Chemical Vapor Deposition
IE726 – Processos de Filmes Finos
Capítulo 3 – Técnicas de Deposição:
Pt1 - CVD
Ioshiaki Doi
FEEC/UNICAMP
Chemical Vapor Deposition
1. Introdução
• Diversos filmes de variados materiais são
depositados durante a fabricação de um CI
Nitretos e si-poli
Dielétrico para isolação de dispositivos
• Alguns filmes são usados temporariamente como camada de
máscara, enquanto que outros filmes tornam partes do circuito
sendo fabricado.
Chemical Vapor Deposition
• Tipos de Filmes Finos e Aplicações:
Podem ser condutores, semicondutores ou isolantes
• Conexão das regiões ativas dos dispositivos.
• Comunicação entre os dispositivos.
• Acesso externo aos circuitos.
• Isolação entre as camadas condutoras.
• como fonte de dopante e como barreira para dopagem.
• para proteger as superfícies do ambiente externo.
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•Métodos Principais de Deposição:
• Chemical Vapor Deposition (CVD)
formação de um filme sólido sobre um substrato
pela reação de espécies químicas em fase vapor.
• Physical Vapor Deposition (PVD)
usa
método físico (evaporação ou sputtering) para
produzir átomos que passam pela fase gasosa e
depois condensada sobre a superfície do substrato.
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• Parâmetros de Qualidade dos Filmes:
• a) – alta pureza e densidade;
• b) – composição e estequiometria controladas;
• c) – boa uniformidade em espessura e reprodutibilidade;
•ao longo do wafer e de wafer-para-wafer
• d) – alto nível de perfeição estrutural;
• e) – boas propriedades elétricas;
• f) – boas propriedades mecânicas;
•stress e aderência
• g) – boa cobertura de degraus (conforme);
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• Parâmetros de Qualidade dos Filmes:
h) – baixa densidade de defeitos(imperfeições,
pinholes, etc.);
i) – baixa contaminação por partículas, e
j) – bom preenchimento de espaços (sem buracos e
com cobertura nos fundos dos poços).
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• Requisitos Necessários para a Técnica de
Deposição:

Além dos itens mencionados para os
filmes requer processo econômico:
– alta taxa de produção;
– seguro, automatizável e barato.

A técnica CVD atende vários dos
requisitos citados, com vantagens
sobre outras técnicas.
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• Exemplos de Problemas de Qualidade

Problemas de cobertura de degraus
• Alta resistência elétrica
• Aumento da probabilidade de falha mecânica.
Chemical Vapor Deposition
• Exemplos de Problemas de Qualidade

Problemas de
cobertura de degraus
• Camadas TiW/Al/TiW
sobre óxido
• Formado por sputtering
Chemical Vapor Deposition
• Exemplos de Problemas de Qualidade

Problemas de preenchimento
Chemical Vapor Deposition
• Exemplos de Problemas de Qualidade

Voids
– Alta resistência de contato ou de folha (metal)
– Trincas ou rachaduras (dielétricos)
– Confiabilidade (aprisionamento de contaminantes e
humidade)

Cobertura de fundo do degrau
– Necessário para contato ou camada de barreira
– adesão
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• Exemplos de Problemas de Qualidade

Problemas de Preenchimento
Buracos em óxido CVD
Chemical Vapor Deposition
• Razão de Aspecto:


A Razão de Aspecto (AR) da estrutura afeta o
preenchimento e a cobertura de fundo do degrau.
A razão de aspecto é simplesmente a relação entre a
altura (h) e largura (w) da estrutura.
Razão de Aspecto = AR = h/R
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2. Deposição Química a Partir de
Fase Vapor (CVD)


Método mais comum de deposição de
filmes finos, utilizados atualmente na
fabricação de CIs.
Deposição de filmes finos isolantes
(dielétricos), condutores e
semicondutores.
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• Filmes que podem ser
depositados por CVD:
• silício policristalino (Si-poli)
•
óxido de silício (SiO2)
•
nitreto de silício (Si3N4, SiN)
•
metais (Al, W, Ti, etc.)
•
silicetos (WSi2, TiSi2, MoSi2, TaSi2)
Chemical Vapor Deposition
Conceitos Básicos de CVD
• CVD: reações químicas que transformam moléculas gasosas
chamada precursor, em material sólido
na forma de filmes,
sobre o substrato
.
• CVD: formação de um filme sólido sobre um substrato
pela reação de espécies químicas em fase vapor.
Chemical Vapor Deposition

