Хімічне випаровування паром (ХВП) - це процес нанесення покриттів, який використовує термічно або електрично індуковані хімічні реакції на поверхні нагрітої основи з реагентами, що надходять у газоподібну форму. CVD - це метод осадження, який використовується для отримання високоякісних, високоефективних твердих матеріалів, як правило, у вакуумі. Тонкі плівки або покриття утворюються в результаті дисоціації або хімічних реакцій газоподібних реагентів в активованому (тепло, світло, плазма) середовищі.
Епітаксія означає" зверху" або", присвоєний" ;, і являє собою процес, в якому шар створюється поверх іншого шару і успадковує його кристалічну структуру. Якщо нанесений шар має той самий матеріал, що і субстрат, це говорить про гомоепітаксію, якщо це' це інший матеріал, то це' це так звана гетероепітаксія. Найбільш значущим процесом у гомеепітаксії є осадження кремнію на кремній, у гетероепітаксії зазвичай шар кремнію наноситься на такий ізолятор, як оксид (Silicon On Insulator: SOI). або електрично індуковані хімічні реакції на поверхні нагрітої основи з реагентами, що постачаються у газоподібній формі. CVD - це метод осадження, який використовується для отримання високоякісних, високоефективних твердих матеріалів, як правило, у вакуумі. Тонкі плівки або покриття утворюються в результаті дисоціації або хімічних реакцій газоподібних реагентів в активованому (тепло, світло, плазма) середовищі.
Гомеепітаксія
Залежно від процесу, пластини можуть бути доставлені від виробника пластин з епітаксіальним шаром (наприклад, для технології CMOS), або виробник чіпів повинен виготовити його самостійно (наприклад, у біполярній технології).
Як газ для утворення епітактичного шару використовується чистий водень у поєднанні з силаном (SiH4), дихлорсилан (SiH2Кл2) або тетрахлорид кремнію (SiCl4). Приблизно при 1000 ° С гази відщеплюють кремній, який осідає на поверхні пластини. Кремній успадковує структуру підкладки і з енергетичних причин послідовно зростає. Щоб не виростити полікристалічний кремній, завжди потрібно переважати дефіцит атомів кремнію, наприклад, кремнію завжди трохи менше, оскільки матеріал може насправді вирости. Коли використовується тетрахлорид кремнію, реакція протікає у два етапи:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Для того, щоб успадкувати орієнтацію основи' поверхня повинна бути абсолютно чистою. Отже, можна використати реакцію рівноваги. Обидві реакції можуть відбуватися в іншому напрямку, залежно від співвідношення газів. Якщо в атмосфері мало водню, як у процесі трихлорсилану для очищення сирого кремнію, матеріал видаляється з поверхні кремнієвої пластини через високу концентрацію хлору. Тільки із збільшенням концентрації водню досягається ріст.
За допомогою SiCl4швидкість осадження становить приблизно 1-2 мікрони на хвилину. Оскільки монокристалічний кремній росте лише на оголеній поверхні, певні ділянки можна замаскувати оксидом, де кремній росте як полікристалічний кремній. Однак цей полікремній дуже легко травиться порівняно з монокристалічним кремнієм за допомогою зворотної реакції. Діборан (Б2H6) або фосфіну (PH3) додаються до технологічних газів для створення легованих шарів, оскільки легуючі гази розкладаються при високих температурах, і легуючі речовини входять у кристалічну решітку.
Процес створення домашніх епітактичних шарів здійснюється у вакуумній атмосфері. Для цього технологічна камера нагрівається до 1200 ° C для видалення природного оксиду, який завжди присутній на поверхні кремнію. Як зазначалося вище, через низьку концентрацію водню на поверхні кремнію відбувається зворотне травлення. Це можна використовувати для очищення поверхні до початку власне процесу. Якщо після цього очищення концентрація газу змінюється, починається осадження.
Ілюстрація бочкового реактора для епітактичних процесів
Через високі температури процесу' дифузія легуючих речовин у підкладці або домішки, які використовувались у попередніх процесах, можуть переміщатися до підкладки. Якщо SiH2Кл2або SiH4використовуються там' немає необхідності в таких високих температурах, тому ці гази використовуються переважно. Для досягнення процесу зворотного травлення для очищення поверхні HCl потрібно додавати окремо. Недоліком цих силанів є те, що вони утворюють мікроби в атмосфері безпосередньо перед осадженням, і, отже, якість шару не така хороша, як у SiCl4.
Часто виникає потреба в шарах, які неможливо створити' прямо з основи. Для нанесення шарів нітриду кремнію або оксинітриду кремнію слід використовувати гази, що містять усі необхідні компоненти. Гази розкладаються за допомогою теплової енергії. Це' є принципом хімічного осадження парової фази: ССЗ. Поверхня пластини не реагує' не реагує з газами, але служить придонним шаром. Залежно від параметрів процесу - тиску, температури - метод CVD можна розділити на різні методи, шари яких відрізняються щільністю та покриттям. Якщо ріст на горизонтальних поверхнях такий же високий, як і на вертикальних поверхнях, осадження відповідає.
Відповідність К - відношення вертикального і горизонтального зростання,K = Rv/Rh. Якщо осадження не є ідеальним, відповідність менше 1 (наприклад,Rv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Високої відповідності можна досягти лише завдяки високим температурам технологічного процесу.
Мислимі профілі
APCVD - це метод CVD при нормальному тиску (атмосферному тиску), який використовується для осадження легованих та нелегованих оксидів. Осаджений оксид має низьку щільність, а покриття є помірним через відносно низьку температуру. Завдяки вдосконаленим інструментам APCVD переживає ренесанс. Висока пропускна здатність пластин є великою перевагою цього процесу.
