Kemisk dampaflejring (CVD) er en belægningsproces, der bruger termisk eller elektrisk induceret kemisk reaktion på overfladen af et opvarmet substrat med reagenser leveret i gasform. CVD er en aflejringsmetode, der bruges til at producere faste materialer af høj kvalitet, højtydende, typisk under vakuum. Tynde film eller belægninger produceres ved dissociation eller kemiske reaktioner af gasformige reaktanter i et aktiveret (varme, lys, plasma) miljø.
Epitaxy betyder" på toppen" eller", tildelt", og repræsenterer en proces, hvor et lag oprettes oven på et andet lag og arver dets krystalstruktur. Hvis det deponerede lag er af samme materiale som substratet, taler man om homoepitaxy, hvis det' er et andet materiale, er det&# 39 såkaldt heteroepitaxy. Den mest betydningsfulde proces i homoepitaxy er aflejring af silicium på silicium, i heteroepitaxy afsættes normalt et siliciumlag på en isolator såsom oxid (Silicon On Insulator: SOI). Kemisk dampaflejring (CVD) er en belægningsproces, der bruger termisk eller elektrisk inducerede kemiske reaktioner på overfladen af et opvarmet substrat med reagenser tilført i gasform. CVD er en aflejringsmetode, der bruges til at producere faste materialer af høj kvalitet, højtydende, typisk under vakuum. Tynde film eller belægninger produceres ved dissociation eller kemiske reaktioner af gasformige reaktanter i et aktiveret (varme, lys, plasma) miljø.
Homoepitaxy
Afhængigt af processen kan waferne leveres fra waferproducenten med et epitaksialt lag (f.eks. Til CMOS-teknologi), eller chipproducenten skal selv fremstille det (for eksempel i bipolar teknologi).
Som en gas til dannelse af det epitaktiske lag anvendes rent hydrogen i forbindelse med silan (SiH4), dichlorsilan (SiH2Cl2) eller siliciumtetrachlorid (SiCl4). Ved ca. 1000 ° C spalter gasserne silicium, som afsættes på waferoverfladen. Silicium arver substratets struktur og vokser af energimæssige årsager successivt lag for lag. For ikke at vokse et polykrystallinsk silicium op, skal man altid have en mangel på siliciumatomer, for eksempel er det altid lidt mindre silicium tilgængeligt, da materiale rent faktisk kunne vokse op. Når der anvendes siliciumtetrachlorid, fortsætter reaktionen i to trin:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
For at arve substratets&# 39 orientering skal overfladen være helt klar. Så man kan udnytte ligevægtsreaktionen. Begge reaktioner kan forekomme i den anden retning afhængigt af forholdet mellem gasserne. Hvis der kun er få brint i atmosfæren, som i trichlorsilanprocessen til oprensning af råt silicium, fjernes materiale fra siliciumskiven på grund af den høje klorkoncentration. Kun med stigende koncentration af brintvækst opnås.
Med SiCl4aflejringshastigheden er ca. 1 til 2 mikron pr. minut. Da det monokrystallinske silicium kun vokser på den bare overflade, kan visse områder maskeres med oxid, hvor silicium vokser som polykrystallinsk silicium. Dette polysilicium ætses imidlertid meget let sammenlignet med enkeltkrystallinsk silicium gennem den bagudkørende reaktion. Diborane (B2H6) eller phosphin (PH3) tilsættes til procesgasserne for at skabe dopede lag, da dopinggasserne nedbrydes ved høje temperaturer, og dopemidlerne inkorporeres i krystalgitteret.
Processen til at skabe hjemmepitaktiske lag realiseres under vakuumatmosfære. Derfor opvarmes proceskammeret til 1200 ° C for at fjerne det native oxid, som altid er til stede på siliciumoverfladen. Som nævnt ovenfor forekommer der på grund af en lav brintkoncentration en bagætsning på siliciumoverfladen. Dette kan bruges til at rense overfladen, inden den egentlige proces starter. Hvis gaskoncentrationen varieres efter denne rengøring, begynder aflejringen.
