Keemiline auru sadestamine (CVD) on katmisprotsess, mis kasutab termiliselt või elektriliselt indutseeritud keemilisi reaktsioone kuumutatud substraadi pinnal koos gaasilises vormis tarnitavate reaktiividega. CVD on sadestusmeetod, mida kasutatakse kõrgekvaliteediliste, suure jõudlusega tahkete materjalide tootmiseks, tavaliselt vaakumis. Õhukesed kiled või katted tekivad gaasiliste reaktiivide dissotsieerumisel või keemilistel reaktsioonidel aktiveeritud (kuumuse, valguse, plasma) keskkonnas.
Epitaksia tähendab &, peal &; või &, mis on määratud&-le, ja tähistab protsessi, mille käigus kiht luuakse teise kihi kohale ja pärib selle kristallstruktuuri. Kui sadestunud kiht on substraadiga samast materjalist, räägitakse homoepitaksist, kui see on' teisest materjalist, siis nn heteroepitaksist. Homoepitaksia kõige olulisem protsess on räni sadestamine ränile, heteroepitaksis ladestub tavaliselt ränikiht isolaatorile, näiteks oksiidile (Silicon On Insulator: SOI). Keemiline auru sadestamine (CVD) on katteprotsess, mis kasutab termiliselt või elektriliselt indutseeritud keemilised reaktsioonid kuumutatud substraadi pinnal gaasilises vormis tarnitavate reaktiividega. CVD on sadestusmeetod, mida kasutatakse kõrgekvaliteediliste, suure jõudlusega tahkete materjalide tootmiseks, tavaliselt vaakumis. Õhukesed kiled või katted tekivad gaasiliste reaktiivide dissotsieerumisel või keemilistel reaktsioonidel aktiveeritud (kuumuse, valguse, plasma) keskkonnas.
Homoepitaksia
Sõltuvalt protsessist võib vahvleid tarnida vahvlite tootjalt epitaksiaalse kihiga (nt CMOS-tehnoloogia jaoks) või kiibi tootja peab selle ise valmistama (näiteks bipolaarse tehnoloogia puhul).
Epitaktilise kihi tekitamise gaasina kasutatakse puhast vesinikku koos silaaniga (SiH4), diklorosilaan (SiH2Cl2) või ränitetrakloriid (SiCl4). Umbes 1000 ° C juures lõhustavad gaasid räni, mis ladestub vahvli pinnale. Räni pärib substraadi struktuuri ja kasvab energeetilistel kaalutlustel kiht-kihilt järjest. Polükristallilise räni mitte kasvamiseks peab alati valitsema räni aatomite puudus, nt räni on alati veidi vähem saadaval, kuna materjal võib tegelikult üles kasvada. Ränitetrakloriidi kasutamisel toimub reaktsioon kahes etapis:
SiCl4+ H2→SiCl22HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Substraadi&# 39 orientatsiooni pärimiseks peab pind olema täiesti selge. Seega saab kasutada tasakaalureaktsiooni. Mõlemad reaktsioonid võivad ilmneda teises suunas, sõltuvalt gaaside suhtest. Kui atmosfääris on ainult vähe vesinikku, nagu toorräni puhastamiseks triklorosilaaniprotsessis, eemaldatakse räni vahvli pinnalt materjal suure kloorikontsentratsiooni tõttu. Ainult vesiniku kasvu suureneva kontsentratsiooni korral saavutatakse.
SiCl-ga4sadestumiskiirus on umbes 1 kuni 2 mikronit minutis. Kuna monokristalliline räni kasvab ainult paljal pinnal, saab teatud alasid oksiidiga maskeerida, kus räni kasvab polükristallilise ränina. See polüsiid söövitakse aga tagasi kulgeva reaktsiooni kaudu väga kergesti kui ühekristalliline räni. Diboraan (B2H6) või fosfiin (PH3) lisatakse protsessi gaasidele, et tekitada legeeritud kihte, kuna dopingugaasid lagunevad kõrgel temperatuuril ja lisandid sisalduvad kristallvõres.
