7.2. Deposição por CVD 7.3. Dopagem por difusão

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1 7 Técnicas CVD e Dopagem Introdução Contexto (das aulas) Contexto (nosso processo) 7.2. Deposição por CVD 7.3. Dopagem por difusão 1

2 Contexto da aula Obtenção de Materiais Método Czochralski : Filmes o Oxidação : SiO 2 Si (lâminas) o Spin-Coating : Fotoresiste Microeletrônica Tecnologia dos CI s Fotolitografia (Miniaturização) Dopagem o CVD e PVD : óxido Si-Poli Metais Corrosão (Definição de geometrias) Limpeza Hoje 2

3 Nosso processo Introdução Aula Deposição e dopagem do Silício Poli

4 7.1 Deposição por CVD Além das técnicas de spin-coating e óxidação térmica, outras técnicas de deposição de filmes finos são necessárias para : obtenção de camadas finas de Si cristalino e poli-cristalino obtenção de SiO 2, Si 3 N 4 e outros dielétricos, em baixas temperaturas e/ ou sobre substratos diferentes do Si obtenção de filmes metálicos essenciais para definir trilhas metálicas, formação eletrodos, superfícies refletoras, etc. Duas variantes : Chemical Vapor Deposition (CVD) Physical Vapor Deposition (PVD) Deposição a partir de reações químicas envolvendo gases precursores com os elementos químicos que compõem o material a ser depositado partículas precursoras atingem o substrato a partir de um movimento aleatório, regido por processos de difusão e/ou convecção de matéria. Deposição a partir de átomos que são ejetados de desde uma fonte sólida ou líquida partículas precursoras atingem o substrato a partir de trajetórias retilíneas baixas pressões Hoje Aula 9 4

5 Chemical Vapor Deposition (CVD) deposição de filmes finos a partir de reações químicas envolvendo gases precursores que contém os elementos químicos que compõem o material a ser depositado ampla faixa temperaturas ampla faixa de pressões ( de pressão atmosférica a mtorr ) partículas precursoras atingem o substrato a partir de num movimento regido por processos de difusão e convecção de matéria. O principal atrativo da técnica CVD é a versatilidade. Com ela é possível obter, de forma controlada : filmes cristalinos, policristalinos e amorfos filmes de alta pureza a temperaturas relativamente baixas (~800 o C) filmes de estequiometria e estrutura variável 5

6 CVD Esquema básico de um reator CVD : Exemplos Si SiO 2 Si 3 N 4 exaustão 6

7 CVD Exemplos de materiais obtidos por CVD : Deposição de Silício : SiH 4 Si + 2 H 2 Deposição de óxido : Como promover essas reações?? SiH O 2 SiO H 2 O Filme CVD Temperatura Pressão Plasma Substrato (Si) 7

8 CVD Tipos de reatores CVD Ambiente (APCVD) Epitaxia de Si Pressão Reduzida Térmica (LPCVD) Si poli Térmica + Plasma (PECVD) Só plasma (HDP-CVD) Radiação (Photo-CVD) Metal Organic CVD (MOCVD) SiO 2 Paredes da câmara Frias : Aquecimento interno apenas no suporte das lâminas, que pode ser resistivo, indutivo (r.f.) ou por lâmpadas (infra vermelho). As paredes do reator devem ser resfriadas para minimizar a deposição involuntária de filmes. Quentes : O aquecimento (resistivo, indutivo ou por lâmpadas) é feito externamente, portanto além das lâminas, as paredes do reator também são aquecidas. Assim, a deposição de filmes nas paredes da câmara de deposição é inevitável, o que implica em limpezas mais frequentes. 8

9 Atmospheric Pressure CVD (APCVD) Exemplo Devido à pressão, o crescimento de filmes em reatores APCVD é limitado pela difusão gasosa. Assim, o fluxo dos reagentes para todas as regiões da câmara de deposição (ou seja, para todos os substratos) deve ser precisamente controlado. Isso torna importante a geometria do reator, já que esta afeta o fluxo de gases no seu interior. 9

