Chemická depozice z plynné fáze (CVD) je proces potahování, při kterém se používají tepelně nebo elektricky vyvolané chemické reakce na povrchu zahřátého substrátu s reagenty dodávanými v plynné formě. CVD je depoziční metoda používaná k výrobě vysoce kvalitních, vysoce výkonných pevných materiálů, obvykle ve vakuu. Tenké filmy nebo povlaky se vytvářejí disociačními nebo chemickými reakcemi plynných reaktantů v aktivovaném prostředí (teplo, světlo, plazma).
Epitaxe znamená&"; nahoře &"; nebo&"přiřazeno &"; a představuje proces, při kterém je vrstva vytvořena na vrcholu jiné vrstvy a zdědí její krystalickou strukturu. Pokud je nanesená vrstva ze stejného materiálu jako podklad, hovoří se o homoepitaxi, pokud jde o jiný materiál, jedná se o takzvanou heteroepitaxi. Nejvýznamnějším procesem v homoepitaxi je depozice křemíku na křemík, v heteroepitaxi se obvykle vrstva křemíku nanáší na izolátor, jako je oxid (Silicon On Insulator: SOI). Chemická depozice z par (CVD) je proces potahování, který využívá tepelně nebo elektricky indukované chemické reakce na povrchu zahřátého substrátu s reagenty dodávanými v plynné formě. CVD je depoziční metoda používaná k výrobě vysoce kvalitních, vysoce výkonných pevných materiálů, obvykle ve vakuu. Tenké filmy nebo povlaky se vytvářejí disociačními nebo chemickými reakcemi plynných reaktantů v aktivovaném prostředí (teplo, světlo, plazma).
Domácí epitaxe
V závislosti na procesu mohou být destičky dodávány od výrobce destiček s epitaxní vrstvou (např. Pro technologii CMOS), nebo si je výrobce čipů musí vyrobit sám (například v bipolární technologii).
Jako plyn pro generování epitaktické vrstvy se používá čistý vodík ve spojení se silanem (SiH4), dichlorsilan (SiH2Cl2) nebo chlorid křemičitý (SiCl4). Při asi 1 000 ° C se plyny odštěpují od křemíku, který se usazuje na povrchu plátku. Křemík zdědí strukturu substrátu a z energetických důvodů postupně roste vrstvu po vrstvě. Aby nevyrostl polykrystalický křemík, musí vždy převládat nedostatek atomů křemíku, např. Je vždy k dispozici o něco méně křemíku, protože materiál mohl skutečně vyrůst. Při použití chloridu křemičitého probíhá reakce ve dvou krocích:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Aby bylo možné zdědit orientaci podkladu&# 39, musí být povrch naprosto čistý. Lze tedy využít rovnovážnou reakci. Obě reakce mohou nastat v opačném směru, v závislosti na poměru plynů. Pokud je v atmosféře jen málo vodíku, jako je tomu v trichlorsilanovém procesu čištění surového křemíku, je materiál odstraněn z povrchu křemíkové destičky kvůli vysoké koncentraci chloru. Pouze se zvyšující se koncentrací růstu vodíku je dosaženo.
S SiCl4rychlost depozice je přibližně 1 až 2 mikrony za minutu. Protože monokrystalický křemík roste pouze na holém povrchu, lze určité oblasti maskovat oxidem, kde křemík roste jako polykrystalický křemík. Tento polysilikon je však velmi snadno leptán ve srovnání s monokrystalickým křemíkem prostřednictvím zpětně probíhající reakce. Diboran (B.2H6) nebo fosfin (PH3) se přidávají do procesních plynů, aby se vytvořily dotované vrstvy, protože dopingové plyny se rozkládají při vysokých teplotách a příměsi se začleňují do krystalové mřížky.