Tipos de CVD mais comuns:
–
–
–
–
APCVD: Atmospheric pressure CVD
LPCVD: Low pressure CVD
PECVD: Plasma enhanced CVD
HDP-CVD: High Density Plasma CVD
• Independente do tipo, todos os sistemas CVD usam gases que
decompõem quando aquecidos e reagem sobre a superfície para
produzir o filme. Ocasionalmente usa-se fonte líquida,
borbulhando através de um gás portador, por exemplo, H2.
• N2 ou H2 é usado com frequência como diluente ou gás portador.
• É importante que a reação ocorra na superfície; reações na fase
gasosa podem causar queda de particulados sobre o wafer ou
causar deposição de filmes de baixa densidade.
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• Etapas envolvidas no processo CVD:
1) – introdução na câmara de gases
reagentes e diluentes a dada
composição e fluxo;
2) – transporte de espécies reativas até o
substrato;
3) – adsorção de espécies reativas na
superfície do substrato;
4) – migração de espécies na superfície e
reações químicas de formação do
filme;
5) – dessorção de subprodutos da reação;
6) – transporte dos subprodutos da reação para a região de fluxo principal; e
7) – remoção dos subprodutos gasosos da reação e gases não consumidos no
processo, da câmara de reação.
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• Cinética do Processo CVD
• Etapas 2-5 são mais importantes para a
determinação geral da taxa de deposição.
• F1 = fluxo de difusão de espécies
reagentes para o wafer
• Fluxo de transferência de massa
(etapa 2).
• F2 = fluxo de reagentes
consumidos pela superfície
• Fluxo de reação de superfície
(etapas 3-5).
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F1 = hG(CG – CS)
• Onde, hG é o coeficiente de transferência de
massa em (cm/s). Depende do fluxo na câmara.
• (CG – CS) é a diferença de concentração de
espécies reagentes entre o fluxo de gás principal
e superfície do wafer em (moléculas/cm3).
F2 = kSCS
• Onde kS é a taxa de reação de superfície
em (cm/s).
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• Modelo mais simples para descrever o processo,
assume que o fluxo de espécies reagentes que
atravessam a camada de “boundary layer” são iguais
ao fluxo de reagentes consumido pela superfície de
crescimento. O fluxo de sub-produtos desorvidos é
desprezado no modelo.
Logo,
F = F1 = F2
 Na condição de deposição
em estado estacionário 
processo geral procede na
taxa de processo mais lento.
 CS = CG (1 + kS/hG)-1
Chemical Vapor Deposition
• Logo, a taxa de deposição do filme é dado por:
kS hG CG
F
v 
N kS  hG N
• v é a taxa de deposição em cm/s
• N é o número de átomos por unidade de volume
incorporados no filme em cm-3. (No caso do Si, densidade
do Si, 5 x 1022 cm-3, dividido pelo número de átomos de
silício incorporados no filme).
 A taxa de deposição é proporcional a fração
molar das espécies reativas na fase gasosa.
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• Definindo Y como fração de moles de espécies
em incorporação na fase gasosa:
CG
Y
CT
• CT é a concentração de todas
as moléculas na fase gasosa.
• Exemplo: deposição de Si
SiCl4(g) + 2H2(g)  Si(s) + 4HCl(g)
• Espécies em incorporação: Si
• CG: no de moléculas de SiCl4 por cm3
• CT: no total de moléculas de SiCl4 e H2
Chemical Vapor Deposition
• Y é também igual a relação entre a pressão
parcial das espécies em incorporação e a
pressão total no sistema:
CG PG
PG
Y


