IE726 – Processos de Filmes Finos
Capítulo 8 – CVD de Metais
Prof. Ioshiaki Doi
FEEC-UNICAMP
05/04/2003
• CVD de Metais
 Bastante usado para deposição de metais
 Boa cobertura de degrau e capacidade de
preenchimento de gaps
– pode preencher aberturas pequenas de contatos
para conexões entre camadas metálicas
 Qualidade pobre e resistividade mais alta do
que filmes finos de metais PVD
– usado para plugs e interconexões locais
– não é aplicado para interconexões globais.
• Metais Depositados
 W, WSix, Ti e TiN
 Processo térmico: o calor fornece
energia livre necessária para a
reação química
 Sistema RF é usado para limpeza por
plasma a câmara de processo.
• Câmara de CVD de Metal
• Contatos – Caps vs. plug
 Caps, assegura cobertura do metal sobre o contato
 Reduz densidade de interconexão.
• Aberturas de Contatos tipo
Vertical e Tap
• CVD de Metal
 CVD possibilita:
– Usar estrutura de contato vertical
– Preenchimento de contatos 
decréscimo da topologia da superfície
– Não é necessário contato tipo caps, pois
o problema da cobertura de degrau é
minimizado.
• CVD de Metal - Plug
 Dificuldade na metalização: assegurar

continuidade do metal na janela de
contato e vias;
Cobertura em degrau de Al depositado
por sputter degrada rapidamente com o
aumento da razão de aspecto da janela
de contato e para tecnologias
avançadas, a cobertura em contatos e
vias diminui abaixo de 20 %.
• CVD de Metal - Exemplo
Cobertura de degraus profundos e íngremes
• Metais Refratários
 Baixa resistividade
comparada com Si, si-poli e
silicetos.
 Suporta altas temperaturas.
 Pode ser depositado por CVD
(boa conformalidade).
 Deposição seletiva em vias e
plugs.
 Principais aplicações: via-plugs, metalização
de contatos e interconexões locais.
• Tungstênio
 Características do W:
– Excelente contato com Si;
– Suporta altas temperaturas;
– Pode ser depositado por CVD
(conforme);
– Deposição seletiva em via-plugs;
– Excelente metal contato/barreira.
• Contato Ohmico de W
 Dopando altamente a superfície do Si, forma camada de
depleção bastante estreita no contato metal/semicondutor.
 Tunelamento de eletrons sobre a barreira – contato ohmico.
• CVD de Tungstênio - Básico
 Tungstênio(W) é usado como contato (plug) e
também como metal de primeiro nível.
 Fonte de gás de Tungstênio:
hexafluoreto de tungstênio (WF6)
 Reagente adicional: hidrogênio (H2)
 Temperatura: 400 – 475 ºC
 Cobertura de degrau: 100%.
• CVD de W – Reações 1
 Nucleação sobre Si
2 WF6 + 3 Si  2 W (s) + 3 SiF4
 Nucleação sobre camada de adesão
WF6 + SiH4  W (s) + SiF4 + 2 HF + H2
 Deposição Bulk
WF6 + 3 H2  W (s) + 6 HF
 Reação de WF6 com umidade
WF6 + 3 H2O  WO3 + 6 HF
• CVD de W – Reações 2
 WF6 reage rapidamente também com Al e Ti:
WF6 + 2Al  W + 2AlF3
2WF6 + 3Ti  2W + 3TiF4
 Reação de WF6 com Si  fuga junção S/D
 AlF3 aumenta resistência de contato de vias
 Reação com Ti  problemas de delaminação.
 Requer deposição de camada de
barreira de TiN ou TiW antes de W.
• CVD de W – Reações 3
 Superfícies de nucleação: Si, metais
e silicetos.
 Superfícies não nucleantes: óxidos e
nitretos.
• CVD de W – Processo Típico1
 Introdução de wafers na câmara
 Estabelecimento da pressão e fluxo de




gases (H2, SiH4)
Nucleação (redução de silana de WF6)
Pressão e fluxo de gases muda para
deposição em bulk
Deposição bulk (redução de H2 de WF6)
Bombeamento e purga da câmara.
• CVD de W – Processo Típico2
 Primeiro é introduzido o SiH4 sem o WF6


para deposição de uma fina camada de Si
amorfo como camada de pre-nucleação;
Segue o processo de nucleação (SiH4 +
WF6) e por fim a deposição de alta taxa
(H2 + WF6);
No estágio de nucleação, menos de 100
nm de W é depositado. A deposição bulk
de W é feito por redução de hidrogênio.
• Camada Semente de W e Bulk
• Plugs de W
 Via-plugs: conecta camadas de metais
através de aberturas sobre o dielétrico.
 Uso de via-plug como contacto entre duas
camadas resulta em topografia planar.
• Plug de W e Camada de
Barreira /Adesão de TiN/Ti
• CVD de W: Plugs
• CVD de W: Cobertura de Degrau
• Siliceto de Tungstênio