10 Crescimento Epitaxial de Si Exemplo A Epitaxia utiliza ativação térmica para promover, a partir de uma atmosfera gasosa, o crescimento de películas finas cristalinas sobre substratos também cristalinos. Assim, nesta técnica o substrato de Si funciona como semente para o crescimento do filme cristalino. No caso do Si, são utilizados gases como SiH 4, que permitem obter películas de Si cristalino (dopado ou não) com a mesma orientação cristalográfica da lamina de Si utilizada como substrato. Por outro lado, os filmes de Si dopado podem ser de diferente tipo e com diferente concentração de dopantes em relação ao substrato. As espessuras típicas estão na faixa entre 1 um e 20 um. As películas cristalinas também podem ser de um material diferente do substrato. Neste caso falamos em Heteroepitaxia, na qual um fator critico e limitante é o descasamento entre as redes cristalinas do substrato e do filme. Por exemplo, películas cristalinas heteroepitaxiais de Si podem ser obtidas sobre Safira (Al 2 O 3 ) para produzir substratos SOS ( silicon-on-saphira ), importantes quando se quer um substrato isolante ou transparente. Películas epitaxias de Si também podem ser obtidas sobre substratos amorfos, como lâminas de Si oxidadas. Neste o caso o substrato é amorfo e a película de Si obtida é poli-cristalina. 10

11 Epitaxia de Si Exemplo Embora existam diferente tipos, o reator horizontal é um dos mais comuns utilizados : As fontes gasosas mais utilizadas são o Silano (SiH 4 ), dicloro silano (SiH 2 Cl 2 ), tricloro silano (SiHCl 3 ) e principalmente o tetracloreto de Si (SiCl 4 ). Temperaturas típicas de deposição estão na faixa entre 1000 e 1200 o C mas é possível trabalhar em temperaturas < 800 o C. Estas baixas temperaturas estão bem abaixo do ponto de fusão do Si (1420 o C) e são um dos principais atrativos do crescimento epitaxial. A substituição de cada átomo de H por um de Cl na molécula de SiH 4 permite reduzir a temperatura de trabalho em 50 o C. 11

12 Epitaxia de Si A reação química que rege o crescimento dos filmes de Si a partir de SiCl 4 é : SiCl 4 (gás) + 2H 2 mas também ocorre a reação : Si (sólido) + 4HCl (gás) (I) SiCl 4 (gás) + Si (sólido) 2SiCl 2 (gás) (II) que corresponde à corrosão do substrato de Si. Por isso o crescimento epitaxial do Si não pode ser realizado com altas concentrações de SiCl 4. Note que, a equação (I) é reversivel, e portanto gases contendo HCl podem ser utilizados para uma limpeza inicial da superfície do substrato de Si. Taxa típicas de crescimento estão ao redor de 0,2 e 4 um/min, dependendo dos gases e temperatura utilizados. Filmes dopados podem ser obtidos introduzindo no reator, junto com o SiCl 4, gases contendo os elementos dopantes : Fosfina (PH 3 ) e Arsina (AsH 3 ) para Si tipo-n Diborano (B 2 H 6 ) para Si tipo-p tipicamente, os gases dopantes são diluidos em H 2 para melhorar o controle sobre os fluxos e a dopagem. 12

13 Mecanismo de crescimento dos filmes O processo de crescimento dos filmes epitaxiais de Si envolve : (1) a introdução dos gases (reagentes, de arraste ou de diluição) na câmara de deposição (2) Difusão gasosa dos gases na direção dos substratos (lâminas de Si) onde o material irá a ser depositado (3) os reagentes gasosos são adsorvidos na superfície do substrato (4) os reagentes adsorvidos se movem na superfície do substrato até sítios ativos (note que isto depende da temperatura do substrato) (5) nos sítios ativos ocorre a Reação Química que origina o filme e os subprodutos da reação (6) os subprodutos da reação são desorvidos e removidos do reator O processo mais lento (Difusão ou Reação Química) controla o crescimento dos filmes 13

14 Low Pressure CVD (LPCVD) Em reatores LPCVD o crescimento dos filmes é limitado por reação química. Por esse motivo, a temperatura de deposição é um fator critico e deve ser muito bem controlada. A técnica de LPCVD teve rápida aceitação devido às seguintes vantagens : maior número de lâminas por processo menor contaminação por particulas melhor uniformidade na espessura e conformação dos filmes facilidade no controle da composição dos filmes depositados. Esta é a técnica que utilizamos em nosso processo para obter o Si poli Temperatura: 630 C - Tempo : 75 min Pressão : 0,5 torr Fluxo de SiH 4 : 480 sccm Fluxo de N 2 : 280 sccm Espessura esperada : 500 nm 14

