Kjemisk dampavsetning (CVD) er en beleggprosess som bruker termisk eller elektrisk induserte kjemiske reaksjoner på overflaten av et oppvarmet substrat, med reagenser levert i gassform. CVD er en avsetningsmetode som brukes til å produsere høykvalitets, høyytende, faste materialer, vanligvis under vakuum. Tynne filmer eller belegg produseres ved dissosiasjon eller kjemiske reaksjoner av gassreaktanter i et aktivert (varme, lys, plasma) miljø.
Epitaxy betyr" på toppen" eller", tilordnet", og representerer en prosess der et lag blir opprettet på toppen av et annet lag og arver dets krystallstruktur. Hvis det avsatte laget er av samme materiale som substratet, snakker man om homoepitaxy, hvis det' er et annet materiale, er det' s såkalte heteroepitaxy. Den mest betydningsfulle prosessen i homoepitaxy er avsetning av silisium på silisium, i heteroepitaxy avsettes vanligvis et silisiumlag på en isolator som oksid (Silicon On Insulator: SOI) .Chemical damp deposition (CVD) er en beleggprosess som bruker termisk eller elektrisk induserte kjemiske reaksjoner på overflaten av et oppvarmet substrat, med reagenser tilført i gassform. CVD er en avsetningsmetode som brukes til å produsere høykvalitets, høyytende, faste materialer, vanligvis under vakuum. Tynne filmer eller belegg produseres ved dissosiasjon eller kjemiske reaksjoner av gassreaktanter i et aktivert (varme, lys, plasma) miljø.
Homoepitaxy
Avhengig av prosessen kan skivene leveres fra skiveprodusenten med et epitaksialt lag (f.eks. For CMOS-teknologi), eller chipprodusenten må lage det selv (for eksempel i bipolar teknologi).
Som en gass for å generere det epitaktiske laget, brukes rent hydrogen i forbindelse med silan (SiH4), diklorsilan (SiH2Cl2) eller silisiumtetraklorid (SiCl4). Ved omtrent 1000 ° C spaltes gassene silisiumet som avsettes på waferoverflaten. Silisiumet arver substratets struktur og vokser av energigrunner lag for lag suksessivt. For ikke å vokse opp et polykrystallinsk silisium, må man alltid overvinne mangel på silisiumatomer, for eksempel er det alltid noe mindre silisium tilgjengelig ettersom materiale faktisk kan vokse opp. Når silisiumtetraklorid brukes, fortsetter reaksjonen i to trinn:
SiCl4+ H2→SiCl2H 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
For å arve underlaget&nr. 39, må overflaten være helt klar. Så man kan bruke likevektsreaksjonen. Begge reaksjonene kan forekomme i den andre retningen, avhengig av forholdet mellom gassene. Hvis det bare er få hydrogen i atmosfæren, som i triklorsilanprosessen for rensing av råsilisium, blir materiale fjernet fra silikonplaten på grunn av den høye klorkonsentrasjonen. Bare med økende konsentrasjon av hydrogenvekst oppnås.
Med SiCl4avsetningshastigheten er omtrent 1 til 2 mikron per minutt. Siden det monokrystallinske silisiumet bare vokser på den bare overflaten, kan visse områder maskeres med oksid der silisiumet vokser som polykrystallinsk silisium. Dette polysilisiumetes imidlertid veldig lett sammenlignet med enkeltkrystallinsk silisium gjennom den tilbakevendende reaksjonen. Diborane (B2H6) eller fosfin (PH3) tilsettes prosessgassene for å lage dopede lag, siden dopinggassene spaltes ved høye temperaturer og dopantene er innlemmet i krystallgitteret.
Prosessen for å lage hjemmepitaktiske lag realiseres under vakuumatmosfære. Derfor blir prosesskammeret oppvarmet til 1200 ° C for å fjerne det opprinnelige oksidet, som alltid er tilstede på silisiumoverflaten. Som nevnt ovenfor, på grunn av en lav hydrogenkonsentrasjon, oppstår en ryggetsning på silisiumoverflaten. Dette kan brukes til å rengjøre overflaten før selve prosessen starter. Hvis gasskonsentrasjonen varieres etter denne rengjøringen, begynner avsetningen.
