Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Film sottili/Chemical Vapor Deposition (CVD)

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La CVD (deposizione chimica in fase vapore) è una tecnica di crescita epitassiale. I processi epitassiali sono utilizzati per far crescere strati di materiale cristallino su un substrato che funge da seme cristallino. I film comunemente deposti con tecnica CVD sono:

• Isolanti
  • Inter Level Dielectric oxide (ILD)
  • High Density Plasma oxide (HDP)
  • Borum Phosphorous Silicon Glass (BPSG)
• Conduttori
  • polisilicio
  • tungsteno
  • nitruro di tungsteno
  • titanio
  • nitruro di titanio

Per creare lo strato epitassiale, si fanno reagire chimicamente allo stato gassoso alcune sostanze proprio sul substrato. Nella camera di reazione vengono posti i wafer di silicio, e all'ingresso della camera si fanno entrare le particelle allo stato gassoso che devono essere depositate sul silicio (droganti vari oppure altro silicio). I wafer sono posti su di un suscettore in grafite riscaldato per induzione, da due bobine a radiofrequenza che oltre a sostenerli, serve come sorgente di energia termica per la reazione. Scaldare il wafer tramite il suscettore permette di mantenere fredde le pareti della camera in cui avviene la CVD. In questo modo si evita la deposizione di particelle sulle pareti e quindi una eventuale contaminazione dello strato deposto sul wafer. Le particelle introdotte reagiscono sul substrato depositandosi su di esso; spesso si producono altri composti che verranno estratti dalla camera di reazione.

Il processo CVD ha 4 fasi:

1. Introduzione in camera dei gas reagenti e trasporto verso il substrato
2. Adsorbimento dei reagenti sul substrato
3. Diffusione e decomposizione delle molecole
4. Desorbimento dei prodotti di reazione

Fase 1 (introduzione in camera dei gas reagenti e trasporto verso il substrato)

I gas reagenti (precursori) vengono introdotti nella camera di processo insieme ad altri gas (carriers), quali l’argon, l’azoto, l’elio, che hanno lo scopo di trasportare e diluire, nel modo più uniforme possibile, il precursore sulla superficie del wafer. Prima di introdurre i precursori solitamente viene fatta una pulizia in-situ del substrato introducendo gas contenenti acido cloridrico.

Fase 2 (assorbimento dei reagenti sul substrato)

Le molecole si legano al substrato a causa delle forze di Wan Der Walls debolmente attrattive (adsorbimento fisico) oppure coinvolgendo dei veri e propri legami chimici tra precursori e substrato (adsorbimento chimico).

Fase 3 (diffusione e decomposizione delle molecole)

Diffusione delle molecole sul substrato e rottura dei legami chimici a causa dell’elevata temperatura con formazione di radicali (pirolisi). La temperatura deve essere sufficientemente alta da poter rompere i legami chimici che legano le molecole dei precursori per formare radicali: questo processo è chiamato pirolisi. Un esempio molto semplice può essere quello della deposizione di Silicio mediante Silano ad una temperatura di 600ºC: SiH4→Si + 2H2. In questo caso la molecola di Silano sulla superficie del wafer è stata rotta (-lisi) per mezzo dell’alta temperatura (piro-) liberando due molecole di Idrogeno e lasciando un atomo di Silicio libero di legarsi alla superficie del wafer.

Fase 4 (desorbimento dei prodotti di reazione)

I prodotti solidi della reazione si depositano sulla superficie del substrato mentre quelli gassosi vengono desorbiti tornando in fase gassosa ed aspirati dal sistema da vuoto.

Indice 1 Tecniche di CVD 2 Struttura del film epitassiale 3 Deposizione di CVD Tungsteno (W) 4 Deposizioni di Ossidi CVD 5 Deposizione di polisilicio

[modifica] Tecniche di CVD

LPCVD (low pressure CVD)

Deposizione lenta a bassa pressione ed elevata temperatura. Le reazioni chimiche avvengono sulla superficie del wafer grazie alla elevata temperatura che facilita la rottura dei legami molecolari. La bassa pressione rende circa nulla la possibilità che due molecole urtino ed evita reazioni in fase gassosa che potrebbero risultare dannose per i dispositivi. La bassa pressione inoltre consente una deposizione lenta ed un buon controllo degli spessori nel tempo.

SACVD (sub atmospheric CVD)

Deposizione veloce a pressione atmosferica ed elevata temperatura. Le reazioni chimiche avvengono sulla superficie del wafer grazie alla elevata temperatura che facilita la rottura dei legami molecolari. Questa tecnica consente elevate velocità di deposizione e buon riempimento delle zone non ben esposte ai reagenti.

PECVD (plasma enhanced CVD)

Deposizione assistita con plasma a RF ed elevato depo-rate e bassa temperatura. Questa tecnica prevede sorgenti di tensioni e correnti oscillanti a radiofrequenza che ionizzano parte delle molecole dei gas utilizzati come precursori, generando radicali molto reattivi e pronti per legarsi al substrato. La deposizione è molto veloce proprio per la presenza del plasma.

In questa tecnica quindi i reattori sfruttano una scarica provocata dall' applicazione di un campo a radiofrequenza attraverso un gas a bassa pressione per trasferire energia ai gas reagenti.

[modifica] Struttura del film epitassiale

L' epitassia è quindi una crescita di materiale cristallino tale da mantenere le direzioni cristallografiche del substrato sul quale avviene la deposizione.

• Se il film cresciuto è dello stesso materiale del substrato il processo si chiama omeoepitassia.
• Se il film viene cresciuto su di un substrato chimicamente differente il processo si chiama eteroepitassia.

