Cheminis garų nusodinimas (CVD) yra dengimo procesas, kurio metu įkaitinto pagrindo paviršiuje naudojamos termiškai ar elektriškai sukeltos cheminės reakcijos. CVD yra nusodinimo metodas, naudojamas aukštos kokybės, labai efektyvioms, kietoms medžiagoms gaminti, paprastai vakuume. Plonos plėvelės arba dangos susidaro disocijuojant ar chemiškai reaguojant dujiniams reagentams aktyvuotoje (šilumos, šviesos, plazmos) aplinkoje.
Epitaksija reiškia &, viršuje &; arba &, priskirtas &, ir reiškia procesą, kurio metu sluoksnis sukuriamas ant kito sluoksnio ir paveldi jo kristalo struktūrą. Jei nusėdęs sluoksnis yra tos pačios medžiagos kaip substratas, kalbama apie homoepitaksiją, jei ji yra kita medžiaga, vadinamoji heteroepitaksija. Reikšmingiausias homoepitaksijos procesas yra silicio nusodinimas ant silicio, heteroepitaksyje silicio sluoksnis paprastai nusėda ant izoliatoriaus, pvz., Oksido (Silicon On Insulator: SOI). Cheminis garų nusodinimas (CVD) yra dengimo procesas, kuriame naudojamas termiškai arba elektriniu būdu sukeliamos cheminės reakcijos į pašildyto pagrindo paviršių su reagentais, tiekiamais dujomis. CVD yra nusodinimo metodas, naudojamas aukštos kokybės, labai efektyvioms, kietoms medžiagoms gaminti, paprastai vakuume. Plonos plėvelės arba dangos susidaro disocijuojant ar chemiškai reaguojant dujiniams reagentams aktyvuotoje (šilumos, šviesos, plazmos) aplinkoje.
Homoepitaksija
Priklausomai nuo proceso, plokšteles iš plokštelių gamintojo galima pristatyti su epitaksiniu sluoksniu (pvz., CMOS technologijai), arba mikroschemų gamintojas turi jas pasigaminti pats (pavyzdžiui, naudodamas bipolinę technologiją).
Kaip dujos epitaktiniam sluoksniui generuoti, grynas vandenilis naudojamas kartu su silanu (SiH4), dichlorosilanas (SiH2Cl2) arba silicio tetrachloridas (SiCl4). Esant maždaug 1000 ° C temperatūrai, dujos skaldo silicį, kuris nusėda ant plokštelės paviršiaus. Silicis paveldi substrato struktūrą ir dėl energetinių priežasčių vienas po kito auga sluoksnis po sluoksnio. Norint neužauginti polikristalinio silicio, visada reikia turėti silicio atomų trūkumą, pvz., Silicio visada yra šiek tiek mažiau, nes medžiaga iš tikrųjų gali užaugti. Kai naudojamas silicio tetrachloridas, reakcija vyksta dviem etapais:
SiCl4+ H2→SiCl22HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Norint paveldėti substrato&# 39 orientaciją, paviršius turi būti visiškai aiškus. Taigi galima panaudoti pusiausvyros reakciją. Abi reakcijos gali vykti kita kryptimi, priklausomai nuo dujų santykio. Jei atmosferoje yra tik nedaug vandenilio, kaip trichlorosilano žaliavinio silicio valymo procese, medžiaga yra pašalinama iš silicio plokštelių paviršiaus dėl didelės chloro koncentracijos. Tik didėjant vandenilio koncentracijai, galima pasiekti augimą.
Su SiCl4nusėdimo greitis yra maždaug 1–2 mikronai per minutę. Kadangi monokristalinis silicis auga tik ant pliko paviršiaus, tam tikras vietas galima užmaskuoti oksidu, kur silicis auga kaip polikristalinis silicis. Tačiau šis daugiasluoksnis silicis yra išgraviruotas labai lengvai, lyginant su vienkristaliu siliciu, vykstant atgalinei reakcijai. Diboranas (B2H6) arba fosfinas (PH3) pridedamos prie proceso dujų, kad susidarytų legiruoti sluoksniai, nes dopingo dujos suyra esant aukštai temperatūrai, o priedai įterpiami į kristalinę gardelę.