15 Filmes semicondutores e isolantes obtidos por CVD Epitaxia SiH 4 Si + 2 H 2 Ar, AsH 3 (F,T), B 2 H 6 (F,T), SiCl H 2 Si + 4 HCl SiH 2 Cl 2 (F,C), H 2, HCl (C), SiH 2 Cl 2 Si + 2 HCl N 2, PH 3 (P,T), SiH 4 (P,T),SiCl 4 (C) Si poli SiH 4 Si (poli) + 2 H 2 AsH 3, B 2 H 6, SiH 2 Cl 2, H 2, N 2, PH 3, SiH 4, SiCl 4 a-si SiH 4 + H 2 a-si:h + 2 H 2 SiC SiH 4 + CH 4 + H 2 SiC +... CH 4 (F) SiO 2 SiH 4 + 2O 2 SiO H 2 O AsH 3, CO 2 (T), B 2 H 6, SiH 4 + 4CO 2 SiO 2 + 4CO + 2H 2 O SiH 2 Cl 2, H 2, N 2, N 2 O, SiH 2 Cl 2 + 2N 2 O SiO 2 + 2N 2 + 2HCl O 2, PH 3, SiH 4 (C 2 H 5 O) 4 Si SiO TEOS Si3N4 3SiH 4 + 4NH 3 Si 3 N H 2 NH 3 (F,C), Ar, 3SiH 2 Cl 2 + 4NH 3 Si 3 N 4 + 6HCl + 6H 2 AsH 3, SiH 2 Cl 2, H 2, N 2, PH 3, SiH 4 SiOxNy SiH 2 Cl 2 + NH 3 + N 2 O Si x N y O z + HCl

16 7.3 Dopagem Elétrica A dopagem elétrica de um semicondutor envolve a alteração das suas propriedades elétricas através da adição controlada de quantidades ínfimas (partes por milhão ou menos) de certas impurezas especificas. Isto se manifesta de 3 formas bem particulares só encontradas nos semicondutores : A possibilidade de existirem dois tipos de portadores de carga : elétrons (nos materiais tipo-n) e lacunas (nos materiais tipo-p) A possibilidade de se alterar em ordens de grandeza, a condutividade elétrica do semicondutor A possibilidade de formar regiões de carga espacial dentro do semicondutor. Do ponto de vista tecnológico, estas propriedades são extremamente importantes. É nelas que se baseiam praticamente todos os dispositivos semicondutores e toda a industria dos Circuitos Integrados. Existem basicamente dois tipos de semicondutores dopados : Semicondutores tipo-n : Semicondutores tipo-p : As impurezas são doadoras de elétrons ( No Si : P e As ) As Impurezas são aceitadoras de lacunas ( No Si : B ) 16

17 Técnicas de Dopagem 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Existem basicamente duas técnicas para dopar Silício, sendo que ambas são utilizadas de forma complementar na fabricação de fabricação de Circuitos Integrados : Difusão Térmica Implantação Ionica Próxima aula Baseada no movimento expontâneo das partículas de regiões de alta concentração para regiões de baixa concentração. Assim, as impurezas são introduzidas no Si colocando a lamina a ser dopada em contato com uma fonte rica no elemento dopante. Normalmente a fonte de impurezas é um ambiente gasoso, mas também podem ser utilizadas películas de óxido dopado (SOG) pré-depositadas sobre a lâmina de Si. Em ambos casos, a difusão ocorre em altas temperaturas (entre 800 e 1200 o C). Tipicamente é usada na obtenção das junções P-N profundas (em poços N e P de estruturas CMOS por exemplo). 17

18 Difusão Térmica 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica O Processo de difusão ocorre em atmosfera gasosa à pressão atmosférica : Forno de Difusão (similar ao de oxidação) - T : entre 800 e 1200 o C Fontes gasosas de Impurezas : B 2 H 6, PH 3, AsH 3 Fontes liquidas : BBr 3, POCl 3, AsCl 3 Colocadas num borbulhador, as Impurezas são arrastadas ao interior do forno por um gás inerte (N 2 ) : nosso processo N 2 + POCl 3 + O 2 T = 925 o C t = ( ) min 18

