Fabricação de chips: processos de filmes finos

Qual é a introdução básica aos processos de filmes finos?

O processo de deposição de filmes finos semicondutores é um componente essencial da moderna tecnologia microeletrônica. Envolve a construção de circuitos integrados complexos, depositando uma ou mais camadas finas de material em um substrato semicondutor. Esses filmes finos podem ser metais, isolantes ou materiais semicondutores, cada um desempenhando um papel diferente em várias camadas do chip, como condução, isolamento e proteção. A qualidade desses filmes finos impacta diretamente o desempenho, a confiabilidade e o custo do chip. Portanto, o desenvolvimento da tecnologia de deposição de filmes finos é de importância significativa para a indústria de semicondutores.

Como são classificados os processos de filme fino?

Atualmente, os principais equipamentos e técnicas de deposição de filmes finos incluemDeposição Física de Vapor (PVD), Deposição Química de Vapor (CVD) e Deposição de Camada Atômica (ALD). Estas três técnicas diferem marcadamente nos seus princípios de deposição, materiais, camadas de película aplicáveis ​​e processos.

1. Deposição Física de Vapor (PVD)

A deposição física de vapor (PVD) é um processo puramente físico onde os materiais são vaporizados por evaporação ou pulverização catódica e então condensados ​​no substrato para formar uma película fina.

Evaporação a Vácuo: Os materiais são aquecidos até a vaporização sob condições de alto vácuo e depositados no substrato.

Sputtering: Os íons de gás gerados pela descarga de gás bombardeiam o material alvo em alta velocidade, desalojando átomos que formam um filme no substrato.

Revestimento Iônico: Combina as vantagens da evaporação a vácuo e da pulverização catódica, onde o material vaporizado é parcialmente ionizado no espaço de descarga e atraído para o substrato para formar um filme.

Características: O PVD envolve apenas mudanças físicas sem reações químicas.

2. Deposição de Vapor Químico (CVD)

A Deposição Química de Vapor (CVD) é uma técnica que envolve reações químicas em fase gasosa para formar filmes finos sólidos no substrato.

CVD convencional: Adequado para depositar vários filmes dielétricos e semicondutores.

CVD aprimorado por plasma (PECVD): usa plasma para aumentar a atividade da reação, adequado para deposição em baixa temperatura.

CVD de plasma de alta densidade (HDPCVD): Permite deposição e gravação simultâneas, oferecendo excelentes capacidades de preenchimento de lacunas de alta proporção.

CVD subatmosférico (SACVD): Alcança excelentes capacidades de preenchimento de buracos sob condições de alta pressão usando radicais de oxigênio altamente reativos formados em altas temperaturas.

CVD metal-orgânico (MOCVD): Adequado para materiais semicondutores como GaN.

Características: CVD envolve reagentes em fase gasosa, como silano, fosfina, borano, amônia e oxigênio, produzindo filmes sólidos como nitretos, óxidos, oxinitretos, carbonetos e polissilício sob condições de alta temperatura, alta pressão ou plasma.

3. Deposição de Camada Atômica (ALD)

A deposição de camada atômica (ALD) é uma técnica especializada de CVD que envolve introduções pulsadas alternadas de dois ou mais reagentes, obtendo deposição precisa de camada atômica única.

ALD térmico (TALD): Utiliza energia térmica para adsorção do precursor e subsequentes reações químicas no substrato.

ALD aprimorado por plasma (PEALD): usa plasma para aumentar a atividade da reação, permitindo taxas de deposição mais rápidas em temperaturas mais baixas.

Características: ALD oferece controle preciso da espessura do filme, excelente uniformidade e consistência, tornando-o altamente adequado para crescimento de filme em estruturas de valas profundas.

Como os vários processos de filme fino são aplicados em chips?

Camadas metálicas: O PVD é usado principalmente para depositar filmes de metal ultrapuro e nitreto de metal de transição, como almofadas de alumínio, máscaras metálicas duras, camadas de barreira de cobre e camadas de sementes de cobre.

Al pad: Almofadas de ligação para PCBs.

Máscara Dura de Metal: Comumente TiN, usada em fotolitografia.

Camada de barreira de Cu: Freqüentemente TaN, evita a difusão de Cu.

Camada de Semente de Cu: Cu puro ou liga de Cu, usada como camada de semente para galvanoplastia subsequente.

Camadas dielétricas: CVD é usado principalmente para depositar vários materiais isolantes como nitretos, óxidos, oxinitretos, carbonetos e polissilício, que isolam diferentes componentes do circuito e reduzem a interferência.

Camada de óxido de portão: isola o portão e o canal.

Dielétrico intercalar: Isola diferentes camadas metálicas.

Camadas de barreira: O PVD é usado para evitar a difusão do metal e proteger os dispositivos contra contaminação.

Camada de barreira de Cu: Impede a difusão do cobre, garantindo o desempenho do dispositivo.

Máscaras rígidas: PVD é usado em fotolitografia para ajudar a definir estruturas de dispositivos.

Máscara Dura de Metal: Normalmente TiN, usada para definir padrões.

Padronização dupla autoalinhada (SADP): ALD usa camadas espaçadoras para uma padronização mais fina, adequada para a fabricação de estruturas Fin em FinFETs.

FinFET: usa camadas espaçadoras para criar máscaras rígidas nas bordas dos padrões centrais, alcançando a multiplicação da frequência espacial.

High-K Metal Gate (HKMG): ALD é usado para depositar materiais de alta constante dielétrica e portas metálicas, melhorando o desempenho do transistor, especialmente em processos de 28 nm e abaixo.

Camada dielétrica de alto K: HfO2 é a escolha mais comum, sendo ALD o método preferido de preparação.

Metal Gate: Desenvolvido devido à incompatibilidade dos elementos Hf com portões de polissilício.

Outras aplicações: ALD também é amplamente utilizado em camadas de barreira de difusão de interconexão de cobre e outras tecnologias.

Camada de barreira de difusão de interconexão de cobre: ​​Impede a difusão de cobre, protegendo o desempenho do dispositivo.

A partir da introdução acima, podemos observar que PVD, CVD e ALD possuem características e vantagens únicas, desempenhando papéis insubstituíveis na fabricação de semicondutores. O PVD é usado principalmente para deposição de filmes metálicos, o CVD é adequado para várias deposições de filmes dielétricos e semicondutores, enquanto o ALD se destaca em processos avançados com seu controle de espessura superior e capacidades de cobertura de etapas. O contínuo desenvolvimento e refinamento dessas tecnologias fornecem uma base sólida para o progresso da indústria de semicondutores.**

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