В якості технологічних газів силан SiH4(сильно занепокоєний азотом N2) та кисню O2використовуються. Гази розкладаються при температурі близько 400 ° C і реагують між собою, утворюючи потрібну плівку.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Па)
Додано озон O3може спричинити кращу відповідність, оскільки покращує рухливість накопичених частинок. Оксид є пористим і електрично нестійким, і його можна ущільнити за допомогою високотемпературного процесу.
Щоб уникнути країв, які можуть спричинити труднощі при нанесенні додаткових шарів, для прошарків використовується фосфорно-силікатне скло (ПСГ). Для цього фосфін додається до SiH4і O2, так що осаджений оксид містить від 4 до 8% фосфору. Висока кількість фосфору призводить до значного збільшення властивостей течії, однак може утворюватися фосфорна кислота, яка роз’їдає алюміній (провідні шляхи).
Оскільки відпал впливає на більш ранні процеси (наприклад, легування), лише короткий загартування проводиться за допомогою потужних аргонових ламп (кілька кубометрів кВт, менше 10 с, T=1100 ° C) замість відпалу в тривалих пічних процесах.
Аналог PSG бору можна додавати одночасно (силікатне скло фосфорного бору, BPSG, 4% B та 4% P).
Ілюстрація горизонтального реактора APCVD
У LPCVD використовується вакуум. Тонкі плівки нітриду кремнію (Si3N4), оксинітрид кремнію (SiON), SiO2можна створити і вольфрам (W). Процеси LPCVD забезпечують високу відповідність майже 1. Це пов’язано з низьким тиском від 10 до 100 Па (атмосферний тиск=100.000 Па), що призводить до нерівномірного руху частинок. Частинки поширюються внаслідок зіткнень і покривають вертикальні поверхні, а також горизонтальні. Відповідність підтримується високою температурою до 900 ° C. Порівняно з APCVD щільність та стабільність дуже високі.
Реакції на Si3N4, SiON, SiO2і вольфраму такі:
а) Si3N4(850 ° C): 4 н3+ 3SiH2Кл2→Si3N4+ 6HCl + 6H2
б) SiON (900 ° C): NH3+ SiH2Кл2+ N2O→Si3N4+ Небенпродукт
в) SiO2(700 ° C): SiO4C8H20→SiO2+ Небенпродукт
г) Вольфрам (400 ° C): WF6+ 3H2→Ш + 6ВЧ
На відміну від газоподібних попередників, які використовуються для Si3N4, SiON і вольфрам, рідкий тетраетил ортосилікат використовується для SiO2. Крім того, існують інші джерела рідини, такі як DTBS (SiH2C8H20) або тетраметилциклотетрасилоксан (TMTCS, Si4O4C4H16).
Вольфрамову плівку можна виготовити лише з оголеного кремнію. Тому силан потрібно додавати, якщо немає кремнійсубстрату.
Ілюстрація реактора LPCVD для фільмів TEOS
PECVD відбувається при температурі від 250 до 350 ° C. Через низьких температур технологічні гази не можуть бути розкладені термічно. При напрузі високої частоти газ перетворюється в плазмовий стан. Плазма енергійна і розміщується на поверхні. Оскільки металізація, така як алюміній, не може бути піддана дії високих температур, PECVD використовується для SiO2і Si3N4осадження поверх металевих шарів. Замість SiH2Cl2 використовується силан, оскільки він розкладається при нижчій температурі. Відповідність не така хороша, як у LPCVD (0,6-0,8), однак швидкість осадження набагато вища (0,5 мкм на хвилину).
Ілюстрація реактора PECVD
Нанесення атомного шару (ALD) - це модифікований процес CVD для виробництва тонких плівок. У процесі використовується кілька газів, які по черзі потрапляють у технологічну камеру. Кожен газ реагує таким чином, що поточна поверхня насичується, і тому реакція зупиняється. Альтернативний газ може реагувати з цією поверхнею однаково. Між реакціями цих газів камера продувається інертним газом, таким як азот або аргон. Простий процес ALD може виглядати так:
Конкретним прикладом для процесу ALD є осадження оксиду алюмінію, це можна здійснити за допомогою триметилалюмінію (TMA, C3H9Al) та води (H2O).
Першим кроком є усунення атомів водню, які пов'язані з киснем на поверхні пластини. Метильні групи (СН3) ТМА може реагувати з воднем, утворюючи метан (СН4). Решта молекули зв’язуються з ненасиченим киснем.
Якщо ці атоми насичені, більше молекули ТМА не можуть реагувати на поверхні.
Камера продувається, а подальша водяна пара подається в камеру. Завжди один атом водню Н2Молекули O тепер можуть реагувати з колишніми осадженими поверхневими атомами, утворюючи метан, тоді як гідроксильний аніон зв’язується з атомами алюмінію.
Отже, на поверхні є нові атоми водню, які в подальшому можуть реагувати з ТМА, як на початку.
Осадження атомного шару забезпечує значні переваги перед іншими методами осадження, і тому це' є дуже важливим процесом виробництва тонких плівок. З ALD навіть тривимірні структури можуть бути дуже однорідними. Можливі ізоляційні плівки, а також електропровідні, які можуть створюватися на різних підкладках (напівпровідники, полімери, ...). Товщину плівки можна дуже точно контролювати за кількістю циклів. Оскільки реактивні гази не потрапляють в камеру одночасно, вони не можуть утворювати мікроби безпосередньо перед фактичним осадженням. Таким чином, якість фільмів дуже висока.
