Kemijsko taloženje (CVD) postupak je prevlačenja koji koristi termički ili električno inducirane kemijske reakcije na površini zagrijane podloge s reagensima u plinovitom obliku. CVD je metoda taloženja koja se koristi za proizvodnju visokokvalitetnih, čvrstih materijala visokih performansi, obično pod vakuumom. Tanki filmovi ili prevlake nastaju disocijacijom ili kemijskim reakcijama plinovitih reaktanata u aktiviranom okolišu (toplina, svjetlost, plazma).
Epitaksija znači" na vrhu" ili&"dodijeljen &", i predstavlja postupak u kojem se sloj stvara na vrhu drugog sloja i nasljeđuje njegovu kristalnu strukturu. Ako je naslagani sloj od istog materijala kao i podloga, govori se o homoepitaksiji, ako je to' drugi materijal, to je&# 39, takozvana heteroepitaksija. Najznačajniji postupak u homoepitaksiji je taloženje silicija na silicij, a u heteroepitaksiji se silicijski sloj taloži na izolator kao što je oksid (Silicij na izolatoru: SOI). Kemijsko taloženje (CVD) postupak je prevlačenja koji se termički koristi ili električno inducirane kemijske reakcije na površini zagrijane podloge s reagensima u plinovitom obliku. CVD je metoda taloženja koja se koristi za proizvodnju visokokvalitetnih, čvrstih materijala visokih performansi, obično pod vakuumom. Tanki filmovi ili prevlake nastaju disocijacijom ili kemijskim reakcijama plinovitih reaktanata u aktiviranom okolišu (toplina, svjetlost, plazma).
Homoepitaksija
Ovisno o postupku, oblatne se mogu isporučiti od proizvođača oblatni s epitaksijalnim slojem (npr. Za CMOS tehnologiju) ili ga proizvođač čipa mora sam izraditi (na primjer u bipolarnoj tehnologiji).
Kao plin za stvaranje epitaktičkog sloja koristi se čisti vodik zajedno sa silanom (SiH4), diklorosilan (SiH2Kl2) ili silicijev tetraklorid (SiCl4). Na oko 1000 ° C, plinovi se odvajaju od silicija koji se taloži na površini oblatne. Silicij nasljeđuje strukturu podloge i iz energetskih razloga sukcesivno raste. Da ne bi izrastao polikristalni silicij, uvijek mora prevladati nedostatak atoma silicija, npr. Uvijek je nešto manje raspoloživog silicija jer materijal može stvarno narasti. Kada se koristi silicijev tetraklorid, reakcija se odvija u dva koraka:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Da bi se naslijedila orijentacija podloge&# 39, površina mora biti apsolutno čista. Dakle, netko može iskoristiti reakciju ravnoteže. Obje reakcije mogu se dogoditi u drugom smjeru, ovisno o omjeru plinova. Ako je u atmosferi malo vodika, kao u procesu triklorosilana za pročišćavanje sirovog silicija, materijal se uklanja s površine silicijske pločice zbog visoke koncentracije klora. Tek s povećanjem koncentracije rasta vodika postiže se.
Sa SiCl4brzina taloženja je približno 1 do 2 mikrona u minuti. Budući da monokristalni silicij raste samo na goloj površini, određena područja mogu se prikriti oksidom gdje silicij raste kao polikristalni silicij. Međutim, ovaj se polisilicij vrlo lako nagriže u usporedbi s monokristalnim silicijem reakcijom unatrag. Diboran (B2H6) ili fosfin (PH3) dodaju se procesnim plinovima kako bi se stvorili dopirani slojevi, jer se doping plinovi raspadaju na visokim temperaturama, a dodavači su ugrađeni u kristalnu rešetku.
Postupak stvaranja home-epitaktičkih slojeva realizira se u vakuumskoj atmosferi. Zbog toga se procesna komora zagrijava na 1200 ° C kako bi se uklonio nativni oksid, koji je uvijek prisutan na površini silicija. Kao što je gore spomenuto, zbog niske koncentracije vodika dolazi do povratnog nagrizanja na površini silicija. To se može koristiti za čišćenje površine prije nego što stvarni postupak započne. Ako koncentracija plina varira nakon ovog čišćenja, taloženje započinje.