La struttura cristallina del substrato viene ripetuta nello strato epitassiale, ed eventuali difetti presenti sul substrato saranno ripetuti nello strato epitassiale.

[modifica] Deposizione di CVD Tungsteno (W)

Lo strato di tungsteno serve per riempire ad esempio i contatti di Source e Drain del transistor. Il tungsteno non arriva fino al substrato di silicio ma "atterra" su una Plug di polisilicio che prolunga il contatto fino al substrato.

Il tungsteno non arriva fino al silicio perché reagisce con quest'ultimo creando composti che possono alterare il contatto. In realtà il tungsteno non deve essere depositato neanche sul poly (in quanto contiene anch'esso silicio) e quindi viene creata una barriera di titanio e nitruro di titanio. Viene inserito prima il titanio che aderisce bene al BPSG e, successivamente, si mette anche il nitruro di titanio che è la vera e propria barriera che evita il contatto tra tungsteno e poly.

Con l'avanzare della tecnologia si tende ad ottenere dei dispositivi che presentino una piccola larghezza, questo però porta ad un aumento dell'altezza dei contatti e quindi ad avere un elevato aspect ratio (rapporto tra l'altezza e la larghezza del dispositivo). La necessità di avere un aspect ratio elevato è facile da comprendere se si pensa ai condensatori che dovranno, comunque, presentare un valore di capacità adatto all'immagazzinamento dei dati. La plug di polisilicio quindi, ha anche il ruolo di innalzare il contatto per evitare di dover fare un etch troppo profondo.

La deposizione del tungsteno avviene in due fasi, una prima fase detta di nucleazione ed una seconda fase di deposizione del bulk. Nella fase di nucleazione la reazione che avviene è la seguente:

La velocità di deposizione, in questo caso, dipende dalla velocità di afflusso del silano, infatti la reazione avviene in un ambiente saturo di .

La fase di deposizione del bulk avviene secondo la reazione:

Il processo di riduzione del Silano fornisce un elevato tasso di deposizione ed una minore dimensione dei grani di W rispetto alla reazione di riduzione dell’idrogeno (step di deposizione del bulk), che invece, a causa della produzione di HF, genera la contaminazione dell’ossido ed una maggiore rugosità superficiale. Successivamente viene usato il processo di riduzione dell’idrogeno per riempire i contatti di W, a causa della buona conformazionalità della deposizione.Si preferisce quindi, effettuare la deposizione del tungsteno nei due step sopra indicati in modo da evitare la formazione iniziale dell'acido fluoridrico (che è molto corrosivo) e da ottenere uno strato di tungsteno migliore utilizzando il silano che è un riducente migliore dell'idrogeno per il . Ricapitolando:

• la nucleazione consente di avere minore dimensione dei grani e buona adesione. Il film è sottile anche se si ha una cattiva ricopertura.
• la deposizione del bulk si ha una buona copertura, il film è spesso ma con maggiore rugosità dovuta proprio all'HF.

Anche il nitruro di titanio può essere deposto in tecnica CVD. Le reazioni necessarie per la deposizione sono le seguenti:

Anche in questo caso sarà molto importante lo step coverage: non si devono avere assottigliamenti dello strato. La velocità di deposizione dipenderà dalla concentrazione (pressione parziale) dell'ammoniaca.

Una tecnica molto sofisticata per depositare film sottili su diversi tipi di substrati è l' ALD (Atomic Layer Deposition). È simile alla tecnica CVD, eccetto per il fatto che la reazione ALD divide la reazione CVD in due mezze reazioni, mantenendo i gas precursori separati durante la reazione, in modo tale da non generare reazioni in fase gassosa che potrebbero generare particelle. I gas precursori vengono deposti uno per volta e alla fine di ciascuna deposizione la camera viene pulita con un flusso di azoto. Questa tecnica consente un ottimo controllo dello spessore del nitruro depositato, ma ha lo svantaggio di essere piuttosto lenta.

Questa tecnica è ottima per deporre il dielettrico del condensatore.

[modifica] Deposizioni di Ossidi CVD

• BPSG (BoroPhosphoSilicateGlass)

è impiegato come struttura isolante tra gli strati conduttori molto densi a causa della sua eccellente fluidità. Il BPSG è un ossido di silicio drogato con Boro e Fosforo a dosi di circa 3-5%. La deposizione avviene per SACVD fra i 480 e i 530°C.

Reazione Termica:

• TEOS (TetraEtilortOSilicato)

è utilizzato come strato non drogato prima della deposizione del BPSG e viene anche usato come strato di passivazione finale. Il TEOS si deposita mediante tecnica PECVD a partire dal TEOS e dall’ Ossigeno.

Reazione Termica:

La temperatura risulterà uguale a 375°C

• HDP (HighDensityPlasma)

è utilizzato come isolante tra le aree attive dei dispositivi. In questa deposizione si ha un bombardamento ionico e quindi si verifica un processo di rimozione del film. Quando il flusso di ioni (che continua a bombardare la superficie) supera il flusso netto di deposizione, esso viene chiamato Plasma ad Alta Densità.

[modifica] Deposizione di polisilicio

Il silicio policristallino viene largamente utilizzato come elettrodo di gate avendo un'affidabilità molto maggiore dell'alluminio e viene utilizzato anche per assicurare contatti di tipo metallico con il silicio monocristallino. Le sorgenti principalmente usate per la crescita epitassiale sono diclorosilano () e silano () che garantiscono elevata volatilità e relativamente basse temperature di reazione. Nel caso del silano in base alla pressione in camera di reazione il gas può essere introdotto puro o insieme ad azoto. Per il silano puro vale la reazione: