Kemisk ångdeposition (CVD) är en beläggningsprocess som använder termiskt eller elektriskt inducerade kemiska reaktioner vid ytan av ett uppvärmt substrat, med reagenser som levereras i gasform. CVD är en depositionsmetod som används för att producera högkvalitativa, högpresterande, fasta material, vanligtvis under vakuum. Tunna filmer eller beläggningar produceras genom dissociation eller kemiska reaktioner av gasformiga reaktanter i en aktiverad (värme,ljus, plasma) miljö.
Epitaxy betyder "överst" eller "tilldelad", och representerar en process där ett lager skapas ovanpå ett annat lager och ärver dess kristallstruktur. Om det deponerade lagret är av samma material som substratet talar man om homoepitaxy, om det är ett annat material är det så kallad heteroepitaxy. Den viktigaste processen i homoepitaxin är nedfallet av kisel på kisel, i heteroepitaxy deponeras vanligtvis ett kiselskikt på en isolator som oxid (Silicon On Insulator: SOI). Kemisk ångdeposition (CVD) är en beläggningsprocess som använder termiskt eller elektriskt inducerade kemiska reaktioner vid ytan av ett uppvärmt substrat, med reagenser som levereras i gasform. CVD är en depositionsmetod som används för att producera högkvalitativa, högpresterande, fasta material, vanligtvis under vakuum. Tunna filmer eller beläggningar produceras genom dissociation eller kemiska reaktioner av gasformiga reaktanter i en aktiverad (värme,ljus, plasma) miljö.
Homoepitaxy (homoepitaxy)
Beroende på processen kan plattor levereras från wafertillverkaren med ett epitaxialskikt (t.ex. för CMOS-teknik), eller chiptillverkaren måste göra det själv (till exempel i bipolär teknik).
Som en gas för att generera det epitaktiska skiktet används rent väte tillsammans med silan (SiH4), diklorosilan (SiH2cl2) eller kiseltetraklorid (SiCl4). Vid ca 1000 °C klyver gaserna av kisel, som deponeras på skivans yta. Kisel ärver substratens struktur och växer av energiskäl lager för lager successivt på. För att inte växa upp med ett polykristallinsilikon måste man alltid råda brist på kiselatomer, t.ex. det är alltid något mindre kisel tillgängligt eftersom materialet faktiskt kan växa upp. När kiseltetraklorid används fortsätter reaktionen i två steg:
SiCl (sicl)4+ H2→SiCl (sicl)2+ 2HCl
2 SiCl (sicl)2→Si + SiCl4
För att ärva substratens orientering måste ytan vara helt klar. Så man kan använda jämviktsreaktionen. Båda reaktionerna kan uppstå i den andra riktningen, beroende på förhållandet mellan gaserna. Om det bara finns få väte i atmosfären, som i triklorilanprocessen för rening av rå kisel, avlägsnas materialet från kiselskivans yta på grund av den höga klorkoncentrationen. Endast med ökande koncentration av vätetillväxt uppnås.
Med SiCl4depositionshastigheten är cirka 1 till 2 mikron per minut. Eftersom monokristallinsilikonet bara växer på den nakna ytan kan vissa områden maskeras med oxid där kisel växer som polykristallinsilikon. Denna polykisel etsas dock mycket lätt jämfört med enkristallint kisel genom den bakåtriktade reaktionen. Diborane (B)2H6) eller fosfin (PH3) tillsätts processgaserna för att skapa dopade skikt, eftersom dopningsgaserna bryts ned vid höga temperaturer och dopanterna ingår i kristallgitteret.
Processen för att skapa hemepaktiska lager realiseras under vakuumatmosfär. Därför värms processkammaren upp till 1200 °C för att avlägsna den inhemska oxiden, som alltid finns på kiselytan. Som nämnts ovan, på grund av en låg vätekoncentration uppstår en rygg etsning på kiselytan. Detta kan användas för att rengöra ytan innan själva processen startar. Om gaskoncentrationen varieras efter denna rengöring börjar nedfallet.