Illustrasjon av en fatreaktor for epitaktiske prosesser
På grunn av de høye prosesstemperaturene der&# 39, kan en diffusjon av dopemidler i substratet eller urenheter, som har blitt brukt i tidligere prosesser, bevege seg til substratet. Hvis SiH2Cl2eller SiH4brukes der' s ikke behov for så høye temperaturer, så disse gassene brukes primært. For å oppnå etsingsprosessen for å rengjøre overflaten, må HCl tilsettes separat. Ulempen med disse silanene er at de danner bakterier i atmosfæren rett før avsetning, og dermed er lagets kvalitet ikke like god som med SiCl4.
Det er ofte behov for lag som&# 39 ikke kan opprettes rett fra underlaget. For å avsette lag av silisiumnitrid eller silisiumoksynitrid må man bruke gasser som inneholder alle nødvendige komponenter. Gassene brytes ned via termisk energi. At' er prinsippet for kjemisk dampfaseavsetning: CVD. Waferoverflaten reagerer ikke med gassene, men fungerer som bunnlag. Avhengig av prosessparametrene - trykk, temperatur - kan CVD-metoden deles inn i forskjellige metoder hvis lag varierer i tetthet og dekning. Hvis veksten på horisontale flater er like høy som på vertikale flater, er avsetningen i samsvar.
Konformiteten K er forholdet mellom vertikal og horisontal vekst,K = Rv/Rh. Hvis avsetningen ikke er ideell, er samsvaret mindre enn 1 (f.eksRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). En høy samsvar kan bare oppnås ved høye prosesstemperaturer.
Tenkbare profiler
APCVD er en CVD-metode ved normalt trykk (atmosfæretrykk) som brukes til avsetning av dopede og udopede oksider. Det avsatte oksydet har lav tetthet og dekningen er moderat på grunn av en relativt lav temperatur. På grunn av forbedrede verktøy gjennomgår APCVD en renessanse. Gjennomstrømningen med høy wafer er en stor fordel med denne prosessen.
Som prosessgasser silan SiH4(sterkt utvannet med nitrogen N2) og oksygen O2er brukt. Gassene spaltes termisk ved ca. 400 ° C og reagerer med hverandre for å danne den ønskede film.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Tilført ozon O3kan føre til bedre konformitet fordi det forbedrer bevegeligheten til de akkumulerte partiklene. Oksidet er porøst og elektrisk ustabilt og kan fortettes ved en høy temperatur prosess.
For å unngå kanter som kan føre til vanskeligheter ved avsetning av ytterligere lag, brukes fosforsilikatglass (PSG) til mellomlegg. Derfor tilsettes fosfin til SiH4og O2slik at det avsatte oksyd inneholder 4 til 8% fosfor. En høy mengde fosfor fører til en høy økning av strømningsegenskapene, men fosforsyre kan imidlertid dannes som korroderer aluminium (lederbaner).
Fordi annealing påvirker tidligere prosesser (f.eks. Doping), gjøres bare kort herding med kraftige argonlamper (flere hundrets kW, mindre enn 10s, T=1100 ° C) i stedet for gløding i langvarige ovnprosesser.
Analog til PSG-bor kan tilsettes samtidig (borfosforsilikatglass, BPSG, 4% B og 4% P).
Illustrasjon av en horisontal APCVD-reaktor
I LPCVD brukes et vakuum. Tynne filmer av silisiumnitrid (Si3N4), silisiumoksynitrid (SiON), SiO2und wolfram (W) kan opprettes. LPCVD-prosesser muliggjør en høy samsvar på nesten 1. Dette er på grunn av det lave trykket på 10 til 100 Pa (atmosfæretrykk=100 000 Pa) som fører til en ikke-ensartet bevegelse av partiklene. Partiklene fordeles på grunn av kollisjoner og dekker vertikale overflater så vel som horisontale. Konformiteten støttes av en høy temperatur på opptil 900 ° C. Sammenlignet med APCVD er tettheten og stabiliteten veldig høy.