Namų epitaktinių sluoksnių kūrimo procesas vykdomas vakuumo atmosferoje. Todėl proceso kamera pašildoma iki 1200 ° C, kad pašalintų natūralųjį oksidą, kuris visada yra ant silicio paviršiaus. Kaip minėta pirmiau, dėl mažos vandenilio koncentracijos silicio paviršiuje atsiranda užgrūdimas. Tai gali būti naudojama paviršiaus valymui prieš prasidedant tikram procesui. Jei po šio valymo skiriasi dujų koncentracija, prasideda nusėdimas.
Epitaktinių procesų vamzdžio reaktoriaus iliustracija
Dėl aukštų proceso temperatūrų' dopingo difuzija substrate arba priemaišos, kurios buvo naudojamos ankstesniuose procesuose, gali pereiti prie pagrindo. Jei SiH2Cl2arba SiH4yra naudojami ten' nereikia tokios aukštos temperatūros, todėl šios dujos yra naudojamos pirmiausia. Norint pasiekti, kad paviršius būtų išvalytas, reikia atskirai pridėti HCl. Šių silanų trūkumas yra tas, kad prieš pat nusodinimą jie atmosferoje sudaro mikrobus, todėl sluoksnio kokybė nėra tokia gera, kaip naudojant SiCl4.
Dažnai reikia sluoksnių, kurių' negalima sukurti tiesiai iš pagrindo. Norint nusodinti silicio nitrido arba silicio oksinitrido sluoksnius, reikia naudoti dujas, kuriose yra visi reikalingi komponentai. Dujos yra skaidomos šilumine energija. Tai' yra cheminės garų fazės nusodinimo principas: CVD. Plokštės paviršius nereaguoja su dujomis, bet tarnauja kaip apatinis sluoksnis. Atsižvelgiant į proceso parametrus - slėgį, temperatūrą - CVD metodą galima suskirstyti į skirtingus metodus, kurių sluoksniai skiriasi tankiu ir padengimu. Jei horizontalių paviršių augimas yra toks pat didelis kaip ir vertikalių paviršių, nuosėdos yra tinkamos.
Atitikimas K yra vertikalaus ir horizontalaus augimo santykis,K = Rv/Rh. Jei nusėdimas nėra idealus, atitiktis yra mažesnė nei 1 (pvzRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Aukštą atitikimą galima pasiekti tik esant aukštai proceso temperatūrai.
Įsivaizduojami profiliai
APCVD yra CVD metodas esant normaliam slėgiui (atmosferos slėgiui), naudojamas nusodintų ir nepopiluotų oksidų nusėdimui. Nusodinto oksido tankis yra mažas, o dėl santykinai žemos temperatūros padengimas yra vidutinis. Dėl patobulintų įrankių APCVD išgyvena renesansą. Didelis plokštelių pralaidumas yra didelis šio proceso privalumas.
Kaip proceso dujos silanas SiH4(labai atskiestas azotu N2) ir deguonies O2yra naudojami. Dujos suskaidomos termiškai esant maždaug 400 ° C temperatūrai ir reaguoja tarpusavyje, kad susidarytų norima plėvelė.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Pridėta ozono O3gali sukelti geresnę atitiktį, nes pagerina susikaupusių dalelių judėjimą. Oksidas yra akytas ir nestabilus elektrai ir gali būti tankinamas aukštos temperatūros procesu.
Siekiant išvengti kraštų, dėl kurių gali atsirasti sunkumų nusėdant papildomus sluoksnius, tarpsluoksniams naudojamas fosforo silikatinis stiklas (PSG). Dėl to fosfinas pridedamas prie SiH4ir O2, kad nusėdusiame okside būtų 4–8% fosforo. Dėl didelio fosforo kiekio labai padidėja srauto savybės, tačiau gali susidaryti fosforo rūgštis, kuri koroduoja aliuminį (laidininkų kelius).
Kadangi atkaitinimas daro įtaką ankstesniems procesams (pvz., Dopingas), tik trumpai grūdinama galingomis argono lempomis (keli hundretai kW, mažiau nei 10 s, T=1100 ° C), o ne atkaitinama ilgai trunkančiuose krosnies procesuose.
Analogiškai prie PSG boro galima pridėti vienu metu (boro fosforo silikato stiklas, BPSG, 4% B ir 4% P).
Horizontalaus APCVD reaktoriaus iliustracija
LPCVD naudojamas vakuumas. Plonos silicio nitrido plėvelės (Si3N4), silicio oksinitridas (SiON), SiO2und volframas (W) gali būti sukurtas. LPCVD procesai užtikrina aukštą beveik 1 atitikimą. Taip yra dėl žemo slėgio nuo 10 iki 100Pa (atmosferos slėgis=100 000Pa), dėl kurio dalelės juda netolygiai. Dalelės išsiskleidžia dėl susidūrimų ir padengia vertikalius, taip pat horizontalius paviršius. Atitikimą palaiko aukšta iki 900 ° C temperatūra. Palyginti su APCVD, tankis ir stabilumas yra labai didelis.