CT PT PG  PG1
• PG : pressão parcial de SiCl4
• PG1: pressão parcial de H2
• Se usar gás portador (N2, Ar), também
devem ser considerados.
Chemical Vapor Deposition
• A equação para a velocidade de
deposição fica assim:
k S hG CT
F
v 
Y
N k S  hG N
• A velocidade de deposição é determinado
pelo menor de ks ou hG.
Chemical Vapor Deposition
• Temos portanto, 2 casos limites:
a) Se kS << hG  Cs = Cg  processo controlado por
reação de superfície.
CT
 v
kSY
N
Transferência de massa
relativamente rápida enquanto
a reação de superfície é lenta.
b) Se hg  ks  Cs  0  processo controlado por
transferência de massa ou difusão da fase gasosa.
CT
 v
hGY
N
Reação de superfície bastante
rápida em comparação a
transferência de massa.
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• Experimentalmente as constantes de taxa
são dadas por:
• O termo de superfície (kS)
é Arrhenius com Ea
dependendo da reação
(=1.6 eV para deposição
de Si mono-crystalino).
• hG  constante (difusão
através do boundary
layer).
• A faixa de temperaturas para diferentes regimes depende de vários
fatores: gases, pressão, energia de ativação da reação, configuração
dos wafers, condições de fluxos no reator, etc.
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• Tipos de Reações Químicas ou Processos :
• Reação homogênea – reação na fase vapor
(Processos de Fase Vapor). Produz particulas 
resulta em filmes de pouca aderência, baixa densidade
e alta concentração de defeitos.
• Reação heterogênea – reação na superfície ou
próxima dela. Processo desejável (Processos de
Superfície).
• térmica
• Energia para propiciar a reação:
• fótons e
• elétrons.
Chemical Vapor Deposition
• Processos de
formação dos
filmes:





Nucleação
Formação de Ilhas
Crescimento das ilhas
Coalescência
Formação de filme contínuo
Chemical Vapor Deposition
• Estrutura dos Filmes
• tamanho dos grãos – depende das condições de
deposição e dos tratamentos térmicos posteriores. Grãos
maiores – temperaturas maiores de processamento e
filmes mais espessos.
• rugosidade está relacionada com o tamanho dos grãos.
• Reação na Superfície – Taxa de Reação Química
CR = A exp(-Ea/kT)
onde: CR é a taxa de reação, A é uma constante, Ea é a energia de
ativação em eV, k é a constante de Boltzman e T é a
temperatura do substrato em K.
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• Processo CVD:
A taxa de deposição (DR) está relacionada com a
taxa de reação química (CR), taxa de difusão do
precursor no “boundary layer” e taxa de adsorção do
precursor sobre a superfície.
Temperaturas baixas 
somente poucas moléculas
possuem energia suficiente
para iniciar a reação.
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• Regimes de Deposição
• Há 3 regimes:
a)
- Baixas temperaturas – a taxa de
reação química é baixa e a taxa de
deposição bastante sensível a
temperatura.  regime limitado
por reação de superfície.
b) - temperaturas altas – deposição
bem menos sensível à temperatura.
 regime limitado por transporte
de massa.
c)
- Se aumentarmos mais a
temperatura, a taxa decresce
rapidamente devida a nucleação na
fase
gasosa.

processo
indesejável.
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• Regime limitado por reação:
Taxa de deposição bastante sensível a temperatura
porque é determinado principalmente pela taxa de
reação química. Requer boa uniformidade de
temperatura sobre o substrato.
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• Regime limitado por transporte de massa:
A taxa de reação química é suficientemente alta e
os precursores reagem imediatamente quando
adsorvidos sobre a superfície do substrato. Taxa
de deposição não depende da taxa de reação de
superfície, mas pela rapidez com que os
precursores podem difundir através do “boundary
layer” e adsorvido sobre a superfície. Requer
boa uniformidade de fluxo e de densidade de
espécies sobre as lâminas.
Chemical Vapor Deposition
Difusão através do
“boundary layer” na
suferfície do substrato.
Ao alcançar determinada temperatura,
a taxa de reação torna-se controlada
por taxa de reagentes que chegam a
superfície do substrato.
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• Dinâmica dos Fluidos no Reator