Koduepitaktiliste kihtide loomise protsess viiakse läbi vaakumis. Selle jaoks kuumutatakse protsessikamber ränipinnal alati leiduva loodusliku oksiidi eemaldamiseks temperatuurini 1200 ° C. Nagu eespool mainitud, esineb madala vesinikkontsentratsiooni tõttu räni pinnal tagumine söövitus. Seda saab kasutada pinna puhastamiseks enne tegeliku protsessi algust. Kui gaasi kontsentratsioon on pärast puhastamist erinev, algab sadestumine.
Epitaktiliste protsesside tünnreaktori illustratsioon
Kõrge protsessitemperatuuri tõttu' substraadis võib lisandite difusioon või varasemates protsessides kasutatud lisandid liikuda substraadile. Kui SiH2Cl2või SiH4kasutatakse seal' pole vaja nii kõrgeid temperatuure, seetõttu kasutatakse peamiselt neid gaase. Pinna puhastamiseks söövitusprotsessi saavutamiseks tuleb HCl lisada eraldi. Selle silaani puuduseks on see, et nad moodustavad atmosfääris mikroobe vahetult enne sadestamist ja seega pole kihi kvaliteet nii hea kui SiCl-i puhul4.
Sageli on vaja kihte, mida ei saa luua otse substraadist. Räninitriidi või ränioksünitriidi kihtide ladestamiseks tuleb kasutada kõiki vajalikke komponente sisaldavaid gaase. Gaasid lagunevad soojusenergia kaudu. See' on keemilise aurufaasi sadestamise põhimõte: CVD. Vahvli pind&nr 39; ei reageeri gaasidega, vaid on alumise kihina. Sõltuvalt protsessi parameetritest - rõhust, temperatuurist - saab CVD meetodit jagada erinevates meetodites, mille kihid erinevad tiheduse ja katvuse poolest. Kui horisontaalsete pindade kasv on sama kõrge kui vertikaalsete pindade korral, on ladestumine vastav.
Vastavus K on vertikaalse ja horisontaalse kasvu suhe,K = Rv/Rh. Kui ladestumine pole ideaalne, on vastavus väiksem kui 1 (ntRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Kõrge vastavuse saab saavutada ainult protsessi kõrge temperatuuri korral.
Kujuteldavad profiilid
APCVD on CVD meetod normaalrõhul (atmosfäärirõhul), mida kasutatakse legeeritud ja dopinguta oksiidide sadestamiseks. Sadestunud oksiidil on madal tihedus ja katvus on suhteliselt madal temperatuuri tõttu mõõdukas. Täiustatud tööriistade tõttu läbib APCVD renessansi. Selle protsessi suur eelis on suur vahvlite läbilaskevõime.
Protsessigaasidena silaan SiH4(väga lahjendatud lämmastik N2) ja hapnik O2kasutatakse. Gaasid lagunevad termiliselt temperatuuril umbes 400 ° C ja reageerivad üksteisega, moodustades soovitud kile.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Lisatud osoon O3võib põhjustada parema vastavuse, kuna see parandab kogunenud osakeste liikuvust. Oksiid on poorne ja elektriliselt ebastabiilne ning seda saab tihendada kõrge temperatuuriga protsessiga.
Selliste servade vältimiseks, mis võivad põhjustada lisakihtide ladestamisel raskusi, kasutatakse vahekihtide jaoks fosforsilikaatklaasi (PSG). SiH lisatakse fosfiini4ja O2, nii et ladestunud oksiid sisaldab 4–8% fosforit. Suur fosforikogus toob kaasa voolavusomaduste suure kasvu, kuid siiski võib moodustada fosforhapet, mis söövitab alumiiniumi (juhtrajad).
Kuna lõõmutamine mõjutab varasemaid protsesse (nt doping), siis vaid pika karastusega ahjuprotsessides tehakse võimsate argoonlampidega (mitu hundret kW, alla 10 s, T=1100 ° C) lühikest karastust.
Samaaegselt võib lisada boorile analoogi (boorfosfori silikaatklaas, BPSG, 4% B ja 4% P).