Illustration av en fatreaktor för epitaktiska processer
På grund av de höga processtemperaturerna finns det en diffusion av dopants i substratet eller föroreningarna, som har använts i tidigare processer, kan flytta till substratet. Om SiH2cl2eller SiH4används finns det inget behov av så höga temperaturer, så dessa gaser används främst. För att uppnå etsningsprocessen för att rengöra ytan måste HCl läggas till separat. Nackdelen med denna silan är att de bildar bakterier i atmosfären precis före nedfall, och därmed är skiktens kvalitet inte lika bra som med SiCl4.
Det finns ofta ett behov av lager som inte kan skapas direkt från substratet. För att deponera lager av kiselnitrid eller kiseloxynitrid måste man använda gaser som innehåller alla nödvändiga komponenter. Gaserna bryts ned via termisk energi. Det är principen för den kemiska ångfasdepositionen: CVD. Skivans yta reagerar inte med gaserna utan fungerar som bottenskikt. Beroende på processparametrarna - tryck, temperatur - kan CVD-metoden delas i olika metoder vars lager skiljer sig åt i densitet och täckning. Om tillväxten på horisontella ytor är lika hög som på vertikala ytor överensstämmer nedfallet.
Överensstämmelse K är förhållandet mellan vertikal och horisontell tillväxt.K = Rv/R (engelska)H. Om depositionen inte är idealisk är överensstämmelsen mindre än 1 (t.ex.Rv/R (engelska)H= 1/2 → K = 0,5). En hög överensstämmelse kan endast uppnås genom höga processtemperaturer.
Tänkbara profiler
APCVD är en CVD-metod vid normalt tryck (atmosfärstryck) som används för nedfall av dopade och ogjorda oxider. Den deponerade oxiden har låg densitet och täckningen är måttlig på grund av en relativt låg temperatur. På grund av förbättrade verktyg genomgår APCVD en renässans. Den höga wafer-genomströmningen är en stor fördel med denna process.
Som processgaser silan SiH4(mycket utstedd med kväve N2) och syre O2används. Gaserna bryts ned termiskt vid ca 400 °C och reagerar med varandra för att bilda önskad film.
SiH (sih)4+ O2→SiO (sio)2+ 2H2(T = 430 °C, p = 105°Pa)
Tillsatt ozon O3kan orsaka en bättre överensstämmelse eftersom det förbättrar movabilityen hos de ackumulerade partiklarna. Oxiden är porös och elektrisk instable och kan förtätas av en högtemperaturprocess.
För att undvika kanter som kan leda till svårigheter vid nedfall av ytterligare skikt används fosforsilikatglas (PSG) för mellanskikt. Därför tillsätts fosfin till SiH4och O2, så att den deponerade oxiden innehåller 4–8 % fosfor. En hög mängd fosfor leder till en hög ökning av flödesegenskaperna, men fosforsyra kan bildas som korroderar aluminium (ledarvägar).
Eftersom glödgning påverkar tidigare processer (t.ex. dopning) görs endast kort härdning med kraftfulla argonlampor (flera hundrets kW, mindre än 10s, T = 1100 °C) istället för glödgning i longsome ugnsprocesser.
Analogt med PSG-bor kan tillsättas samtidigt (borfosforsilikatglas, BPSG, 4 % B och 4 % P).
Illustration av en horisontell APCVD-reaktor
I LPCVD används ett vakuum. Tunna filmer av kiselnitrid (Si3N4), kiseloxynitrid (SiON), SiO2(W) kan skapas. LPCVD-processer möjliggör en hög överensstämmelse på nästan 1. Detta beror på lågtrycket på 10 till 100 Pa (atmosfärstryck = 100.000 Pa) vilket leder till en icke-enhetlig rörelse av partiklarna. Partiklarna avled på grund av kollisioner och täcker vertikala ytor samt horisontella. Överensstämmelsen stöds av en hög temperatur på upp till 900 °C. Jämfört med APCVD är densiteten och stabiliteten mycket hög.