Comportamento da Velocidade dos fluídos
Perfil de velocidade – reator
tubular
Velocidade do fluído na
superfície do reator é zero.
Aumenta a medida que se
distancia da parede. Há uma
certa distância da entrada do
gás, apresenta um perfil
parabólico.
Chemical Vapor Deposition
• Concentração dos gases reagentes
Concentração dos reagentes
num reator de paredes
quentes.
Concentração dos reagentes num
reator de paredes frias. Zero na
superfície do susceptor e aumenta
rapidamente com distância da
superfície.
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• Perfil de temperatura
Reator de paredes quentes: na entrada
somente os gases próximos a parede
são aquecidas. Pouco adiante, gases
próximos do centro são aquecidos. Se
o reator for longo, em algum ponto o
gás e aquecido uniformente.
Reator de paredes frias : a
temperatura do gás é mais alto
na superfície do susceptor e
decresce rapidamente para um
valor constante, a uma certa
distância da superfície.
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3. Tipos de Reatores
Baixa
Pressão
Pressão
Atmosférica
Paredes
Quentes
Movimentação
Contínua
Paredes
Frias
Epitaxial
Paredes
Quentes
Assistido
por
Plasma
Paredes
Quentes
Placas
Parelelas
Isotérmico
com Fluxo
Vertical
Paredes
Frias
Plasma
Remoto,
ECR, outros
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• Reatores CVD de Pressão
Atmosférica - APCVD
Características:
• operam normalmente na condição
de taxa limitada por transferência
de espécies  fluxo deve ser
idêntico sobre todas as lâminas
 pode processar poucas
lâminas por vez.
Chemical Vapor Deposition
• Vantagens e Desvantagens
• Vantagens:
• Estrutura do reator bastante simples;
• Alta taxa de deposição.
• Desvantagens:
• pode processar poucas lâminas
por vez;
• cobertura de degrau pobre;
• é susceptível à reações em fase
gasosa (reação homogênea) 
causa particulados e filme pouco
denso;
• necessita de limpeza frequente.
• É usado para deposição
de SiO2 (dopado e não
dopado) em baixa
temperatura ( 400 C).
Chemical Vapor Deposition
Reatores APCVD:
a) horizontal (tubo de parede quente)
Chemical Vapor Deposition
Reatores APCVD:
b) sistema de movimento contínuo com injeção de
gás e
(c) APCVD de movimento contínuo tipo plenum.
Chemical Vapor Deposition
Reator Epitaxial ou reator vertical tipo BellJar ou Pancake aquecido por indução.
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• Exemplo: Deposição Epitaxial do Si (a
pressão total de 1 atm)
Ea  mesmo valor e
hG  constante.
• Taxa é aproximadamente
proporcional a (mol.wt.)1/2.
• Deposição limitado por kS  bastante sensível a temperatura.
• Deposição limitado por hG  bastante sensível a geometria
(camada limite).
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• Efeito Geométrico
• Deposição epi do Si: feito a alto T, para obter
crescimento de mono cristal de alta qualidade.
 controlado por hG .
 configuração do reator horizontal.
• hG corresponde a
difusão através de
boundary layer de
espessura S.
hG 
DG
S
Chemical Vapor Deposition
• Mas S não é constante a medida que o gás flui ao
longo da superfície.
 Geometria especial é requerida para
deposição uniforme.
• Inclinando o suceptor aumenta a velocidade
do gás que auxilia manter o S constante.
Chemical Vapor Deposition
• Reatores CVD de Baixa Pressão - LPCVD
Problemas dos sistemas APCVD:
• Se operar a altas temperaturas, deve usar
configuração horizontal (poucas lâminas
por vez).
• Se operar a temperaturas baixas, a taxa de
deposição diminui bastante e o rendimento
torna-se muito baixo.
Chemical Vapor Deposition
• Solução:

