Ķīmiskā tvaiku nogulsnēšanās (CVD) ir pārklāšanas process, kurā tiek izmantotas termiski vai elektriski izraisītas ķīmiskas reakcijas uz apsildāma substrāta virsmas, ar reaģentiem, kas piegādāti gāzveida formā. CVD ir nogulsnēšanās metode, ko izmanto augstas kvalitātes, augstas veiktspējas cietu materiālu ražošanai, parasti vakuumā. Plānas plēves vai pārklājumus rada gāzveida reaģentu disociācija vai ķīmiskas reakcijas aktivētā (siltuma, gaismas, plazmas) vidē.
Epitaksija nozīmē" virs" vai &, kas piešķirts &, un apzīmē procesu, kurā slānis tiek izveidots virs cita slāņa un pārmanto tā kristāla struktūru. Ja nogulsnētais slānis ir no tāda paša materiāla kā substrāts, runā par homoepitaksiju, ja tas ir cits materiāls, tā sauktais heteroepitaksijs. Nozīmīgākais process homoepitaksī ir silīcija nogulsnēšanās uz silīcija, heteroepitaksijā silīcija slānis parasti tiek nogulsnēts uz tāda izolatora kā oksīds (Silicon On Insulator: SOI). Ķīmiskā tvaika nogulsnēšanās (CVD) ir pārklāšanas process, kas izmanto termiski vai elektriski izraisītas ķīmiskas reakcijas uz apsildāma substrāta virsmas ar reaģentiem, kas piegādāti gāzveida formā. CVD ir nogulsnēšanās metode, ko izmanto augstas kvalitātes, augstas veiktspējas cietu materiālu ražošanai, parasti vakuumā. Plānas plēves vai pārklājumus rada gāzveida reaģentu disociācija vai ķīmiskas reakcijas aktivētā (siltuma, gaismas, plazmas) vidē.
Homoepitaksija
Atkarībā no procesa, vafeles var piegādāt no vafeļu ražotāja ar epitaksiālo slāni (piemēram, CMOS tehnoloģijai), vai mikroshēmu ražotājam tas ir jāgatavo pašam (piemēram, bipolārā tehnoloģijā).
Kā gāzi epitaktiskā slāņa iegūšanai tīru ūdeņradi izmanto kopā ar silānu (SiH4), dihlorosilāns (SiH2Cl2) vai silīcija tetrahlorīds (SiCl4). Apmēram 1000 ° C temperatūrā gāzes atdala silīciju, kas nogulsnējas uz vafeļu virsmas. Silīcijs pārņem substrāta struktūru un enerģētikas apsvērumu dēļ pēc kārtas pieaug slānis. Lai neaugtu polikristālisks silīcijs, vienmēr jāpārvar silīcija atomu trūkums, piemēram, silīcija vienmēr ir nedaudz mazāk pieejama, jo materiāls faktiski varētu izaugt. Ja tiek izmantots silīcija tetrahlorīds, reakcija norit divos posmos:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Lai mantotu substrāta' orientāciju, virsmai jābūt pilnīgi skaidrai. Tātad var izmantot līdzsvara reakciju. Abas reakcijas var notikt otrā virzienā, atkarībā no gāzu attiecības. Ja atmosfērā ir tikai maz ūdeņraža, tāpat kā trihlorosilāna procesā neapstrādāta silīcija attīrīšanai, materiāls tiek noņemts no silīcija vafeļu virsmas augstās hlora koncentrācijas dēļ. Tikai ar pieaugošu ūdeņraža koncentrācijas pieaugumu var panākt.
Ar SiCl4nogulsnēšanās ātrums ir aptuveni 1 līdz 2 mikroni minūtē. Tā kā monokristāliskais silīcijs aug tikai uz tukšas virsmas, noteiktas vietas var maskēt ar oksīdu, kur silīcijs aug kā polikristālisks silīcijs. Tomēr šis polisilīcija ir iegremdēts ļoti viegli, salīdzinot ar vienkristālisko silīciju, izmantojot atpakaļgaitas reakciju. Diborāns (B2H6) vai fosfīns (PH3) pievieno procesa gāzēm, lai izveidotu leģētus slāņus, jo dopinga gāzes sadalās augstā temperatūrā un piedevas ir iestrādātas kristāla režģī.
Mājas epitaktisko slāņu radīšanas process tiek realizēts vakuuma atmosfērā. Tāpēc procesa kamera tiek uzkarsēta līdz 1200 ° C, lai noņemtu dabisko oksīdu, kas vienmēr atrodas uz silīcija virsmas. Kā minēts iepriekš, zemas ūdeņraža koncentrācijas dēļ uz silīcija virsmas notiek aizmugures gravējums. To var izmantot, lai notīrītu virsmu pirms faktiskā procesa sākuma. Ja pēc šīs tīrīšanas mainās gāzes koncentrācija, sākas nogulsnēšanās.
