Kemiallinen höyrykerros (CVD) on päällystysprosessi, joka käyttää lämpö- tai sähköisesti indusoituja kemiallisia reaktioita lämmitetyn substraatin pinnalla reagenssien kanssa kaasumaisessa muodossa. CVD on kerrostamismenetelmä, jota käytetään tuottamaan korkealaatuisia, tehokkaita, kiinteitä materiaaleja, tyypillisesti tyhjiössä. Ohut kalvo tai päällyste syntyy hajoamalla tai kemiallisilla reaktioilla kaasumaisia reaktantteja aktivoidussa ympäristössä.
Epitaksia tarkoittaa&","&"päällä; tai &, annettu &: lle, ja edustaa prosessia, jossa kerros muodostetaan toisen kerroksen päälle ja perii sen kiderakenteen. Jos kerrostunut kerros on samaa materiaalia kuin substraatti, puhutaan homoepitaksista, jos se' on toinen materiaali, niin kutsuttu [heteroepitaxi]. Merkittävin prosessi homoepitaksissa on piin saostus piille, heteroepitaksissa piikerros kerrostuu yleensä eristimeen, kuten oksidiin (Silicon On Insulator: SOI). tai sähköisesti indusoidut kemialliset reaktiot lämmitetyn substraatin pinnalla kaasumaisessa muodossa olevien reagenssien kanssa. CVD on kerrostamismenetelmä, jota käytetään tuottamaan korkealaatuisia, tehokkaita, kiinteitä materiaaleja, tyypillisesti tyhjiössä. Ohut kalvo tai päällyste syntyy hajoamalla tai kemiallisilla reaktioilla kaasumaisia reaktantteja aktivoidussa ympäristössä.
Homoepitaxia
Prosessista riippuen kiekot voidaan toimittaa kiekkojen valmistajalta epitaksiaalikerroksella (esim. CMOS-tekniikkaa varten) tai sirunvalmistajan on tehtävä se itse (esimerkiksi kaksisuuntaisessa tekniikassa).
Kaasuna epitaktisen kerroksen muodostamiseksi puhdasta vetyä käytetään yhdessä silaanin (SiH4), dikloorisilaani (SiH2Cl2) tai piitetrakloridi (SiCl4). Noin 1000 ° C: ssa kaasut pilkkovat piikiekon pinnalle kerrostuneen piin. Pii perii substraatin rakenteen ja kasvaa energiasyistä kerroksittain kerroksittain. Jotta ei kasvaisi monikiteistä piitä, täytyy aina olla pulaa piiatomeista, esimerkiksi piitä on aina hieman vähemmän saatavilla, koska materiaali voisi todella kasvaa. Kun käytetään piitetrakloridia, reaktio etenee kahdessa vaiheessa:
SiCl4+ H2→SiCl22HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Substraatin' suuntauksen perimiseksi pinnan on oltava täysin selkeä. Joten voidaan käyttää tasapainoreaktiota. Molemmat reaktiot voivat tapahtua toiseen suuntaan, riippuen kaasujen suhteesta. Jos ilmakehässä on vain vähän vetyä, kuten trikloorisilaaniprosessissa raakapiin puhdistamiseksi, materiaali poistetaan piikiekkojen pinnasta korkean klooripitoisuuden vuoksi. Vain vedyn kasvupitoisuuden kasvaessa saavutetaan.
SiCl: n kanssa4kerrostumisnopeus on noin 1-2 mikronia minuutissa. Koska yksikiteinen pii kasvaa vain paljaalla pinnalla, tietyt alueet voidaan peittää oksidilla, missä pii kasvaa monikiteisenä piinä. Tämä monikiteinen pii syövytetään kuitenkin helposti yksikiteiseen piiin verrattuna taaksepäin kulkevan reaktion kautta. Diboraani (B2H6) tai fosfiini (PH3) lisätään prosessikaasuihin seostettujen kerrosten muodostamiseksi, koska seostuskaasut hajoavat korkeissa lämpötiloissa ja lisäaineet sisällytetään kideverkkoon.
Prosessi kotiepitaktisten kerrosten luomiseksi toteutetaan tyhjiöilmakehässä. Sen vuoksi prosessikammio kuumennetaan 1200 ° C: seen piipinnalla aina olevan natiivin oksidin poistamiseksi. Kuten edellä mainittiin, pienen vetypitoisuuden vuoksi piipinnalla esiintyy takaseura. Tätä voidaan käyttää pinnan puhdistamiseen ennen varsinaisen prosessin alkua. Jos kaasupitoisuus vaihtelee tämän puhdistuksen jälkeen, laskeuma alkaa.