Proces vytváření domácích epitaktických vrstev je realizován ve vakuové atmosféře. Proto se procesní komora zahřívá na 1 200 ° C, aby se odstranil nativní oxid, který je vždy přítomný na povrchu křemíku. Jak bylo zmíněno výše, kvůli nízké koncentraci vodíku dochází na povrchu křemíku k zadnímu leptání. To lze použít k čištění povrchu před zahájením skutečného procesu. Pokud se koncentrace plynu po tomto čištění změní, začne ukládání.
Ilustrace sudového reaktoru pro epitaktické procesy
Kvůli vysokým procesním teplotám může&# 39 difúze dopantů v substrátu nebo nečistoty, které byly použity v dřívějších procesech, přesunout do substrátu. Pokud SiH2Cl2nebo SiH4jsou tam používány' není potřeba tak vysokých teplot, proto se tyto plyny používají primárně. K dosažení procesu zpětného leptání k čištění povrchu je třeba přidat HCl samostatně. Nevýhodou těchto silanů je, že těsně před nanesením vytvářejí v atmosféře choroboplodné zárodky, a proto kvalita vrstvy není tak dobrá jako u SiCl4.
Často existuje potřeba vrstev, které nelze vytvořit' přímo ze substrátu. K nanášení vrstev nitridu křemíku nebo oxynitridu křemíku je třeba použít plyny, které obsahují všechny potřebné složky. Plyny se rozkládají pomocí tepelné energie. To je' princip chemické depozice v plynné fázi: CVD. Povrch destičky nereaguje s plyny, ale slouží jako spodní vrstva. V závislosti na parametrech procesu - tlaku, teplotě - lze metodu CVD rozdělit na různé metody, jejichž vrstvy se liší hustotou a pokrytím. Pokud je růst na vodorovných površích stejně vysoký jako na svislých površích, je depozice v souladu.
Shoda K je poměr vertikálního a horizontálního růstu,K = Rv/Rh. Pokud uložení není ideální, shoda je menší než 1 (napřRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Vysoké shody lze dosáhnout pouze při vysokých procesních teplotách.
Představitelné profily
APCVD je metoda CVD při normálním tlaku (atmosférickém tlaku), která se používá k ukládání dopovaných a nedopovaných oxidů. Usazený oxid má nízkou hustotu a pokrytí je mírné kvůli relativně nízké teplotě. Díky vylepšeným nástrojům prochází APCVD renesancí. Vysoká propustnost destiček je velkou výhodou tohoto procesu.
Jako procesní plyny silan SiH4(vysoce delece dusíkem N2) a kyslík O2Jsou používány. Plyny se tepelně rozkládají při asi 400 ° C a navzájem reagují za vzniku požadovaného filmu.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Přidán ozon O3může způsobit lepší konformitu, protože zlepšuje pohyblivost nahromaděných částic. Oxid je porézní a elektricky nestabilní a lze jej zahustit vysokoteplotním procesem.
Aby se zabránilo hranám, které mohou mít za následek potíže při nanášení dalších vrstev, používá se pro mezivrstvy fosforečnanem křemičité sklo (PSG). Proto se k SiH přidává fosfin4a O.2, takže uložený oxid obsahuje 4 až 8% fosforu. Vysoké množství fosforu vede k vysokému zvýšení tokových vlastností, ale může se tvořit kyselina fosforečná, která koroduje hliník (dráhy vodičů).
Protože žíhání ovlivňuje dřívější procesy (např. Doping), provádí se pouze temperování pomocí výkonných argonových výbojek (několik set kW, méně než 10 s, T=1100 ° C) místo žíhání v dlouhých pecích.
Analogicky k PSG boru lze přidávat současně (křemičité sklo boritého fosforu, BPSG, 4% B a 4% P).