Mucas reaktora ilustrācija epitaktiskiem procesiem
Sakarā ar augsto procesa temperatūru' dopantu difūzija substrātā vai piemaisījumi, kas izmantoti iepriekšējos procesos, var pāriet uz substrātu. Ja SiH2Cl2vai SiH4tiek izmantoti tur' nav vajadzīgas tik augstas temperatūras, tāpēc šīs gāzes galvenokārt tiek izmantotas. Lai panāktu kodināšanas procesu, lai notīrītu virsmu, HCl jāpievieno atsevišķi. Šo silānu trūkums ir tāds, ka tie tieši pirms nogulsnēšanās atmosfērā veido baktērijas, un līdz ar to slāņa kvalitāte nav tik laba kā SiCl4.
Bieži vien ir vajadzīgi slāņi, kurus' nevar izveidot tieši no pamatnes. Silīcija nitrīda vai silīcija oksinitrīda slāņu nogulsnēšanai jāizmanto gāzes, kas satur visus nepieciešamos komponentus. Gāzes tiek sadalītas caur siltuma enerģiju. Tas ir' ķīmiskās tvaika fāzes nogulsnēšanās princips: CVD. Vafeļu virsma' nereaģē ar gāzēm, bet kalpo kā apakšējais slānis. Atkarībā no procesa parametriem - spiediena, temperatūras - CVD metodi var sadalīt dažādās metodēs, kuru slāņi atšķiras pēc blīvuma un pārklājuma. Ja augšana uz horizontālām virsmām ir tikpat augsta kā uz vertikālām virsmām, nogulsnēšanās ir atbilstoša.
Atbilstība K ir vertikālās un horizontālās izaugsmes attiecība,K = Rv/Rh. Ja nogulsnēšanās nav ideāla, atbilstība ir mazāka par 1 (piemRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Augstu atbilstību var sasniegt tikai ar augstu procesa temperatūru.
Iedomājami profili
APCVD ir CVD metode normālā spiedienā (atmosfēras spiedienā), ko izmanto leģētu un nepopulētu oksīdu nogulsnēšanai. Nogulsnētajam oksīdam ir mazs blīvums, un pārklājums ir mērens relatīvi zemas temperatūras dēļ. Uzlabotu rīku dēļ APCVD piedzīvo renesansi. Augsta vafeļu caurlaidspēja ir liela šī procesa priekšrocība.
Kā procesa gāzes silāns SiH4(ļoti atšķaidīts ar slāpekli N2) un skābekļa O2tiek izmantoti. Gāzes apmēram 400 ° C temperatūrā sadalās termiski un reaģē savā starpā, veidojot vēlamo plēvi.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Pievienots ozons O3var izraisīt labāku atbilstību, jo tas uzlabo uzkrāto daļiņu kustīgumu. Oksīds ir porains un elektriski nestabils, un to var blīvēt ar augstas temperatūras procesu.
Lai izvairītos no malām, kas var radīt grūtības papildu slāņu nogulsnēšanā, starpslāņiem izmanto fosfora silikāta stiklu (PSG). Tāpēc SiH pievieno fosfīnu4un O2, tā ka nogulsnētais oksīds satur 4 līdz 8% fosfora. Liels fosfora daudzums izraisa lielu plūsmas īpašību pieaugumu, tomēr var veidoties fosforskābe, kas korozē alumīniju (vadītāju ceļus).
Tā kā atlaidināšana ietekmē agrākos procesus (piemēram, dopingu), tad ar īslaicīgu atlaidināšanu tiek veiktas jaudīgas argona lampas (vairāki hundreti kW, mazāk nekā 10 sekundes, T=1100 ° C), nevis atkvēlināšana ilglaicīgos krāsns procesos.
Vienlaicīgi var pievienot analogu PSG boram (bora fosfora silikāta stikls, BPSG, 4% B un 4% P).
Horizontālā APCVD reaktora ilustrācija
LPCVD tiek izmantots vakuums. Plānas silīcija nitrīda plēves (Si3N4), silīcija oksinitrīds (SiON), SiO2var izveidot und volframu (W). LPCVD procesi nodrošina augstu atbilstību gandrīz 1. Tas ir saistīts ar zemo spiedienu no 10 līdz 100Pa (atmosfēras spiediens=100 000Pa), kas noved pie nevienmērīgas daļiņu kustības. Daļiņas izkliedējas sadursmju dēļ un pārklāj vertikālās, kā arī horizontālās virsmas. Atbilstību atbalsta augsta temperatūra līdz 900 ° C. Blīvums un stabilitāte, salīdzinot ar APCVD, ir ļoti augsta.