hG 
Operar a baixa pressão, no regime
limitado por transferência de massas.
DG
S
mas,
1
DG 
Ptotal
• DG   760 vezes a 1 torr, enquanto S
aumenta cerca de 7 vezes.  hG aumenta
aproximadamente de 100 vezes.
• Transporte de reagentes da fase gasosa para
superfície através de boundary layer não é
mais limitante da taxa.
Chemical Vapor Deposition
• O processo é mais sensível a T, mas pode usar
sistema de parede quente, para bom controle
da temperatura e pode empilhar lâminas.
Chemical Vapor Deposition
Pressão Reduzida(0.25 – 2.0 Torr)  aumenta difusibilidade das
espécies (103 vezes).
Processo  opera em taxa limitado por reação.
Características do Sistema:
• menos reação na fase gasosa  menor geração de partículas;
• boa uniformidade;
• boa cobertura de degraus;
• baixa taxa de deposição (10 – 50 nm/min.);
• não requer uniformidade de fluxo, mas sim de temperatura 
pode se utilizar um forno convencional  pode processar muitas
lâminas por vez (até  200);
• usado para deposição de: Si-poli, Si3N4, SiO2, PSG, BPSG, W,
etc.
Chemical Vapor Deposition
Reator LPCVD
horizontal de
parede quente.
• O reator deste tipo permite processar
grande quantidade ( 200) de lâminas
por fornada.
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• Reator LPCVD do tipo
vertical isotérmico.
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• Reatores CVD Assistida por Plasma - PECVD
Características :
• operam em regime de taxa limitada por reação;
• taxa de deposição mais elevada que o LPCVD;
• operam em temperatura mais baixa que nos processos APCVD e LPCVD
 permite depositar filmes de SiO2 e Si3N4 sobre metais de baixo ponto
de fusão.  importante quando já existe Al na lâmina;
• boa adesão e boa cobertura de degraus, devido à maior mobilidade
superficial das espécies adsorvidas;
• filmes não são estequiométricos;
• há incorporação de subprodutos de reação, especialmente hidrogênio,
oxigênio e nitrogênio. Pode resultar em degaseificação, formação de
bolhas e quebras do filme durante etapas posteriores;
• é um processo mais complexo, com mais parâmetros;
• pode depositar SiO2, Si3N4, oxinitretos, SiC, a-Si, etc.;
• PECVD a temperatura mais elevada permite crescer epi: Si, Ge e III-V.
Chemical Vapor Deposition
• Plasma?
• Energia não térmica para melhorar o processo a
temperaturas baixas.
• Plasma consiste de eletrons, moléculas ionizadas,
moléculas neutras, fragmentos de moléculas
neutras e ionizadas, moléculas excitadas e radicais
livres.
• Radicais livres são espécies eletricamente neutras
que possuem ligações incompletas e são
extremamente reativas (exemplos: SiO, SiH3, F).
• Processos de superfície e a deposição ocorrem a
temperaturas mais baixas que em sistemas nonplasma, como resultado desta fragmentação e
bombardeio de radicais livres e ions.
Chemical Vapor Deposition
(a)
(a) Reator de Fluxo Radial (Placas Paralelas)
• + baixa temperatura;
• capacidade limitada;
• manual;
• podem cair partículas sobre o filme/substrato.
Chemical Vapor Deposition
(b)
(b) Reator Horizontal de Parede Quente
•
+ lâminas em pé e paralelo ao fluxo;
•
+ alta capacidade;
•
+ baixa temperatura;
•
manual;
•
Geração de particulas durante a carga.
Chemical Vapor Deposition
(c)
(c) Reator Planar de Parede
Fria para Substrato Único
Chemical Vapor Deposition
• Reatores CVD com Plasma Remoto – RPECVD
(remote, indirect ou downstream PECVD)
A câmara onde o plasma é
gerado está separada da
câmara de reação onde se
encontram os substratos. 
os substratos não ficam
expostos diretamente à
radiação do plasma e portanto
não são bombardeados pelos
íons de alta energia.
Reator ECR. Neste tipo de reator o plasma é gerado por um campo
elétrico com frequência de microondas em um campo magnético que provoca
a ressonância ciclotrônica do elétron. Plasma 100 vezes mais denso em
espécies reativas.
Chemical Vapor Deposition
• Características e Aplicações de Reatores CVD
Processos
Vantagens
Desvantagens
Aplicações
APCVD
Simples
Alta taxa de deposição
Baixa temperatura
Cobertura de degraus
ruins
Contaminação por
partículas
Óxidos de baixa
temperatura, dopados ou
não
LPCVD
Excelente uniformidade e
pureza
Processamento de muitas
lâminas por vez ( até 200)
Alta temperatura
Baixa taxa de deposição
Óxidos de alta
temperatura, dopados ou
não, nitreto de silício,
polisilício, W e WSi.
PECVD
Baixa temperatura
Alta taxa de deposição
Boa cobertura de degrau
Contaminação química,
como H2 e por
particulados
Deposição de dielétricos
sobre metais em baixa
temperatura e nitreto de
silício
RPECVD
Mesmas que PECVD sem a
radiação do substrato pelo
plasma
Baixa taxa de deposição
Mesmas que PECVD e
dielétricos de porta em
estruturas MOS
ECR
Baixa temperatura
Alta qualidade dos filmes
depositados
Alta taxa de deposição
Boa cobertura de degrau
Alto custo do
equipamento
Mesmas que RPECVD
Chemical Vapor Deposition
• Referências:
1.
2.
3.
S. Wolf and R. N. Tauber; Silicon Processing for the
VLSI Era, Vol.1, Process Technology, Lattice Press,
1986.
S. A. Campbel; The Science and Engineering of
Microelectronic Fabrication, Oxford University Press,
1996.
J. D. Plummer, M. D. Deal and P.B. Griffin; Silicon
VLSI Technology – Fundamentals, Practice and
Modeling, Prentice Hall, 2000.