Horisontaalse APCVD reaktori joonis
LPCVD-s kasutatakse vaakumit. Ränidiitriidi (Si3N4), ränioksünitriid (SiON), SiO2saab luua und volframi (W). LPCVD protsessid võimaldavad kõrget vastavust peaaegu 1. Selle põhjuseks on madal rõhk 10–100 Pa (atmosfäärirõhk=100 000 Pa), mis viib osakeste ebaühtlase liikumiseni. Osakesed levivad kokkupõrgete tõttu ja katavad nii vertikaalseid kui ka horisontaalseid pindu. Vastavust toetab kõrge temperatuur kuni 900 ° C. Võrreldes APCVD-ga on tihedus ja stabiilsus väga kõrge.
Si reaktsioonid3N4, SiON, SiO2ja volfram on järgmised:
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
Erinevalt gaasilistest lähteainetest, mida kasutatakse Si jaoks3N4SiO jaoks kasutatakse SiONi ja volframi, vedelat tetraetüülortosilikaati2. Lisaks on ka teisi vedelaid allikaid nagu DTBS (SiH2C8H20) või tetrametüültsüklotetrasiloksaan (TMTCS, Si4O4C4H16).
Volframkilet saab valmistada ainult paljal räni peal. Seetõttu tuleb silaansubstraadi puudumisel lisada silaani.
TEOS-filmide LPCVD reaktori illustratsioon
PECVD toimub temperatuuril 250 kuni 350 ° C. Madalate temperatuuride tõttu ei saa protsessigaase termiliselt lagundada. Kõrgsagedusliku pinge korral muundatakse gaas plasma olekusse. Plasma on energiline ja hävib pinnale. Kuna metalliseerimist, näiteks alumiiniumi, ei saa kõrgel temperatuuril kokku puutuda, kasutatakse SiO jaoks PECVD-d2ja Si3N4ladestumine metallkihtide kohale. SiH2Cl2 asemel kasutatakse silaani, kuna see laguneb madalamal temperatuuril. Vastavus ei ole nii hea kui LPCVD-l (0,6 kuni 0,8), kuid sadestumiskiirus on palju suurem (0,5 mikronit minutis).
PECVD reaktori joonis
Aatomkihi sadestamine (ALD) on modifitseeritud CVD protsess õhukeste kilede valmistamiseks. Protsessis kasutatakse mitut gaasi, mis juhitakse vaheldumisi protsessikambrisse. Iga gaas reageerib nii, et praegune pind on küllastunud ja seetõttu seiskub reaktsioon. Alternatiivne gaas suudab selle pinnaga samamoodi reageerida. Nende gaaside reaktsioonide vahel puhastatakse kamber inertse gaasiga, näiteks lämmastiku või argooniga. Lihtne ALD-protsess võib välja näha järgmine:
ALD protsessi spetsiifiline näide on alumiiniumoksiidi sadestamine, mida saab teostada trimetüülalumiiniumiga (TMA, C3H9Al) ja vesi (H2O).
Esimene samm on vahvli pinnal hapnikuga seotud vesinikuaatomite kõrvaldamine. Metüülrühmad (CH3) TMA võib reageerida vesinikuga, moodustades metaani (CH4). Ülejäänud molekulid seonduvad küllastumata hapnikuga.
Kui need aatomid on küllastunud, ei saa enam TMA molekulid pinnal reageerida.
Kamber puhastatakse ja järgnev veeaur juhitakse kambrisse. Kunagi üks H vesiniku aatom2O molekulid võivad nüüd reageerida endiste sadestatud pinna aatomitega, moodustades metaani, samal ajal kui hüdroksüülanioon on seotud alumiiniumi aatomitega.
Seega on pinnal uued vesiniku aatomid, mis võivad reageerida TMA-ga järgnevas etapis nagu alguses.
Aatomkihi sadestamine annab olulisi eeliseid teiste sadestamistehnikate ees ja seetõttu on see' väga oluline protsess õhukeste kilede valmistamiseks. ALD abil saab isegi 3-mõõtmelisi struktuure ladestuda väga ühtlaselt. Võimalikud on nii isoleerivad kiled kui ka juhtivad, mida saab luua erinevatele aluspindadele (pooljuhid, polümeerid jne). Kile paksust saab tsüklite arvu järgi väga täpselt kontrollida. Kuna reaktiivseid gaase ei juhita kambrisse üheaegselt, ei saa nad mikroobe moodustada vahetult enne tegelikku sadestumist. Seega on filmide kvaliteet väga kõrge.