Reaktionerna för Si3N4, SiON, SiO2och volfram är följande:
a) Si3N4(850 °C): 4NH3+ 3ID2cl2→Si3N4+ 6HCl + 6H2
b) SiON (900 °C): NH3+ SiH2cl2+ N2o→Si3N4+ Nebenprodukte
c) SiO2(700 °C): SiO4C8H20→SiO (sio)2+ Nebenprodukte
d) Wolfram (400 °C): WF6+ 3H2→W + 6HF
I motsats till gasformiga prekursorer som används för Si3N4, SiON och volfram, flytande tetraetylorosilikat används för SiO2. Förutom finns det andra flytande källor som DTBS (SiH2C8H20) eller tetramethylcyklotetrasiloxan (TMTCS, Si4o4C4H16).
En volframfilm kan bara tillverkas på bar kisel. Därför måste silan tillsättas om det inte finns något kiselsubstrat.
Illustration av en LPCVD-reaktor för TEOS-filmer
PECVD sker vid 250 till 350 °C. På grund av låga temperaturer kan processgaserna inte brytas ned termiskt. Med hög frekvensspänning omvandlas gasen till ett plasmatillstånd. Plasman är energisk och kasseras på ytan. Eftersom metallisering, såsom aluminium, inte kan utsättas för höga temperaturer används PECVD för SiO2och Si3N4deposition ovanpå metallskikt. Istället för SiH2Cl2 används silan eftersom den sönderdelas vid lägre temperatur. Överensstämmelsen är inte lika bra som i LPCVD (0,6 till 0,8), men nedfallshastigheten är mycket högre (0,5 mikron per minut).
Illustration av en PECVD-reaktor
Atomic Layer Deposition (ALD) är en modifierad CVD-process för tillverkning av tunna filmer. Processen använder flera gaser som leds in i processkammaren alternerande. Varje gas reagerar på ett sådant sätt att den nuvarande ytan är mättad, och därför stannar reaktionen. Den alternativa gasen kan reagera med denna yta på samma sätt. Mellan reaktionerna från dessa gaser renas kammaren med en inert gas, som kväve eller argon. En enkel ALD-process kan se ut så här:
Ett specifikt exempel för en ALD-process är nedfallet av aluminiumoxid, detta kan realiseras med trimethylaluminum (TMA, C3H9Al) och vatten (H2O).
Första steget är eliminering av väteatomer som är bundna till syre vid waferytan. Metylgrupperna (CH3) av TMA kan reagera med vätet för att bilda metan (CH4). De återstående molekylerna binder till det omättade syret.
Om dessa atomer är mättade kan inga fler TMA-molekyler reagera vid ytan.
Kammaren rensas och efterföljande vattenånga leds in i kammaren. Någonsin en väteatom av H2O-molekyler kan nu reagera med de tidigare deponerade ytatomer för att bilda metan, medan hydroxylanjonen är bunden till aluminiumatomer.
Därför finns det nya väteatomer vid ytan som kan reagera i ett efteråt steg med TMA som i början.
Atomskiktets nedfall ger betydande fördelar jämfört med andra depositionstekniker, och därför är det en mycket viktig process för att tillverka tunna filmer. Med ALD kan även 3-dimensionella strukturer deponeras mycket enhetligt. Isolerande filmer är möjliga såväl som ledande, som kan skapas på olika substrat (halvledare, polymerer, ...). Filmtjockleken kan styras mycket exakt av antalet cykler. Eftersom de reaktiva gaserna inte leds in i kammaren samtidigt kan de inte bilda bakterier precis före det faktiska nedfallet. Således är kvaliteten på filmerna mycket hög.