Illustration af en tøndereaktor til epitaktiske processer
På grund af de høje procestemperaturer der&# 39, kan en diffusion af dopemidler i substratet eller urenheder, som er blevet anvendt i tidligere processer, bevæge sig til substratet. Hvis SiH2Cl2eller SiH4bruges der' s behov ikke for så høje temperaturer, så disse gasser bruges primært. For at opnå etch-back-processen for at rense overfladen skal HCI tilsættes separat. Ulempen ved disse silaner er, at de danner bakterier i atmosfæren lige før aflejring, og dermed er lagets kvalitet ikke så god som med SiCl4.
Der er ofte behov for lag, som&# 39 ikke kan oprettes lige fra substratet. For at deponere lag af siliciumnitrid eller siliciumoxynitrid skal man bruge gasser, der indeholder alle nødvendige komponenter. Gasserne nedbrydes via termisk energi. At&nr. 39 er princippet om kemisk dampfaseaflejring: CVD. Waferoverfladen reagerer ikke&nr. 39 med gasserne, men fungerer som bundlag. Afhængigt af procesparametrene - tryk, temperatur - kan CVD-metoden opdeles i forskellige metoder, hvis lag adskiller sig i tæthed og dækning. Hvis væksten på vandrette overflader er så høj som på lodrette overflader, er aflejringen i overensstemmelse.
Overensstemmelsen K er forholdet mellem lodret og vandret vækst,K = Rv/Rh. Hvis aflejringen ikke er ideel, er overensstemmelse mindre end 1 (f.eksRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). En høj overensstemmelse kan kun opnås ved høje procestemperaturer.
Imaginable profiles
APCVD er en CVD-metode ved normalt tryk (atmosfærisk tryk), der bruges til aflejring af dopede og udoperede oxider. Det deponerede oxid har en lav densitet, og dækningen er moderat på grund af en relativt lav temperatur. På grund af forbedrede værktøjer gennemgår APCVD en renæssance. Den høje wafer-gennemstrømning er en stor fordel ved denne proces.
Som procesgasser silan SiH4(stærkt fortyndet med nitrogen N2) og ilt O2er brugt. Gasserne nedbrydes termisk ved ca. 400 ° C og reagerer med hinanden for at danne den ønskede film.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Tilføjet ozon O3kan medføre en bedre overensstemmelse, fordi det forbedrer bevægeligheden af de akkumulerede partikler. Oxidet er porøst og elektrisk ustabilt og kan fortættes ved en højtemperaturproces.
For at undgå kanter, der kan resultere i vanskeligheder ved aflejring af yderligere lag, anvendes phosphorsilikatglas (PSG) til mellemlæg. Derfor tilsættes phosphin til SiH4og O2, således at det deponerede oxid indeholder 4 til 8% fosfor. En stor mængde fosfor fører til en høj forøgelse af strømningsegenskaberne, men der kan dannes fosforsyre, der korroderer aluminium (lederveje).
Fordi annealing påvirker tidligere processer (f.eks. Doping) udføres kun kort hærdning med kraftige argonlamper (flere hundrets kW, mindre end 10s, T=1100 ° C) i stedet for udglødning i langvarige ovnprocesser.
Analog til PSG-bor kan tilsættes samtidigt (borphosphorsilikatglas, BPSG, 4% B og 4% P).
Illustration af en vandret APCVD-reaktor
I LPCVD anvendes et vakuum. Tynde film af siliciumnitrid (Si3N4), siliciumoxynitrid (SiON), SiO2und wolfram (W) kan oprettes. LPCVD-processer muliggør en høj overensstemmelse på næsten 1. Dette skyldes det lave tryk på 10 til 100 Pa (atmosfærisk tryk=100.000 Pa), hvilket fører til en ikke-ensartet bevægelse af partiklerne. Partiklerne fordeles på grund af kollisioner og dækker såvel lodrette overflader som vandrette. Overensstemmelsen understøttes af en høj temperatur på op til 900 ° C. Sammenlignet med APCVD er densiteten og stabiliteten meget høj.