Si reakcijas3N4, SiON, SiO2un volframs ir šādi:
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) Volframs (400 ° C): WF6+ 3H2→W + 6HF
Atšķirībā no gāzveida prekursoriem, kurus izmanto Si3N4SiO izmanto SiON un volframu, šķidru tetraetilortosilikātu2. Bez tam ir arī citi šķidrie avoti, piemēram, DTBS (SiH2C8H20) vai tetrametilciklotetrasiloksānu (TMTCS, Si4O4C4H16).
Volframa plēvi var izgatavot tikai uz tukša silīcija. Tāpēc, ja nav silīcija substrāta, jāpievieno silāns.
LPCVD reaktora ilustrācija TEOS filmām
PECVD notiek 250 līdz 350 ° C temperatūrā. Zemas temperatūras dēļ procesa gāzes nevar sadalīt termiski. Ar augstas frekvences spriegumu gāze tiek pārveidota plazmas stāvoklī. Plazma ir enerģiska un nonāk virsmā. Tā kā metalizāciju, piemēram, alumīniju, nevar pakļaut augstām temperatūrām, SiO izmanto PECVD2un Si3N4nogulsnēšana virs metāla slāņiem. SiH2Cl2 vietā tiek izmantots silāns, jo tas sadalās zemākā temperatūrā. Atbilstība nav tik laba kā LPCVD (0,6 līdz 0,8), tomēr nogulsnēšanās ātrums ir daudz lielāks (0,5 mikroni minūtē).
PECVD reaktora ilustrācija
Atomu slāņa nogulsnēšanās (ALD) ir modificēts CVD process plānu plēvju ražošanai. Procesā tiek izmantotas vairākas gāzes, kuras pārmaiņus ievada procesa kamerā. Katra gāze reaģē tā, ka pašreizējā virsma ir piesātināta, un tāpēc reakcija apstājas. Alternatīvā gāze spēj reaģēt ar šo virsmu tādā pašā veidā. Starp šo gāzu reakcijām kamera tiek iztukšota ar inertu gāzi, piemēram, slāpekli vai argonu. Vienkāršs ALD process varētu izskatīties šādi:
pašierobežojoša reakcija uz virsmas ar pirmo gāzi
attīrīšana ar inertu gāzi
pašierobežojoša reakcija uz virsmas ar otro gāzi
attīrīšana ar inertu gāzi
Konkrēts ALD procesa piemērs ir alumīnija oksīda nogulsnēšanās, ko var realizēt ar trimetilalumīniju (TMA, C3H9Al) un ūdeni (H2O).
Pirmais solis ir ūdeņraža atomu atdalīšana, kas pie vafeļu virsmas ir saistīti ar skābekli. Metilgrupas (CH3) TMA var reaģēt ar ūdeņradi, veidojot metānu (CH4). Atlikušās molekulas saistās ar nepiesātināto skābekli.
Ja šie atomi ir piesātināti, uz virsmas vairs nevar reaģēt TMA molekulas.
Kamera tiek iztukšota, un sekojošais ūdens tvaiks tiek novadīts kamerā. Kādreiz viens H ūdeņraža atoms2O molekulas tagad var reaģēt ar bijušajiem nogulsnētajiem virsmas atomiem, veidojot metānu, savukārt hidroksilanions ir saistīts ar alumīnija atomiem.
Tādējādi uz virsmas ir jauni ūdeņraža atomi, kas pēc tam var reaģēt ar TMA tāpat kā sākumā.
Atomu slāņa nogulsnēšanās sniedz ievērojamas priekšrocības salīdzinājumā ar citām nogulsnēšanās metodēm, un tāpēc tas ir ļoti svarīgs process plānu plēvju ražošanai. Izmantojot ALD, pat trīsdimensiju struktūras var būt ļoti vienveidīgas. Ir iespējamas izolācijas plēves, kā arī vadošas, kuras var izveidot uz diferenciāliem pamatnēm (pusvadītājiem, polimēriem utt.). Plēves biezumu var kontrolēt ļoti precīzi pēc ciklu skaita. Tā kā reaktīvās gāzes vienlaikus netiek ievadītas kamerā, tās nevar veidot mikrobus tieši pirms faktiskās nogulsnēšanās. Tādējādi filmu kvalitāte ir ļoti augsta.