19 Difusão Térmica 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica O SiO 2 e o Si 3 N 4 funcionam como mascaras para a difusão Perfil de concentração : Aplicação o decresce monotonicamente a partir da superfície. o depende da temperatura e do tempo da difusão o a dopagem avança lateralmente por baixo do material de mascaramento Obtenção de junções profundas, por exemplo em CMOS 19

20 Difusão Térmica 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Difusão a partir de Óxido dopado (SOG) : Também ocorre num forno difusão, mas sem a atmosfera gasosa. As impurezas são fornecidas ao semicondutor são aquelas existente no óxido dopado. O óxido dopado é depositado sobre sobre a lâmina de Si por Spin-Coating, antes de se fazer a difusão. Os perfis de concentração apresentam as mesmas características da difusão em ambiente gasoso : Decrescem monotonicamente a partir da superfície e depende da temperatura e do tempo da difusão 20

21 Difusão Térmica 2.2 Revisão de processos básicos de Microeletrônica Mecanismo de Difusão A difusão das impurezas através do semicondutor hospedeiro pode ocorrer de forma intersticial, com as impurezas ocupando sítios entre os átomos, ou de forma substitucional, com as impurezas ocupando posições correspondentes aos próprios átomos da rede do Si. Note que para esto ocorra devem existir vacâncias no material : Difusão intersticial : E a ~ 0,5 a 1,5 ev Fácil de ocorrer Difusão substitucional : E a ~ 3 ev Difícil de ocorrer 1 a Lei da Difusão : Eq. da Continuidade : durante a difusão não há consumo nem formação de material no interior do semicondutor hospedero. 1 a Lei de Fick : onde consideramos que o coeficiente de difusão (D) é constante (independente da concentração de dopantes),o que em geral é válido para baixas concentrações de dopantes. 21

22 Resolução da Lei de Fick Difusão Térmica Para encontrar uma solução para a equação de Fick é necessário 1 condição inicial (no tempo) e 2 condições de contorno (no espaço). Além disso, podemos considerar dois casos extremos : Quando a Concentração é constante na Superfície e quando a Concentração total de impurezas é Constante Concentração constante na Superfície : Neste caso consideramos que existe na superfície um suprimento infinito de novas partículas (impurezas) que podem difundir. Isto faz com que na superfície a concentração tenha um valor constante igual a C s : Condição Inicial : C(x,0) = 0 Condições de contorno : C(0,t) = C s e C(,t) = 0 Solução : (I) Função Erro Complementar Note que a partir da curva de C(x,t) podemos obter a Concentração total de impurezas por unidade de área, Q(t), difundidas no interior do Semicondutor : que a partir de (I) pode ser escrita na forma : onde é o Comprimento de Difusão. 22

23 Resolução da Lei de Fick (continuação) Difusão Térmica Concentração total de impurezas Constante : Neste caso consideramos que não existes novas partículas (impurezas) entrando no semicondutor. Portanto, a concentração na superfície varia (por causa da própria difusão) mas o número total de partículas que pode difundir permanece constate Condição Inicial : C(x,0) = 0 Condições de contorno : C(,t) = 0 e Solução : Distribuição Gaussiana 23

24 Difusão Térmica Difusão Térmica Na pratica a difusão de impurezas em Si é realizada em duas etapas sucessivas : (1 o ) Pre-deposição de impurezas (2º) Drive In de impurezas as impurezas difundem no Si a partir de um suprimento infinito de impurezas esta etapa define a concentração total de impurezas adicionadas ao semicondutor. O perfil de concentração tem a forma da função erro complementar que avança para o interior do substrato à medida que o tempo de difusão aumenta. as impurezas já adicionadas são difundidas para atingir o perfil e profundidade final desejados. Esta etapa portanto, ocorre sem a presença da fonte de impurezas. O perfil de concentração tem a forma de uma distribuição gaussiana 24

25 No Laboratório Aula 7 Grupo A Acompanha processo CVD para obtenção do Si-poli No LSI Grupo B Acompanha processo de Dopagem por Difusão do Si-Poli No LME Índice 25