Reaktionerne for Si3N4, SiON, SiO2og wolfram er som følger:
a) Si3N4(850 ° C): 4NH3S 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 modsætning til luftformige forløbere, der anvendes til Si3N4, SiON og wolfram, flydende tetraethylorthosilicat anvendes til SiO2. Derudover er der andre flydende kilder som DTBS (SiH2C8H20) eller tetramethylcyclotetrasiloxan (TMTCS, Si4O4C4H16).
En wolframfilm kan kun fremstilles på bare silicium. Derfor skal der tilsættes silan, hvis der ikke er noget siliciumsubstrat.
Illustration af en LPCVD-reaktor til TEOS-film
PECVD finder sted ved 250 til 350 ° C. På grund af lave temperaturer kan procesgasserne ikke nedbrydes termisk. Med en højfrekvent spænding omdannes gassen til en plasmatilstand. Plasmaet er energisk og ligger på overfladen. Fordi metallisering, såsom aluminium, ikke kan udsættes for høje temperaturer, anvendes PECVD til SiO2og Si3N4aflejring oven på metallag. I stedet for SiH2Cl2 anvendes silan, fordi det nedbrydes ved lavere temperatur. Overensstemmelsen er ikke så god som i LPCVD (0,6 til 0,8), men aflejringshastigheden er meget højere (0,5 mikron pr. Minut).
Illustration af en PECVD-reaktor
Atomic Layer Deposition (ALD) er en modificeret CVD-proces til fremstilling af tynde film. Processen bruger flere gasser, der skiftes ind i proceskammeret. Hver gas reagerer på en sådan måde, at den aktuelle overflade er mættet, og reaktionen stopper derfor. Den alternative gas er i stand til at reagere med denne overflade på samme måde. Mellem reaktionerne fra disse gasser renses kammeret med en inaktiv gas, såsom nitrogen eller argon. En simpel ALD-proces kunne se sådan ud:
selvbegrænsende reaktion på overfladen med første gas
udrensning med en inaktiv gas
selvbegrænsende reaktion på overfladen med anden gas
udrensning med en inaktiv gas
Et specifikt eksempel på en ALD-proces er aflejring af aluminiumoxid, dette kan realiseres med trimethylaluminium (TMA, C3H9Al) og vand (H2O).
Første trin er eliminering af hydrogenatomer, der er bundet til ilt ved waferoverfladen. Methylgrupperne (CH3TMA kan reagere med hydrogenet til dannelse af methan (CH4). De resterende molekyler binder med det umættede ilt.
Hvis disse atomer er mættede, kan ikke flere TMA-molekyler reagere på overfladen.
Kammeret renses, og efterfølgende vanddamp føres ind i kammeret. Nogensinde et hydrogenatom af H2O-molekyler kan nu reagere med de tidligere aflejrede overfladeatomer for at danne methan, mens hydroxylanionen er bundet til aluminiumatomer.
Derfor er der nye hydrogenatomer ved overfladen, som kan reagere i et efterfølgende trin med TMA som i starten.
Atomlagsaflejringen giver betydelige fordele i forhold til andre aflejringsteknikker, og derfor er det&# 39 en meget vigtig proces til fremstilling af tynde film. Med ALD kan selv 3-dimensionelle strukturer aflejres meget ensartet. Isolerende film er mulige såvel som ledende, som kan dannes på forskellige substrater (halvledere, polymerer, ...). Filmtykkelsen kan styres meget præcist af antallet af cyklusser. Da de reaktive gasser ikke føres ind i kammeret samtidigt, kan de ikke danne bakterier lige før den egentlige aflejring. Således er kvaliteten af filmene meget høj.
