiAl3
Si (100)
Si (111)
SiO2
23.1 x 10-6
8.41 x 10-6
12.3 x 10-6
2.6 x 10-6
2.6 x 10-6
0.55 x 10-6
Elastic Modulus, Hardness
Y/(1-) (MPa) (kg-mm-2)
1.143 x 105
1.699 x 105
1.805 x 105
2.290 x 105
0.83 x 105
19-22
81-143
660-750
-
Melting
Point
(C)
660
1660
1340
1417
1417
1700
• Formação de hillocks
• A formação de hillocks pode causar:
• Curto entre níveis de interconexão;
• Topografia da superfície rugosa. Dificulta
litografia e etching.
• Eletromigração vs. Hillocks e Voids
• Adição de alguns at% de Cu estabiliza contornos
de grãos e minimiza a formação de hillocks.
• A eletromigração também pode causar hillocks e
voids na interconexão de alumínio.
• Pode causar hillocks
e voids e levar a um
curto ou abrir
circuitos.
• Eletromigração vs. Hillocks e Voids 2
• Os eletrons podem transferir quantidade suficiente
de momentum para o Al e causar a sua difusão.
• A difusão é mais rápida nos contornos de grãos,
causando o acúmulo de Al em algumas regiões,
resultando em hillocks, e depleção em outras
regiões, levando a formação de buracos.
Hillock e voids
formados por
eletromigração
.
• Como a maioria dos átomos de Al e vacâncias difunde pelos
contornos de grãos, a eletromigração é fortemente
dependente da estrutura do grão, incluindo o tamanho e a
orientação cristalográfica, além das camadas de cima e de
baixo do Al, e da história de processamento da interconexão.
• Solução :
• Adicionar Cu (0.5-4 wt%) pode inibir a
eletromigração. Acredita-se que o Cu inibe a
difusão pelos contornos de grãos.
• Contudo Cu em excesso pode causar problemas
com etching e corrosão da interconexão. Máximo 4
wt%.
• Razão pela qual o Al é normalmente depositado
com 1-2 wt% de Si e 0.5-4 wt% de Cu.
• A adição desses elementos aumenta a resistividade
de folha da interconexão de aproximadamente 35%.
• Eletromigração de Contato
(a) Cobertura de degrau pobre do Al
pode causar alta densidade de
corrente e aquecimento Joule.
(b)contato plug Al/W causa buraco
no canto da interface Al/plug.
(c) vários caminhos de corrente
oferecem diferentes resistências
e a corrente tende a tomar o
caminho menos resistivo, isto é,
canto interno. As corrente
concentram no canto interno do
plug e linha de Al adjacente.
(d) com a camada de TiN, a concentração de corrente no canto
interno pode ser reduzido, devido a alta resistência do TiN auxiliar
na distribuição da corrente para maior área da linha de Al.
• Deposição da Liga de Al
 PVD
– Sputtering
– Evaporação
• térmico
• e-beam
 CVD
– Hidreto dimetilalumínio [DMAH,
Al(CH3)2H]
– Processo térmico
• PVD vs. CVD 1
 CVD: reação química sobre a superfície
 PVD: não há reação química sobre a
superfície.
 CVD: melhor cobertura de degrau (50% a

 100%) e capacidade de preenchimento
de gaps e vias
PVD: cobertura de degrau pobre ( 15%)
e capacidade de preenchimento de gaps e
vias.
• PVD vs. CVD 2
 PVD: melhor qualidade, filme
depositado mais puro, condutividade
mais alta, fácil para depositar ligas.
 CVD: sempre contém impurezas no
filme, condutividade mais baixa,
difícil para depositar ligas.
• Titânio
 Aplicações
 Formação de silicetos
 Camadas de adesão, contatos e vias (precisa de
barreira TiN).
 Boa adesão a outros materiais, habilidade para
redução de óxidos nativos e boa propriedade
elétrica de contato.
 Deposição por PVD. Magnetron sputering mais
usual. Ou por sputering colimado ou ionizado
para boa cobertura de contato ou fundos de
vias.
 Nitretação de titânio.
• Aplicações do Titânio
• Aplicações do Nitreto de Titânio
 Camada de barreira
– Previne difusão de tungstênio
 Camada de adesão
– Auxilia na adesão do tungstênio sobre a
superfície do óxido de silício
 Cobertura anti-reflexão (ARC)
– Reduz reflexão e melhora resolução da
fotoligrafia no processo com metais
– Previne hillock e controla eletromigração
 Interconexão local: dimensões curtas.
 Deposição por PVD e CVD.
• Deposição do TiN
 Deposição sobre Ti que possui melhor
propriedade de contato e de adesão.
 Deposição por PVD sputtering usando
gás reativo (N2).
• Nitreto de Titânio PVD
 Camada de barreira, adesão e ARC
 Sputtering reativo de alvo de Ti com
Ar e N2
– Moléculas de N2 dissocia no plasma
– Radicais livres de nitrogênio (N)
– N reage com Ti e forma camada de TiN
sobre a superfície de Ti
– Ions de Ar sputter TiN e deposita sobre
a superfície do wafer.
• Nitreto de Titânio CVD
 Camada de barreira e adesão
 Melhor cobertura de degrau do que
PVD
 Processo organo-metálico (MOCVD)
–  350 ºC
– Tetrakis-dimethyamino Titanium
(TDMAT), Ti[N(CH3)2]4
– Tetrakis-diethyamino Titanium (TDEAT).
– Aplicação em vias.
• Nitretação de Titânio
 Titânio PVD
 Nitretação da superfície de titânio com