CVD e RTP
WF6 e SiH4 como fonte de gases CVD
Recozimento depois do etch de porta
WSi2 usado sobre o topo de si-poli para
formar porta de policeto de baixa
resistência
Menos popular do que TiSi2 devido a sua
alta resistividade
Compatibilidade com processos de
oxidação (800 – 1000 ºC)
Cobertura de degrau pobre.
Incorpora F.
• Siliceto de Tungstênio 2
 Aplicações em interconexões locais
 Fontes de Si: SiH4 e SiH2Cl2 (DCS)
 Precursor de tungstênio: WF6
 SiH4/WF6: baixa temperatura,  400 ºC
 DCS/WF6: alta temperatura,  575 ºC.
• Siliceto de Tungstênio: CVD
 300 ºC a 400 ºC
 WF6 + 2 SiH4  WSi2 + 6 HF + H2
 Janela de processo bastante amplo
 500 a 600 ºC
 2F6 + 7SiH2Cl2  2WSi2 + 3SiF4 + 7HCl
 2F6 + 7SiH2Cl2  2WSi2 + 3SiCl4 + 12HF+ 2HCl
 Melhor cobertura de degrau
 Menos incorporação de fluoreto.
• WSix Baseado em Silana
WF6 + 2 SiH4  WSi2 (s) + 6 HF + H2
 Bastante similar a etapa de nucleação do

processo CVD de tungstênio.
Relação da taxa de fluxos SiH4/WF6
diferentes:
 abaixo de 3:1,  deposição de tungstênio
 maior do que 10:1,  deposição de siliceto de
tungstênio (x = 2.2 a 2.6).
• WSix Baseado em DCS
 2WF6 + 7SiH2Cl2  2WSi2 + 3SiF4 + 14HCl





Requer temperatura de deposição mais alta
Taxa de deposição mais alta
Melhor cobertura de degrau
Baixa concentração de fluoreto
Baixo estresse tensivo
– menos problemas de quebras e descascamentos.
• Exemplo de WSx CVD
• CVD de Titânio 1
• O Ti têm 2 aplicações importantes no
processo de CIs:
– Usado antes da camada de TiN
(barreira/adesão), porque o contato direto de
TiN/Si pode causar alta resistência de contato;
– Usado para formação de siliceto de titânio.
• Para barreira é melhor Ti PVD do que Ti
CVD, pois filmes PVD tem melhor
qualidade e resistividade mais baixa.
• CVD de Titânio 2
TiCl4 + 2 H2  Ti + 4 HCl
Ti + Si  TiSi2
 A alta temperaturas ( 600 ºC), o CVD de

Ti pode reagir com Si para formar
simultâneamente TiSi2 durante a
deposição de Ti.
Para processo de siliceto de titânio, Ti
CVD tem algumas vantagens que o Ti PVD
como uma cobertura de degrau melhor,
pois a deposição do Ti é feita após a
corrosão da porta e a superfície do wafer
não e planarizada.
• CVD de Nitreto de Titânio 1
 Camada de barreira/adesão para plug
de tungstênio
 Melhor cobertura das paredes laterais
dos degraus
 Camada fina de  200 Å é geralmente
aplicada em contatos/vias depois de
PVD de Ti e deposição de TiN.
• CVD de Nitreto de Titânio 2
 Contudo, a qualidade do TiN CVD não
é tão bom quanto o TiN PVD. Tem
alta resistividade.
 Porém, O TiN CVD tem melhor
cobertura de degrau do que TiN PVD
( 70% vs. 15%).
• PVD e CVD de Camadas de
TiN
• CVD de TiN 1
 Química inorgânica: TiCl4 e NH3 a 400 –