Kuva tynnyrireaktorista epitaktisiin prosesseihin
Korkean prosessilämpötilan takia' lisäaineiden diffuusio substraatissa tai epäpuhtaudet, joita on käytetty aikaisemmissa prosesseissa, voivat siirtyä substraatille. Jos SiH2Cl2tai SiH4käytetään siellä' ei tarvita niin korkeita lämpötiloja, joten ensisijaisesti käytetään näitä kaasuja. Etsauksen takaprosessin aikaansaamiseksi pinnan puhdistamiseksi HCl on lisättävä erikseen. Tämän silaanin haittana on, että ne muodostavat bakteereja ilmakehään juuri ennen laskeutumista, joten kerroksen laatu ei ole yhtä hyvä kuin SiCl: llä.4.
Usein tarvitaan kerroksia, joita' ei voida luoda suoraan alustasta. Piinitridin tai piioksynitridin kerrosten kerrostamiseksi on käytettävä kaasuja, jotka sisältävät kaikki tarvittavat komponentit. Kaasut hajoavat lämpöenergian avulla. Tämä' s on kemiallisen höyryfaasikerrostuksen periaate: CVD. Kiekkojen pinta ei reagoi kaasujen kanssa, mutta toimii pohjakerroksena. Prosessiparametreista - paine, lämpötila - riippuen CVD-menetelmä voidaan jakaa eri menetelmissä, joiden kerrokset eroavat tiheydeltään ja peittävyydeltään. Jos kasvu vaakasuorilla pinnoilla on yhtä suuri kuin pystysuorilla pinnoilla, laskeuma on yhdenmukainen.
Vaatimustenmukaisuus K on pysty- ja vaakasuoran kasvun suhde,K = Rv/Rh. Jos laskeuma ei ole ihanteellinen, vaatimustenmukaisuus on alle 1 (esimRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Korkea vaatimustenmukaisuus voidaan saavuttaa vain korkeilla prosessilämpötiloilla.
Kuviteltavat profiilit
APCVD on CVD-menetelmä normaalipaineessa (ilmakehän paine), jota käytetään seostettujen ja seostamattomien oksidien kerrostamiseen. Kerrostuneella oksidilla on alhainen tiheys ja peitto on kohtuullista suhteellisen matalan lämpötilan vuoksi. Parannettujen työkalujen ansiosta APCVD käy läpi renessanssin. Suuri kiekkojen läpäisykyky on tämän prosessin suuri etu.
Prosessikaasuina silaani SiH4(erittäin laimennettu typellä N2) ja happi O2käytetään. Kaasut hajoavat termisesti noin 400 ° C: ssa ja reagoivat toistensa kanssa muodostaen halutun kalvon.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Lisätty otsonia O3voi aiheuttaa paremman yhteensopivuuden, koska se parantaa kertyneiden hiukkasten liikkuvuutta. Oksidi on huokoinen ja sähköisesti epävakaa, ja sitä voidaan tiivistää korkean lämpötilan prosessilla.
Jotta vältetään reunat, jotka voivat aiheuttaa vaikeuksia lisäkerrosten kerrostumisessa, välikerroksiin käytetään fosforisilikaattilasia (PSG). Siitä varten fosfiinia lisätään SiH: iin4ja O2siten, että kerrostunut oksidi sisältää 4 - 8% fosforia. Suuri määrä fosforia johtaa virtausominaisuuksien korkeaan kasvuun, mutta voidaan kuitenkin muodostaa fosforihappoa, joka syövyttää alumiinia (johtoreitit).
Koska hehkutus vaikuttaa aikaisempiin prosesseihin (esim. Dopingiin), vain lyhyt karkaisu tapahtuu voimakkailla argonlampuilla (useita hundreetteja kW, alle 10 s, T=1100 ° C) sen sijaan, että hehkutettaisiin pitkissä uuniprosesseissa.
Analoginen PSG-booriin voidaan lisätä samanaikaisesti (boorifosforisilikaattilasi, BPSG, 4% B ja 4% P).
Kuva vaakasuorasta APCVD-reaktorista
LPCVD: ssä käytetään tyhjiötä. Ohut piidiitridikalvo (Si3N4), piioksynitridi (SiON), SiO2und volframi (W) voidaan luoda. LPCVD-prosessit mahdollistavat lähes yhdenmukaisuuden korkealla tasolla. Tämä johtuu matalasta 10 - 100Pa: n paineesta (ilmakehän paine=100 000Pa), mikä johtaa hiukkasten epäyhtenäiseen liikkumiseen. Hiukkaset leviävät törmäysten vuoksi ja peittävät sekä pysty- että vaakasuorat pinnat. Vaatimustenmukaisuutta tukee korkea lämpötila, jopa 900 ° C. APCVD: hen verrattuna tiheys ja stabiilisuus ovat erittäin suuria.