Reaksjonene for Si3N4, SiON, SiO2og wolfram er som følger:
a) Si3N4(850 ° C): 4NH3+ 3SiH2Cl2→Si3N4+ 6HCl + 6H2
b) SiON (900 ° C): NH3+ SiH2Cl2+ N2O→Si3N4+ Nebenprodukte
c) SiO2(700 ° C): SiO4C8H20→SiO2+ Nebenprodukte
d) Wolfram (400 ° C): WF6+ 3H2→W + 6HF
I motsetning til gassformige forløpere som brukes til Si3N4, SiON og wolfram, flytende tetraetylortosilikat brukes til SiO2. Dessuten er det andre væskekilder som DTBS (SiH2C8H20) eller tetrametylsyklotetrasiloksan (TMTCS, Si4O4C4H16).
En wolframfilm kan bare fremstilles på bare silisium. Derfor må silan tilsettes hvis det ikke er noe silisiumsubstrat.
Illustrasjon av en LPCVD-reaktor for TEOS-filmer
PECVD finner sted ved 250 til 350 ° C. På grunn av lave temperaturer kan prosessgassene ikke spaltes termisk. Med en høyfrekvent spenning transformeres gassen til en plasmatilstand. Plasmaet er energisk og disponerer på overflaten. Fordi metallisering, som aluminium, ikke kan utsettes for høye temperaturer, brukes PECVD til SiO2og Si3N4avsetning på toppen av metallag. I stedet for SiH2Cl2 brukes silan fordi den spaltes ved lavere temperatur. Konformiteten er ikke like god som i LPCVD (0,6 til 0,8), men avsetningshastigheten er mye høyere (0,5 mikron per minutt).
Illustrasjon av en PECVD-reaktor
Atomic Layer Deposition (ALD) er en modifisert CVD-prosess for å produsere tynne filmer. Prosessen bruker flere gasser som veksles inn i proseskammeret. Hver gass reagerer på en slik måte at den nåværende overflaten er mettet, og derfor stopper reaksjonen. Den alternative gassen er i stand til å reagere med denne overflaten på samme måte. Mellom reaksjonene til disse gassene renses kammeret med en inert gass, som nitrogen eller argon. En enkel ALD-prosess kan se slik ut:
selvbegrensende reaksjon på overflaten med første gass
rensing med en inert gass
selvbegrensende reaksjon på overflaten med andre gass
rensing med en inert gass
Et spesifikt eksempel på en ALD-prosess er avsetning av aluminiumoksid, dette kan realiseres med trimetylaluminium (TMA, C3H9Al) og vann (H2O).
Første trinn er eliminering av hydrogenatomer som er bundet til oksygen ved oblatoverflaten. Metylgruppene (CH3) av TMA kan reagere med hydrogen for å danne metan (CH4). De resterende molekylene binder seg med det umettede oksygenet.
Hvis disse atomene er mettede, kan ikke flere TMA-molekyler reagere på overflaten.
Kammeret renses og påfølgende vanndamp ledes inn i kammeret. Noen gang ett hydrogenatom av H2O-molekyler kan nå reagere med de tidligere avsatte overflateatomer for å danne metan, mens hydroksylanionet er bundet til aluminiumatomene.
Derfor er det nye hydrogenatomer på overflaten som kan reagere i et etterfølgende trinn med TMA som i begynnelsen.
Atomlagsdeponeringen gir betydelige fordeler i forhold til andre avsetningsteknikker, og derfor er det&# 39 en veldig viktig prosess for å produsere tynne filmer. Med ALD kan selv tredimensjonale strukturer deponeres veldig jevnt. Isolasjonsfilmer er mulige så vel som ledende, som kan opprettes på forskjellige substrater (halvledere, polymerer, ...). Filmtykkelsen kan styres veldig presist av antall sykluser. Siden de reaktive gassene ikke ledes inn i kammeret samtidig, kan de ikke danne bakterier rett før selve avsetningen. Dermed er kvaliteten på filmene veldig høy.