Nitrogênio ou Amônia
Processo térmico rápido (RTP) a T >
600 ºC.
Frequentemente feito juntamente com a
formação de siliceto.
Forma TiSi2 na camada mais inferior, Ti
na camada do meio e o TiN no topo de
Ti.
• Nitretação de Titânio 2
NH3 + Ti  TiN + 3/2 H2
• Ligas de Ti-W
 Material de barreira para contatos e



camadas ARC em interconexões.
TiN é mais usado atualmente. Melhor
qualidade do filme e propriedades de
barreira.
Deposição por PVD, magnetron sputtering
a partir de alvo 10% wt Ti – 90% wt W
em ambiente de Ar/N2.
Resistividade, estresse, composição e
propriedades de barreira dependem das
condições de deposição (pressão,
temperatura e taxa Ar/N2).
• Tungstênio
 Plug de metal em contato e vias
 Aberturas para contato tornam menores e




estreitos
Liga de Al PVD: cobertura de degrau pobre
e com buracos
W CVD: excelente cobertura de degrau e
prenchimento de vias
Resistividade alta: 8.0 a 12 -cm
comparada a liga de Al PVD (2.9 a 3.3 cm)
Usado somente para plugs e interconexão
local.
• Evolução dos Processos de
Contatos
Abertura de contato
largo em tap,
preenchimento
metal PVD.
Abertura de
contato estreito,
buraco com
preenchimento
metal PVD.
Abertura de
contato estreito,
W CVD para plug
de tungstênio.
• Tungstênio CVD
 WF6 como precursor de tungstênio
 Reage com SiH4 para formar camada
de nucleação
 Reage com H2 para deposição bulk de
tungstênio
 Precisa de camada de TiN para
adesão sobre óxido de silício.
• Plug de W e Camada de
Barreira /Adesão de TiN/Ti
• Cobre
 Baixa resistividade (1.7 -cm)
– baixo consumo de potência e velocidade mais
alta do CI
 Alta resistência a eletromigração
– melhor confiabilidade
 Aderência pobre com óxido de silício
 Alta difusão  contaminação de metal

pesado
Corrosão a sêco bastante difícil
– Cobre-halogênio apresenta baixa volatilidade.
• Deposição de Cobre
 Camada semente (seed layer) de PVD
 Camada bulk, ECP (electrochemical
plating) ou CVD
 Recozimento térmico após deposição
bulk de cobre:
– aumenta o tamanho de grãos
– melhora a condutividade.
• Tântalo
 Camada de barreira
 Prevenir difusão de cobre
 Deposição por sputtering.
• Cobalto
 Usado principalmente para
siliceto de cobalto (CoSi2)
 Normalmente depositado por
sputtering.
• Siliceto de Cobalto
 Tamanho de grãos do siliceto de




titânio (TiSi2):  0.2 m
Não pode ser usado para porta de
0.18m
CoSi2 substitui o TiSi2 em tecnologias
futuras
Resistividade: 13 -cm
Processo salicide.
• Siliceto de Cobalto - Processo
 Limpeza pré-deposição por
sputtering de Ar
 Deposição de Co por sputtering
 Primeira etapa de recozimento por
RTP a 600 ºC
– Co + Si  CoSi
 Remoção do Co não reagido
 Segunda etapa de RTP a 700 ºC
– Co + Si  CoSi2
• 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.
 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.