Ilustracija bačvastog reaktora za epitaktičke procese
Zbog visokih temperatura procesa, difuzija dodavača u podlozi ili nečistoće, koje su korištene u ranijim postupcima, može se premjestiti na podlogu. Ako je SiH2Kl2ili SiH4se tamo ne koriste' nisu potrebne tako visoke temperature, pa se ti plinovi primarno koriste. Da bi se postigao postupak nagrizanja za čišćenje površine, HCl se mora dodati odvojeno. Nedostatak ovih silana je u tome što stvaraju klice u atmosferi neposredno prije taloženja, a time i kvaliteta sloja nije tako dobra kao kod SiCl4.
Često su potrebni slojevi koji se' ne mogu stvoriti izravno iz podloge. Za taloženje slojeva silicijevog nitrida ili silicij oksitnitrida potrebno je koristiti plinove koji sadrže sve potrebne komponente. Plinovi se razlažu toplinskom energijom. To je princip' taloženja kemijske parne faze: CVD. Površina oblatne&# 39 ne reagira s plinovima, ali služi kao donji sloj. Ovisno o parametrima procesa - tlaku, temperaturi - metoda CVD može se podijeliti na različite metode čiji se slojevi razlikuju u gustoći i pokrivenosti. Ako je rast na vodoravnim površinama velik kao i na vertikalnim površinama, taloženje je sukladno.
Sukladnost K je omjer vertikalnog i vodoravnog rasta,K = Rv/Rh. Ako taloženje nije idealno, sukladnost je manja od 1 (nprRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Visoka sukladnost može se postići samo visokim temperaturama procesa.
Zamišljeni profili
APCVD je CVD metoda pri normalnom tlaku (atmosferskom tlaku) koja se koristi za taloženje dopiranih i nedopiranih oksida. Taloženi oksid ima malu gustoću, a pokrivenost je umjerena zbog relativno niske temperature. Zbog poboljšanih alata, APCVD prolazi kroz renesansu. Velika propusnost pločica velika je prednost ovog postupka.
Kao procesni plinovi silan SiH4(visoko zanesen dušikom N2) i kisika O2su korišteni. Plinovi se termički raspadaju na oko 400 ° C i međusobno reagiraju stvarajući željeni film.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Dodan je ozon O3može prouzročiti bolju sukladnost jer poboljšava pokretljivost nakupljenih čestica. Oksid je porozan i električno je nestabilan te se može zgusnuti postupkom visoke temperature.
Da bi se izbjegli rubovi koji mogu rezultirati poteškoćama pri nanošenju dodatnih slojeva, za međuslojeve se koristi fosfor-silikatno staklo (PSG). Zbog toga se fosfin dodaje SiH4i O2, tako da taloženi oksid sadrži 4 do 8% fosfora. Velika količina fosfora dovodi do visokog povećanja protočnih svojstava, međutim, može se stvoriti fosforna kiselina koja nagriza aluminij (vodičke staze).
Budući da žarenje utječe na ranije postupke (npr. Doping), samo se kratko kaljenje vrši snažnim argonskim svjetiljkama (nekoliko hundrets kW, manje od 10 s, T=1100 ° C) umjesto žarenja u dugim postupcima peći.
Analogno PSG boru može se dodavati istovremeno (bor fosfor silikatno staklo, BPSG, 4% B i 4% P).
Ilustracija vodoravnog APCVD reaktora
U LPCVD se koristi vakuum. Tanki filmovi silicijevog nitrida (Si3N4), silicijev oksitnitrid (SiON), SiO2može se stvoriti i volfram (W). LPCVD postupci omogućuju visoku sukladnost od gotovo 1. To je zbog niskog tlaka od 10 do 100Pa (atmosferski tlak=100.000Pa) koji dovodi do nejednolikog kretanja čestica. Čestice se šire zbog sudara i prekrivaju vertikalne površine kao i vodoravne. Sukladnost je podržana visokom temperaturom do 900 ° C. U usporedbi s APCVD gustoća i stabilnost su vrlo visoki.
