Micro e nanotecnologia/Microtecnologia/Film sottili/Physical Vapor Deposition (PVD)

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La deposizione fisica da fase vapore avviene sotto vuoto per mezzo di tecniche di evaporazione e sputtering. Il vuoto all’ interno della camera viene fatto attraverso una pompa ad alto vuoto.

[modifica] Film deposti a PVD

Nella deposizione fisica da fase vapore vengono depositati vari tipi di metalli:

1. W:diminuisce la resistività delle linee di gate (word line)
2. WN:evita che il W deposto contamini i dielettrici sottostanti
3. Ti:favorisce l'adesione dell'Al sull'ossido e il riempimento delle interconnessioni
4. Al/Cu:utilizzato come parte conduttiva della linea
5. TiN:permette i processi fotolitografici successivi inibendo le proprietà riflettenti dell'alluminio

[modifica] Evaporazione

Ci sono diversi tipi di sorgenti usate nel processo di evaporazione:

1. Si riscalda la sorgente tramite una resistenza avvolta come se stessimo formando una bobina. Il filo che forma la resistenza può essere il tungsteno che ha un’ alta temperatura di fusione. Si deposita poi una piccola quantità, ad esempio di alluminio, in ogni ansa della bobina. Questa disposizione presenta il vantaggio di essere semplice da realizzare e poco costosa. I principali svantaggi sono che il riscaldatore potrebbe contaminare la sostanza, il film ottenuto non potrà essere di uno spessore pronunciato a causa della piccola quantità di alluminio posta sul riscaldatore.
2. Ci sono poi sorgenti per evaporazione riscaldate per induzione a radiofrequenza. C’ è un crogiolo che contiene il carico da depositare con una bobina avvolta attorno. Il principale vantaggio di questa tecnica è quella di avere un alto rate di deposizione ma il crogiolo potrebbe contaminare il carico da depositare.

1. Esistono poi sorgenti di evaporazione a fascio di elettroni (electron beam). Un filamento incandescente fornisce corrente per effetto termoelettronico al fascio di elettroni e questi sono accelerati da un campo elettrico in modo da colpire la superficie del carico dove deve avvenire l’ evaporazione. Un particolare svantaggio è che il fascio di elettroni potrebbe generare una radiazione ionizzante (generazione di raggi X) che potrebbe penetrare negli strati superficiali dei dispositivi causando la creazione di cariche intrappolate che modificano la struttura del dispositivo.

[modifica] Sputtering

Il processo PVD (Physical Vapor Deposition) utilizza il metodo dello sputtering, mediante il quale atomi del materiale vengono erosi da una superficie denominata "target" per mezzo delle collisioni con ioni accelerati ad elevata energia. Questi atomi vengono quindi raccolti sulla superficie del wafer formando un sottile film di materiale conduttivo.

La caratteristica principale della deposizione fisica è che il materiale viene deposto direttamente sul wafer, senza bisogno dell'intervento di una reazione chimica che formi il nuovo materiale.

Nella tecnica standard (Fig. A) la necessità di avere una buona uniformità di sputtering implica che vi sia una piccola distanza di separazione tra il target ed il substrato, onde evitare lo scattering (urti) del flusso per effetto delle molecole del gas. Ciò determina un'ampia distribuzione angolare del flusso di ioni.

Per diminuire la distribuzione angolare si può diminuire la pressione al di sotto di 0.1 Pa, generando un minor effetto di scattering del gas. In questo modo è possibile aumentare la distanza target-substrato (long throw sputtering, Fig.B), ottenendo una minore distribuzione angolare, che consenta una maggiore deposizione al fondo dei contatti.

Infine, specialmente nel caso in cui si debbano riempire stretti contatti, si fa uso di un collimatore che restringa il flusso di ioni all'interno di un range angolare di +- 5° attorno alla normale (Fig. C)

a)distanze elevate tra target e substrato accentuano il fenomeno di scattering(urti) con le molecole del gas e causano distribuzioni angolari ampie.
b) diminuendo la pressione fino a 0.1Pa è possibile avvicinare il target al substrato senza accentuare il fenomeno di scattering. In questo caso la distribuzione angolare diminuisce ed è possibile ricoprire il fondo dei contatti in modo più efficace.
c)nel caso si debbano riempire contatti stretti per diminuire ulteriormente la distribuzione angolare si fa uso di un collimatore interposto tra target e substrato.

[modifica] Fasi del processo PVD

Il processo di sputtering consiste di queste 4 fasi:

1. Generazione del Plasma
2. Bombardamento ionico del target
3. Rimozione degli atomi del target
4. Deposizione del film sul substrato

Il metodo più comune per ottenere il bombardamento ionico è di riempire la camera di un gas inerte alla pressione da 1 a 100mTorr ed innescare la scarica in modo da ionizzare il gas vicino al target. Una tale scarica elettrica a bassa pressione è la scarica ad incandescenza (glow discharge) ed il gas ionizzato è il plasma. Il target è polarizzato negativamente (catodo) in modo che la superficie sia bombardata dagli ioni positivi provenienti dal plasma. I potenziali elettrici applicati sono compresi tra 500 e 5000V. Lo svantaggio di questo metodo è che non può essere usato nel caso il target sia un materiale isolante, infatti i materiali non conduttori quando vengono bombardati dagli ioni tendono a caricarsi positivamente con un effetto di schermo del campo e relativo decadimento della corrente.

Un metodo migliore è l'RF sputtering. In questo metodo il target è connesso ad un generatore di tensione alternata che inverte periodicamente la polarità di quest'ultimo. Nello specifico per metà periodo il target si comporta da catodo attirando ioni positivi e nell'altro semiperiodo si comporta da anodo attirando elettroni. Se però la frequenza è sufficientemente alta (circa 10 Mhz) gli ioni, più pesanti e quindi meno mobili degli elettroni, non riusciranno a passare dal plasma al catodo. Siccome il potenziale degli elettrodi è inversamente proporzionale alla superficie di questi il target deve essere più piccolo del substrato altrimenti il sistema risulterà simmetrico e lo sputtering avverrà su entrambe le superfici.
È possibile diminuire ulteriormente la pressione in camera di processo utilizzando la configurazione a triodo dove un catodo aggiuntivo riscaldato emette elettroni per emissione termoionica garantendo un flusso di corrente costante in condizioni di alto vuoto.
Un affinamento dell'RF sputtering è la deposizione PVD da Magnetron in cui si pone un magnete sotto il target.

In generale un processo di sputtering consiste di questi 4 passi:

1. Si genera il plasma per produrre il bombardamento ionico del target
2. Gli ioni provenienti dal plasma sputterano atomi/ioni dal target.
3. Gli atomi/ioni sputterati vengono trasportati verso il substrato.
4. Una volta raggiunto il substrato condensano e formano un sottile strato di materiale solido.

[modifica] Caratteristiche della deposizione PVD

Vantaggi

• Velocità di deposizione
• Ottima qualità dei materiali deposti. Film con assenza di contaminati che invece sono presenti nei film CVD
• Uniformità della deposizione
• Costi contenuti

Svantaggi

• Impossibilità di depositare materiali polimerici con qualche eccezione
• Alto grado di sofisticazione dell'apparecchiatura e, perciò, alto costo iniziale
• Tecnologia che richiede una preparazione adeguata del personale