700 ºC
6 TiCl4 + 8 NH3  6 TiN + 24 HCl + N2
2 TiCl4 + 2 NH3 + H2  2 TiN + 8HCl
2 TiCl4 + N2 + 4 H2  2 TiN + 8HCl
Temperatura alta  melhor propriedade
do filme, resistividade do filme mais
baixa, densidade do filme melhor e menor
incorporação de Cl.
• CVD de TiN 2
 Mesmo melhor TiN contém  0.5% de



Cl.
Baixa temperatura de processo  alta
incorporação de Cl ( 5%).
Incorporação de Cl é alto (0.5 – 5%) 
problemas de corrosão em interconexão
de Al.  Afeta a confiabilidade do CI.
Produz também o sub-produto NH3Cl
que é um sólido e pode causar
contaminação de particulados.
• CVD de TiN 3
 Pode ser depositado usando precursor
organo-metálico (MOCVD) a 350 ºC, 300
mTorr:
Ti[N(CH3)2]4  TiN + subprodutos orgânicos.
 TDMAT (tetrakis-dimetilamido-Ti).
Precursor mais comumente usado.
Ti[N(C2H5)2]4 + NH3  TiN + 3HN(C2H5)2 +
subprodutos orgânicos.  TDEAT
• CVD de TiN 4
 Temperatura baixa e sem contaminação de Cl.
 Pode ocorrer incorporação de C e O  alta
resistividade.
 Excelente cobertura de degrau;
 Camada de TiN depositado ( 100Å) não é

tão denso quanto ao filme obtido a altas
temperaturas e tem alta resistividade.
Pode densificar em RTP em N2 a 450 ºC
para reduzir a resistividade;
TDMAT: líquido venenoso e fatal.
• Nitreto de Titânio CVD
• Melhor cobertura de degrau que as técnicas PVD
 Micrografia TEM de TiN depositado por CVD
usando precursor metal-orgânico.
• CVD de Alumínio 1
 P&D para substituir o plug de tungstênio.
 Melhor cobertura de degrau e habilidade no
preenchimento de contatos e vias.
 Reduzir resistência de interconexão.
 Método comum de deposição:
 Deposição de Al CVD e depois dopar com Cu.
 CVD de Al – fontes organo-metálicos.
 Tri-isobutil-Al (C4H9)3Al ou TIBA;
 Hidreto de dimetilalumínio (DMAH).
 Deposição a temperaturas relativamente
baixas.
• CVD de Alumínio 2
TIBA + H2  DIBAH + C4H8
DIBAH + H2  AlH3 + 2C4H8
2AlH3  2Al + 3H2.
 Primeira reação ocorre a 40-50 ºC antes do gas
alcançar o wafer;
 O segundo sobre o wafer aquecido a 150 a 300 ºC;
 Na prática DIBAH (di-isobutil hidreto de Al, (C4H9)2AlH)
é o precursor que decompõe sobre o wafer;
 Mas o uso direto de DIBAAH é impraticável devido a
sua baixa pressão de vapor e taxa de deposição.
• CVD de Alumínio 3
 O problema com o CVD de Al é que não há Cu nos


materiais precursores. A formação de liga Al-Cu é
necessária para resistência a eletromigração;
Uma opção: depositar  50% do total da
espessura de Al por CVD e o restante por PVD
sputtering de liga Al-Cu, fazendo posteriormente
o recozimento a 250 – 400 ºC, para redistribuição
do Cu sobre todo o filme.
Alternativa: CVD de Al com dopagem simultânea
usando hidreto de dimetil-Al (DMAH) e
ciclopentadienil cobre trietilfosfina (CpCuTEP);
• CVD de Alumínio 4
 Hidreto de dimethilalumínio (DMAH),
Al(CH3)2H
 A T de  350 ºC, DMAH dissocia e deposita
alumínio
 Al(CH3)2H  Al + orgânicos voláteis
 Dificuldade em incorporar  1% Cu
necessário para resistir a eletromigração.
 A ligação Al-H, resulta em filmes com
menos incorporação de C.
• CVD de Alumínio 5
 Liga Al-Cu:
 Depositar camada de sputter Cu, abaixo
ou sobre o Al CVD e fazer o recozimento
a 250-450 ºC.
 Difusão do Cu na camada de Al, produz
camada uniforme de liga Al-Cu.
 Técnica mais usada para depositar
liga Al-Cu e por PVD, magnetron
sputtering. Alta taxa de deposição de
 1 m/min de Al.
• CVD de Alumínio 6
 CVD de Al  problemas com ligas de
metais :
 Reações indesejáveis entre precursores para
vários metais,
 Contaminação de carbono,
 Rugosidade dos filmes e
 Baixa taxa de deposição.
 Al CVD tem boa capacidade de
preenchimento de aberturas de vias e
contatos e resistência mais baixa que o
tungstênio.
• PVD de Al
 P baixo é desejável:


– Presença de outras espécies, oxigênio,
hidrogênio, nitrogênio, vapor de água, etc.,
afeta a deposição e propriedades dos filmes.
P alto:
– Melhora a cobertura de degrau, mas incorpora
Ar no filme de Al ( 1%) resistividade alta,
mais estresse e grãos menores (Ar serve como
sítio de nucleação).
Solução: usar UHV, Ar ultra-puro, aquecimento
dos wafers e porta substratos antes da deposição.
• PVD de Al 2
 Aquecimentos dos Wafers :
– 150 – 300 ºC durante a deposição por
sputtering,
– Melhora cobertura de degrau devido ao
aumento da mobilidade superficial,
– De 450 – 550 ºC, aumenta a difusão de
superfície e permite melhor
preenchimento de contatos e vias
estreitas e profundas.
• CVD/PVD de Alumínio
 Deposição Ti/TiN, camada de
barreira/adesão
 CVD de Al (preenchimento de via),
PVD de alloy de Al, PVD de TiN
não precisa de W
 Tecnologia ainda não estabelecida
 Difícil competir com metalização de
cobre.
• Alumínio CVD/PVD – Cluster
Tool
• Processo Contato/Via
 Degaseificação
 Limpeza da superfície do wafer
 PVD de Ti
 PVD de TiN
 CVD de TiN
 Tratamento de plasma N2 – H2
 CVD de W
• Processo de Interconexão de
Alumínio
 Degaseificação
 Limpeza da superfície do wafer
 PVD de Ti
 PVD de Al-Cu
 PVD de TiN
• Processo de Interconexão de
Cobre
 Degaseificação
 Limpeza da superfície do wafer
 PVD de Ta
 PVD da semente de Cu
• Degaseificação
• Aquecimento do wafer para retirar
gases e umidade da superfície do
wafer
• O gás liberado pode causar
contaminação e alta resistividade do
filme de metal depositado.
• Limpeza do Wafer




Remoção do óxido nativo
Redução da resistência de contato
Sputtering com ions de Argônio
Plasma RF.
• PVD de Titânio
 Reduzir resistência de contato
 Aumentar tamanho de grãos com
baixa resistividade
 Wafer normalmente aquecido a
temperatura de  350 ºC durante o
processo de deposição para:
melhorar a mobilidade da superfície
melhorar a cobertura de degrau.
• Sputtering Colimado
 Usado para deposição de Ti e TiN
 O colimador permite que átomos de
metal ou moléculas movam
principalmente na direção vertical
 Alcançam o fundo da abertura
estreita de contatos/vias
 Melhora a cobertura de fundo do
degrau.
• Sputtering Colimado 2
• Sistema de Plasma para Metal
 Deposição de Ti, TiN, Ta e TaN
 Ioniza átomos de metal através de



acoplamento indutivo de potência RF
na bobina de RF
Íons de metal (positivo) incidem
verticalmente sobre a superfície do
wafer (carregado negativamente)
Melhora cobertura do fundo do degrau
Reduz resistência de contato.
• Plasma de Metal Ionizado
• PVD de Nitreto de Titânio
 Processo de sputtering reativo
 Ar e N2
 Moléculas de N2 dissociam no plasma
 Radicais livres de nitrogênio reage
com Ti para formar uma camada fina
de TiN sobre a superfície do alvo
 Íons de Ar sputter o TiN da superfície
do alvo e deposita sobre a superfície
do wafer.
• Três Aplicações do TiN
• PVD de Al-Cu
 UHV para remover umidade e obter filmes
de baixa resistividade
 Processo padrão: Al-Cu sobre plug de
tungstênio depois da deposição de Ti e TiN
 Normalmente, deposição a  200 ºC
 Tamanho de grãos pequenos, fácil para etch
 Recozimento do metal, forma grãos de
tamanhos grandes
 abaixa resistividade
 alto EMR (resistência a eletromigração).
• PVD de Al-Cu 2
 Processo de alumínio quente
 Preenchimento de contatos/vias,
reduz resistência de contato
 Etapas de processo:
Deposição de Ti
Deposição de camada semente de Al-Cu
a T < 200 ºC
Camada bulk de Al-Cu é depositado a
temperaturas altas ( 450 ºC a 500 ºC).
• Metalização de Cobre
• Cobre 1







Melhor condutor do que o alumínio
Resistividade do Cu = 1.8 a 1.9 -cm
Resistividade do Al = 2.9 a 3.3 -cm
Pode reduzir significativamente a
resistência de interconexão
Aumenta resistência a eletromigração 
permite aumentar a densidade de corrente
nas linhas de interconexão de cobre
Ambos acima, aumenta a velocidade do CI
e menos consumo de potência.
Portanto, a metalização de Cu é mais
desejável do que o Al para algumas
aplicações.
• Cobre 2
• Contudo, a taxa de difusão do cobre é alta
em Si e SiO2, causando a contaminação de
metais pesados.  requer camada de
barreira de difusão
• Difícil corrosão a sêco, não há gases
compostos químicos simples
• Processo de Metalização de
Cobre
 Limpeza do wafer
 Camada de barreira de Ta e/ou TaN
por PVD
 Camada semente de cobre por PVD
 Camada bulk de cobre ECP
(electrochemical plating)
 Recozimento térmico para melhorar a
condutividade
• Deposição de Cobre
Deposição do cobre por ECP ou CVD
• Eletrodeposição de Cu - Exemplo
 500 Å de camada de barreira de TaN.
 Camada semente: 1000 Å de Cu
depositado por sputtering.
• CVD de Cobre
 Bis-hexafluoracetil-acetonato de cobre,
Cu(hfac)2 : precursor mais usado.
Cu(hfac)2 + H2  Cu + 2 H(hfac)
 Deposição de Cu por reação de redução
de hidrogênio. Alta taxa de deposição e
filmes de boa qualidade.
 350 ºC a 450 ºC, baixa resistividade
 Muito alto para dielétrico polimérico de
baixo .
• Estrutura Química de
Cu(hfac)2
 Sólido a temperatura ambiente
 sublima a baixa temperatura (35 a 130 ºC)
• CVD de Cobre 2
 Composto organometálico
 Cu(hfac)(tmvs): C10H13CuF6O2Si
2 Cu(hfac)(tmvs)  Cu +
Cu(hfac)2 + 2 tmvs
 Processo térmico  175 ºC, 1 a 3 Torr
 Boa qualidade, baixa resistividade,
excelente cobertura de degrau e
capacidade de preenchimento de
gaps e vias.
• Estrutura Química de tmvs
 tmvs: hexafluoracetilacetonato de cobrevinil trimetil-silana
 Líquido a temperatura ambiente
 Baixa temperatura de deposição, < 200 ºC
• CVD de Cobre 3
 Processo Cu(hfac)(tmvs) é o processo


CVD de cobre mais promissor
Contudo, compete com o processo ECP
(electrochemical plating) de cobre já
estabelecido
A reação é reversível, portanto tmvs
pode ser usado para limpeza a sêco da
câmara de deposição. Removendo o
cobre depositado sobre as paredes e
outras partes da câmara e prevenir a
contaminação. Causa quebra e
descascamento do filme.
• CVD de Cobre 4
 Possível aplicação do CVD de
cobre: deposição conforme de
camada semente de cobre em
vias e trincheiras estreitas, difícil
de obter por processos PVD
quando as dimensões são
reduzidas.
• CVD de Cobre 5
 Cu difunde no SiO2 e causa nível de



impureza profunda no Si  causa fuga de
junção;
Cu não tem compostos voláteis a
temperatura ambiente  não pode ser
corroído por processo RIE a temperaturas
moderadas  200 ºC;
Cu é vulnerável a corrosão;
Para prevenir da corrosão e difusão de Cu
no Si, é necessário camada de barreira Ta
ou TaN.
• Segurança
• Os processos PVD de sputtering de metal
•
•
não usam produtos químicos perigosos.
Os gases de processos são Argônio e
Nitrogênio, ambos considerados seguros.
Contudo, os processos CVD de metal
usam variados produtos químicos de
risco.
WF6 é corrosivo; SiH4 é pirofórico,
explosivo e tóxico; H2 é inflamável e
explosivo; o TDMAT usado para depositar
TiN é altamente venenoso; e o DMAH
usado para deposição do Al é pirofórico e
explosivo.
• 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.