Si reakcijos3N4, SiON, SiO2ir volframas yra šie:
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
Priešingai nei dujiniai pirmtakai, naudojami Si3N4SiO naudojamas SiON ir volframas, skystas tetraetilo ortosilikatas2. Be to, yra ir kitų skystų šaltinių, tokių kaip DTBS (SiH2C8H20) arba tetrametilciklotetrasiloksanas (TMTCS, Si4O4C4H16).
Volframo plėvelę galima pagaminti tik ant pliko silicio. Todėl, jei nėra silicio substrato, reikia pridėti silano.
TEOS filmų LPCVD reaktoriaus iliustracija
PECVD vyksta 250–350 ° C temperatūroje. Dėl žemos temperatūros proceso dujos negali būti skaidomos termiškai. Esant aukšto dažnio įtampai, dujos virsta plazmos būsena. Plazma yra energinga ir išsiskiria į paviršių. Kadangi metalizacijos, pvz., Aliuminio, negalima paveikti aukšta temperatūra, SiO naudojamas PECVD2ir Si3N4nusėdimas ant metalinių sluoksnių. Vietoj SiH2Cl2 naudojamas silanas, nes jis suyra esant žemesnei temperatūrai. Atitikimas nėra toks geras kaip LPCVD (nuo 0,6 iki 0,8), tačiau nusėdimo greitis yra daug didesnis (0,5 mikrono per minutę).
PECVD reaktoriaus iliustracija
Atominis sluoksnio nusodinimas (ALD) yra modifikuotas CVD procesas plonoms plėvelėms gaminti. Procese naudojamos kelios dujos, kurios pakaitomis įvedamos į proceso kamerą. Kiekvienos dujos reaguoja taip, kad srovės paviršius būtų prisotintas, todėl reakcija sustoja. Alternatyvios dujos sugeba tuo pačiu būdu reaguoti su šiuo paviršiumi. Tarp šių dujų reakcijų kamera išvaloma inertinėmis dujomis, tokiomis kaip azotas ar argonas. Paprastas ALD procesas gali atrodyti taip:
savaiminė reakcija paviršiuje su pirmosiomis dujomis
valymas inertinėmis dujomis
savaiminė reakcija ant paviršiaus su antrosiomis dujomis
valymas inertinėmis dujomis
Konkretus ALD proceso pavyzdys yra aliuminio oksido nusodinimas. Tai galima realizuoti naudojant trimetilaliuminį (TMA, C3H9Al) ir vanduo (H2O).
Pirmasis žingsnis yra vandenilio atomų, kurie jungiasi su deguonimi, pašalinimas iš plokštelių paviršiaus. Metilo grupės (CH3) TMA gali reaguoti su vandeniliu ir sudaryti metaną (CH4). Likusios molekulės jungiasi su nesočiu deguonimi.
Jei šie atomai yra prisotinti, daugiau TMA molekulių paviršiuje nebegali reaguoti.
Kamera išvaloma, o paskui į ją įleidžiami vandens garai. Kada nors vienas vandenilio atomas H2O molekulės dabar gali reaguoti su buvusiais nusėdusiais paviršiaus atomais ir sudaryti metaną, o hidroksilo anijonas yra susijęs su aliuminio atomais.
Taigi paviršiuje yra naujų vandenilio atomų, kurie gali reaguoti paskui su TMA, kaip ir pradžioje.
Atominio sluoksnio nusodinimas suteikia reikšmingų pranašumų prieš kitas nusodinimo technologijas, todėl jis yra labai svarbus plonų plėvelių gamybos procesas. Naudojant ALD, net 3 matmenų struktūros gali būti labai vienodos. Galimos ir izoliacinės plėvelės, taip pat laidžios, kurios gali būti sukurtos ant diferencinių pagrindų (puslaidininkių, polimerų ir kt.). Plėvelės storį galima labai tiksliai kontroliuoti pagal ciklų skaičių. Kadangi reaktyviosios dujos į kamerą nevedamos vienu metu, jos negali susidaryti mikrobų prieš pat faktinį nusėdimą. Taigi filmų kokybė yra labai aukšta.
