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CVD vs PVD : comparaison des techniques de dépôt de couches minces

Les deux méthodes déposent des couches minces sur les wafers. En dépôt chimique en phase vapeur (CVD), des gaz réagissent à la surface du wafer pour former le film. En dépôt physique en phase vapeur (PVD), comme la pulvérisation cathodique, des atomes sont arrachés d'une cible solide et se déposent sur le wafer sans réaction chimique. La CVD est le choix habituel pour les isolants et pour recouvrir uniformément des structures profondes ; la PVD est le choix habituel pour les métaux.

CritèreCVDPVD (pulvérisation)
PrincipeDes précurseurs gazeux réagissent chimiquement à la surface du wafer chauffée ou activée par plasmaDes atomes sont éjectés physiquement d'une cible solide (par exemple par des ions argon) et se condensent sur le wafer
Matériaux typiquesDioxyde de silicium, nitrure de silicium, polysilicium, tungstène, diélectriques low-kMétaux comme l'aluminium, le titane, le nitrure de titane, le tantale et les couches d'amorçage en cuivre
Couverture de marcheBonne, en particulier en LPCVD ; l'ALD fait encore mieuxDépôt en ligne de visée : les tranchées et trous profonds sont mal couverts (amélioré par la PVD ionisée)
TempératurePlus élevée : LPCVD à environ 600 à 800 °C, CVD plasma à environ 200 à 400 °CPlus basse : de la température ambiante à quelques centaines de degrés
Pureté du filmPeut contenir de l'hydrogène, du carbone ou du chlore résiduels provenant des précurseursÉlevée, déterminée par la pureté de la cible
EnvironnementDe la pression atmosphérique à basse pression, avec des gaz réactifsVide poussé avec un plasma de gaz inerte
RisquesLes gaz toxiques, inflammables ou corrosifs (silane, WF6) exigent une manipulation et un traitement soigneuxMoins de produits chimiques dangereux, mais des systèmes à vide poussé et à plasma
Usages typiquesDiélectriques intercouches, espaceurs, grilles en polysilicium, plugs en tungstèneCouches barrières et d'amorçage pour le câblage cuivre, plots en aluminium, métaux de contact

Les valeurs indiquées sont des ordres de grandeur typiques et varient selon la génération de procédé et le produit.

Quand choisir l'un ou l'autre ?

CVD
Lorsqu'il faut un film isolant, ou un film qui doit recouvrir uniformément des reliefs abrupts.
PVD
Lorsqu'il faut un film métallique pur à basse température, par exemple la couche d'amorçage du dépôt électrolytique de cuivre.
Ensemble
Une puce utilise les deux : la CVD construit les couches isolantes, et la PVD dépose les fines couches métalliques de revêtement à l'intérieur des ouvertures avant leur remplissage.

Questions fréquentes

Quelle est la principale différence entre la CVD et la PVD ?

La CVD forme le film par réactions chimiques de gaz sur le wafer, tandis que la PVD, comme la pulvérisation cathodique, éjecte physiquement des atomes d'une cible solide vers le wafer.

Pourquoi la CVD recouvre-t-elle mieux les structures abruptes ?

Les molécules de gaz peuvent pénétrer dans les tranchées et les trous et réagir partout sur la surface. La PVD dépose en ligne droite, si bien que les motifs profonds et étroits sont mal couverts.

Laquelle est utilisée pour le câblage métallique ?

Les deux. La PVD sert aux couches barrières et d'amorçage et aux plots en aluminium, tandis que la CVD dépose les plugs en tungstène. Le cuivre est rempli par dépôt électrolytique sur une couche d'amorçage PVD.

Qu'est-ce que la PECVD ?

La CVD assistée par plasma utilise un plasma pour activer les gaz, ce qui permet de déposer des films à plus basse température, autour de 200 à 400 °C.

Vérifier vos connaissances

Dans quelle catégorie le dépôt par pulvérisation cathodique se classe-t-il ?