Ilustrace horizontálního reaktoru APCVD
V LPCVD se používá vakuum. Tenké vrstvy nitridu křemíku (Si3N4), oxynitrid křemíku (SiON), SiO2lze vytvořit wolfram (W). Procesy LPCVD umožňují vysokou shodu téměř 1. Důvodem je nízký tlak 10 až 100 Pa (atmosférický tlak=100 000 Pa), který vede k nerovnoměrnému pohybu částic. Částice se rozptylují v důsledku kolizí a pokrývají vertikální i horizontální povrchy. Shoda je podporována vysokou teplotou až 900 ° C. Ve srovnání s APCVD je hustota a stabilita velmi vysoká.
Reakce na Si3N4, SiON, SiO2a wolfram jsou následující:
a) Si3N4(850 ° C): 4 NH3+ 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
Na rozdíl od plynných prekurzorů, které se používají pro Si3N4Pro SiO se používá SiON a wolfram, kapalný tetraethyl ortosilikát2. Kromě toho existují další kapalné zdroje, jako je DTBS (SiH2C8H20) nebo tetramethylcyklotetrasiloxan (TMTCS, Si4O4C4H16).
Wolframový film lze vyrobit pouze na holém křemíku. Pokud tedy není silikonový substrát, musí se přidat silan.
Ilustrace LPCVD reaktoru pro TEOS filmy
PECVD probíhá při 250 až 350 ° C. Vzhledem k nízkým teplotám nemohou být procesní plyny tepelně rozloženy. Při vysokofrekvenčním napětí se plyn transformuje do plazmatického stavu. Plazma je energetická a likviduje se na povrchu. Protože metalizaci, jako je hliník, nelze vystavit vysokým teplotám, používá se pro SiO PECVD2a Si3N4nanášení na kovové vrstvy. Místo SiH2Cl2 se používá silan, protože se rozkládá při nižší teplotě. Shoda není tak dobrá jako u LPCVD (0,6 až 0,8), nicméně rychlost depozice je mnohem vyšší (0,5 mikronu za minutu).
Ilustrace PECVD reaktoru
Atomic Layer Deposition (ALD) je upravený proces CVD pro výrobu tenkých vrstev. Proces používá několik plynů, které jsou střídavě vedeny do procesní komory. Každý plyn reaguje tak, že aktuální povrch je nasycený, a proto se reakce zastaví. Alternativní plyn je schopen reagovat s tímto povrchem stejným způsobem. Mezi reakcemi těchto plynů je komora propláchnuta inertním plynem, jako je dusík nebo argon. Jednoduchý proces ALD může vypadat takto:
Specifickým příkladem procesu ALD je depozice oxidu hlinitého, čehož lze dosáhnout pomocí trimethylaluminia (TMA, C3H9Al) a voda (H2O).
Prvním krokem je eliminace atomů vodíku, které jsou vázány na kyslík na povrchu destičky. Methylové skupiny (CH3) TMA může reagovat s vodíkem za vzniku methanu (CH4). Zbývající molekuly se vážou na nenasycený kyslík.
Pokud jsou tyto atomy nasycené, na povrchu již nemohou reagovat žádné další molekuly TMA.
Komora se propláchne a do komory se vede další vodní pára. Vždy jeden atom vodíku H2Molekuly O nyní mohou reagovat s dříve uloženými povrchovými atomy za vzniku methanu, zatímco hydroxylový anion je spojen s atomy hliníku.
Proto jsou na povrchu nové atomy vodíku, které mohou reagovat v následném kroku s TMA jako na začátku.
Depozice atomové vrstvy poskytuje významné výhody oproti jiným technikám depozice, a proto je velmi důležitým procesem výroby tenkých vrstev. S ALD mohou být velmi rovnoměrně uloženy i trojrozměrné struktury. Jsou možné izolační fólie i vodivé fólie, které lze vytvářet na různých podkladech (polovodiče, polymery, ...). Tloušťku filmu lze velmi přesně řídit počtem cyklů. Jelikož reaktivní plyny nejsou vedeny do komory současně, nemohou vytvářet zárodky těsně před vlastní depozicí. Kvalita filmů je tedy velmi vysoká.