Reakcije za Si3N4, SiON, SiO2i volfram su kako slijedi:
a) Si3N4(850 ° C): 4NH3+ 3SiH2Kl2→Si3N4+ 6HCl + 6H2
b) SiON (900 ° C): NH3+ SiH2Kl2+ N2O→Si3N4+ Nebenprodukte
c) SiO2(700 ° C): Si04C8H20→SiO2+ Nebenprodukte
d) Wolfram (400 ° C): WF6+ 3H2→Š + 6HF
Za razliku od plinovitih prekursora koji se koriste za Si3N4, SiON i volfram, tekući tetraetil ortosilikat koristi se za SiO2. Osim toga postoje i drugi izvori tekućine poput DTBS (SiH2C8H20) ili tetrametilciklotetrasiloksan (TMTCS, Si4O4C4H16).
Volfram film može se izraditi samo na golom siliciju. Stoga se silan mora dodati ako nema silicijske podloge.
Ilustracija LPCVD reaktora za TEOS filmove
PECVD se odvija na 250 do 350 ° C. Zbog niskih temperatura procesni plinovi se ne mogu toplotno razložiti. Visokofrekventnim naponom plin se pretvara u stanje plazme. Plazma je energična i odlaže se na površinu. Budući da metalizacija, poput aluminija, ne može biti izložena visokim temperaturama, PECVD se koristi za SiO2i Si3N4taloženje na vrhu metalnih slojeva. Umjesto SiH2Cl2silana koristi se jer se razgrađuje na nižoj temperaturi. Sukladnost nije tako dobra kao kod LPCVD (0,6 do 0,8), međutim, brzina taloženja je mnogo veća (0,5 mikrona u minuti).
Ilustracija PECVD reaktora
Nanošenje atomskog sloja (ALD) modificirani je CVD postupak za proizvodnju tankih filmova. U postupku se koristi nekoliko plinova koji se izmjenično vode u procesnu komoru. Svaki plin reagira na takav način da je trenutna površina zasićena, pa reakcija zastaje. Alternativni plin može na isti način reagirati s ovom površinom. Između reakcija ovih plinova komora se pročišćava inertnim plinom, poput dušika ili argona. Jednostavan postupak ALD mogao bi izgledati ovako:
samoograničavajuća reakcija na površini s prvim plinom
pročišćavanje inertnim plinom
samoograničavajuća reakcija na površini s drugim plinom
pročišćavanje inertnim plinom
Specifičan primjer za ALD postupak je taloženje aluminijevog oksida, što se može postići trimetilaluminijem (TMA, C3H9Al) i vode (H2O).
Prvi korak je uklanjanje atoma vodika koji su na površini pločice vezani za kisik. Metilne skupine (CH3) TMA može reagirati s vodikom dajući metan (CH4). Preostale molekule vezuju se za nezasićeni kisik.
Ako su ovi atomi zasićeni, na površini više ne mogu reagirati molekule TMA.
Komora se pročišćava i naknadna vodena para dovodi u komoru. Nekada jedan atom vodika H2Molekule O sada mogu reagirati s bivšim taloženim površinskim atomima stvarajući metan, dok je hidroksilni anion vezan za atome aluminija.
Dakle, na površini su novi atomi vodika koji u kasnijem koraku mogu reagirati s TMA kao na početku.
Taloženje atomskog sloja pruža značajne prednosti u odnosu na druge tehnike taloženja, te je stoga' vrlo važan postupak za proizvodnju tankih filmova. S ALD-om se čak i trodimenzionalne strukture mogu nanijeti vrlo jednolike. Mogući su izolacijski filmovi kao i vodljivi, koji se mogu stvoriti na različitim podlogama (poluvodiči, polimeri, ...). Debljina filma može se kontrolirati vrlo precizno brojem ciklusa. Budući da reaktivni plinovi ne vode istovremeno u komoru, oni ne mogu stvoriti klice neposredno prije stvarnog taloženja. Stoga je kvaliteta filmova vrlo visoka.