  1. APVD (dépôt physique en phase vapeur)
  2. BCVD (dépôt chimique en phase vapeur)
  3. COxydation thermique
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Réponse : A. PVD (dépôt physique en phase vapeur)

La pulvérisation cathodique accélère sous quelques centaines de V les ions d'un plasma, par exemple d'argon, vers une cible ; les atomes éjectés par transfert de quantité de mouvement se déposent sur la plaquette. Phénomène physique sans réaction chimique, elle relève du PVD (dépôt physique en phase vapeur). Elle sert au dépôt des interconnexions métalliques, des barrières (Ta, TiN, etc.), des couches d'amorçage Cu et des électrodes. Le CVD repose sur la réaction chimique de gaz précurseurs, et l'oxydation thermique sur l'oxydation du silicium lui-même.

Quel est le principal avantage du CVD assisté par plasma (PECVD) ?

  1. AIl exige une température plus élevée que le CVD thermique
  2. BLe film ne contient aucun hydrogène
  3. CIl permet de déposer à plus basse température que le CVD thermique
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Réponse : C. Il permet de déposer à plus basse température que le CVD thermique

Le PECVD décompose et active les gaz précurseurs grâce à l'énergie des électrons du plasma, ce qui permet de déposer vers 300 à 400 ℃, contre environ 600 à 800 ℃ pour le CVD thermique, qui ne fait réagir que par la chaleur. Il sert au dépôt des diélectriques intercouches et des films de protection dans les étapes où une haute température est exclue, par exemple après la formation des interconnexions en aluminium ou en cuivre. En revanche, l'hydrogène issu des précurseurs s'incorpore facilement au film, dont la qualité tend à être inférieure à celle du CVD thermique.

Quelle caractéristique du CVD à basse pression (LPCVD) est correcte ?

  1. ARéalisé sous pression réduite, il offre une bonne uniformité d'épaisseur et traite de nombreuses plaquettes à la fois
  2. BRéalisé à pression atmosphérique, son équipement est le plus simple
  3. CUtilisant un plasma, il dépose à température ambiante
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Réponse : A. Réalisé sous pression réduite, il offre une bonne uniformité d'épaisseur et traite de nombreuses plaquettes à la fois

Le LPCVD est un CVD thermique réalisé sous pression réduite, de quelques dizaines à quelques centaines de Pa. La diffusion des molécules de gaz y est rapide et la vitesse de dépôt est déterminée par la réaction de surface (régime limité par la réaction de surface) : on obtient un film uniforme même avec plus de 100 plaquettes dressées à quelques mm d'intervalle. Sa couverture de marche est également bonne ; il sert au dépôt du polysilicium, du nitrure de silicium et de l'oxyde TEOS. Sa température, d'environ 600 à 800 ℃, est élevée et exclut son emploi après la formation des interconnexions.

  1. En pulvérisation magnétron, quel est le principal objectif des aimants placés derrière la cible ?
  2. Quelle description de la couverture de marche (step coverage) en dépôt est correcte ?
  3. Quelle condition améliore la couverture de marche (conformité) en CVD ?

Questions d'entraînement sur Dépôt (CVD et PVD)

Termes clés expliqués

CVD
Dépôt chimique en phase vapeur. Méthode de dépôt d'un film mince sur la plaquette par réaction chimique de gaz précurseurs.
Pulvérisation cathodique (sputtering)
Type de PVD dans lequel des ions d'un plasma bombardent une cible ; les atomes éjectés se déposent sur la plaquette.
PECVD (CVD assistée par plasma)
CVD dans laquelle un plasma décompose les gaz précurseurs pour déposer un film. Permet un dépôt à plus basse température que la CVD thermique ; utilisée pour les isolants des interconnexions.
LPCVD (CVD basse pression)
CVD thermique réalisée sous pression réduite. La diffusion plus rapide des molécules gazeuses donne une bonne uniformité d'épaisseur et une bonne couverture de marche, et de nombreuses plaquettes peuvent être traitées à la fois dans un four vertical. Utilisée pour le polysilicium et le nitrure.
ALD
Dépôt de couches atomiques (Atomic Layer Deposition). Méthode de dépôt qui répète des réactions de surface autolimitées de gaz précurseurs pour contrôler l'épaisseur couche atomique par couche atomique.

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