Si: n reaktiot3N4, SiON, SiO2ja volframi ovat seuraavat:
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
Toisin kuin kaasumaiset prekursorit, joita käytetään Si: lle3N4SiO: ksi käytetään SiON: ia ja volframia, nestemäistä tetraetyyliortosilikaattia2. Lisäksi on olemassa muita nestemäisiä lähteitä, kuten DTBS (SiH2C8H20) tai tetrametyylisyklotetrasiloksaani (TMTCS, Si4O4C4H16).
Volframikalvo voidaan valmistaa vain paljaalle piille. Siksi silaania on lisättävä, jos piisubstraattia ei ole.
Kuva TEOS-elokuvien LPCVD-reaktorista
PECVD tapahtuu 250-350 ° C: ssa. Alhaisista lämpötiloista johtuen prosessikaasuja ei voida hajottaa termisesti. Suurtaajuusjännitteellä kaasu muuttuu plasmatilaan. Plasma on energinen ja häviää pinnalla. Koska metalloitumista, kuten alumiinia, ei voida altistaa korkeille lämpötiloille, PECVD: tä käytetään SiO: lle2ja Si3N4laskeuma metallikerrosten päälle. SiH2Cl2: n sijasta käytetään silaania, koska se hajoaa alemmassa lämpötilassa. Yhdenmukaisuus ei ole yhtä hyvä kuin LPCVD: ssä (0,6-0,8), mutta laskeutumisnopeus on paljon suurempi (0,5 mikronia minuutissa).
Kuva PECVD-reaktorista
Atomic Layer Deposition (ALD) on muunnettu CVD-prosessi ohutkalvojen valmistamiseksi. Prosessi käyttää useita kaasuja, jotka johdetaan prosessikammioon vuorotellen. Jokainen kaasu reagoi siten, että nykyinen pinta on kyllästetty, ja siksi reaktio pysähtyy. Vaihtoehtoinen kaasu pystyy reagoimaan tämän pinnan kanssa samalla tavalla. Näiden kaasujen reaktioiden välillä kammio puhdistetaan inertillä kaasulla, kuten typellä tai argonilla. Yksinkertainen ALD-prosessi voi näyttää tältä:
itserajoittuva reaktio pinnalla ensimmäisen kaasun kanssa
puhdistus inertillä kaasulla
itserajoittuva reaktio pinnalla toisen kaasun kanssa
puhdistus inertillä kaasulla
Erityinen esimerkki ALD-prosessista on alumiinioksidin kerrostuminen, joka voidaan toteuttaa trimetyylialumiinilla (TMA, C3H9Al) ja vesi (H2O).
Ensimmäinen vaihe on vetyatomien poistaminen, jotka ovat sitoutuneet happeen kiekkojen pinnalla. Metyyliryhmät (CH3) TMA voi reagoida vedyn kanssa muodostaen metaanin (CH4). Loput molekyylit sitoutuvat tyydyttymättömään happeen.
Jos nämä atomit ovat tyydyttyneitä, enää TMA-molekyylit eivät voi reagoida pinnalla.
Kammio puhdistetaan ja seuraava vesihöyry johdetaan kammioon. Koskaan yksi H: n vetyatomi2O-molekyylit voivat nyt reagoida entisten kerrostuneiden pinta-atomien kanssa muodostaen metaania, kun taas hydroksyylianioni on sitoutunut alumiiniatomeihin.
Siksi pinnalla on uusia vetyatomeja, jotka voivat reagoida jälkivaiheessa TMA: n kanssa kuten alussa.
Atomikerroskerrostuksella on merkittäviä etuja muihin kerrostustekniikoihin verrattuna, ja siksi se on erittäin tärkeä menetelmä ohutkalvojen valmistamiseksi. ALD: n avulla jopa kolmiulotteiset rakenteet voidaan kerrostua hyvin yhtenäisiksi. Eristekalvot ovat mahdollisia sekä johtavia, jotka voidaan luoda eri substraateille (puolijohteet, polymeerit jne.). Kalvon paksuutta voidaan säätää erittäin tarkasti syklien lukumäärällä. Koska reaktiivisia kaasuja ei johdeta kammioon samanaikaisesti, ne eivät voi muodostaa bakteereita juuri ennen varsinaista kerrostumista. Siksi elokuvien laatu on erittäin korkea.
