Chemische dampafzetting (CVD) is een coatingproces dat gebruik maakt van thermisch of elektrisch geïnduceerde chemische reacties aan het oppervlak van een verwarmd substraat, waarbij reagentia in gasvorm worden geleverd. CVD is een depositiemethode die wordt gebruikt om hoogwaardige, hoogwaardige, vaste materialen te produceren, meestal onder vacuüm. Dunne films of coatings worden geproduceerd door de dissociatie of chemische reacties van gasvormige reactanten in een geactiveerde (warmte, licht, plasma) omgeving.
Epitaxie betekent"bovenop" of"toegewezen aan", en vertegenwoordigt een proces waarbij een laag wordt gecreëerd bovenop een andere laag en zijn kristalstructuur erft. Als de afgezette laag van hetzelfde materiaal is als het substraat, spreekt men van homo-epitaxie, als het's een ander materiaal is, is het's zogenaamde hetero-epitaxie. Het belangrijkste proces in de homo-epitaxie is de afzetting van silicium op silicium, bij hetero-epitaxie wordt meestal een siliciumlaag afgezet op een isolator zoals oxide (Silicon On Insulator: SOI). Chemische dampafzetting (CVD) is een coatingproces dat thermisch gebruikt of elektrisch geïnduceerde chemische reacties aan het oppervlak van een verwarmd substraat, met reagentia die in gasvorm worden geleverd. CVD is een depositiemethode die wordt gebruikt om hoogwaardige, hoogwaardige, vaste materialen te produceren, meestal onder vacuüm. Dunne films of coatings worden geproduceerd door de dissociatie of chemische reacties van gasvormige reactanten in een geactiveerde (warmte, licht, plasma) omgeving.
homo-epitaxie
Afhankelijk van het proces kunnen de wafers van de waferfabrikant worden geleverd met een epitaxiale laag (bijvoorbeeld voor CMOS-technologie), of moet de chipfabrikant deze zelf maken (bijvoorbeeld in de bipolaire technologie).
Als gas voor het genereren van de epitactische laag wordt pure waterstof gebruikt in combinatie met silaan (SiH4), dichloorsilaan (SiH2kl2) of siliciumtetrachloride (SiCl4). Bij ongeveer 1000°C splitsen de gassen het silicium af, dat op het wafeloppervlak wordt afgezet. Het silicium erft de structuur van het substraat en groeit om energetische redenen achtereenvolgens laag voor laag aan. Om geen polykristallijn silicium op te laten groeien, moet er altijd een tekort aan siliciumatomen heersen, bijvoorbeeld is er altijd iets minder silicium beschikbaar omdat er daadwerkelijk materiaal kan opgroeien. Wanneer siliciumtetrachloride wordt gebruikt, verloopt de reactie in twee stappen:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Om de oriëntatie van het substraat' te erven, moet het oppervlak absoluut helder zijn. Men kan dus de evenwichtsreactie gebruiken. Beide reacties kunnen in de andere richting plaatsvinden, afhankelijk van de verhouding van de gassen. Als er maar weinig waterstof in de atmosfeer is, zoals bij het trichloorsilaanproces voor de zuivering van ruw silicium, wordt door de hoge chloorconcentratie materiaal van het siliciumwafeloppervlak verwijderd. Alleen bij toenemende concentratie van waterstof wordt groei bereikt.
Met SiCl4de depositiesnelheid is ongeveer 1 tot 2 micron per minuut. Omdat het monokristallijne silicium alleen op het kale oppervlak groeit, kunnen bepaalde gebieden worden gemaskeerd met oxide waar het silicium groeit als polykristallijn silicium. Dit polysilicium wordt echter heel gemakkelijk geëtst in vergelijking met monokristallijn silicium door de achterwaarts lopende reactie. Diboraan (B2H6) of fosfine (PH3) worden aan de procesgassen toegevoegd om gedoteerde lagen te creëren, aangezien de doteringsgassen bij hoge temperaturen ontleden en de doteerstoffen in het kristalrooster worden opgenomen.
Het proces om thuis-epitactische lagen te creëren, wordt gerealiseerd onder vacuümatmosfeer. Daarom wordt de proceskamer verwarmd tot 1200°C om het natieve oxide, dat altijd op het siliciumoppervlak aanwezig is, te verwijderen. Zoals hierboven vermeld, vindt er door een lage waterstofconcentratie een terugetsing op het siliciumoppervlak plaats. Hiermee kan het oppervlak worden gereinigd voordat het eigenlijke proces begint. Als de gasconcentratie na deze reiniging wordt gevarieerd, begint de afzetting.
Illustratie van een vatreactor voor epitactische processen
Door de hoge procestemperaturen'diffusie van doteerstoffen in het substraat of onzuiverheden, die in eerdere processen zijn gebruikt, kan zich naar het substraat verplaatsen. Als SiH2kl2of SiH4worden daar gebruikt' zulke hoge temperaturen zijn niet nodig, dus deze gassen worden voornamelijk gebruikt. Om het terugetsproces te bereiken om het oppervlak te reinigen, moet HCl afzonderlijk worden toegevoegd. Het nadeel van deze silanen is dat ze vlak voor de depositie kiemen in de atmosfeer vormen, waardoor de kwaliteit van de laag niet zo goed is als bij SiCl4.
Er is vaak behoefte aan lagen die't niet direct vanaf de ondergrond kunnen worden gemaakt. Om lagen siliciumnitride of siliciumoxynitride af te zetten moet men gassen gebruiken die alle noodzakelijke componenten bevatten. De gassen worden afgebroken via thermische energie. Dat's het principe van de chemische dampfase-afzetting: CVD. Het wafeloppervlak reageert niet met de gassen, maar dient als onderlaag. Afhankelijk van de procesparameters - druk, temperatuur - kan de CVD-methode worden onderverdeeld in verschillende methoden waarvan de lagen verschillen in dichtheid en dekking. Als de groei op horizontale vlakken even hoog is als op verticale vlakken, is de depositie conform.
De conformiteit K is de verhouding tussen verticale en horizontale groei,K = Rv/Rh. Als de depositie niet ideaal is, is de conformiteit minder dan 1 (bijvRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Een hoge conformiteit kan alleen worden bereikt door hoge procestemperaturen.
Denkbare profielen
APCVD is een CVD-methode bij normale druk (atmosferische druk) die wordt gebruikt voor de afzetting van gedoteerde en ongedoteerde oxiden. Het afgezette oxide heeft een lage dichtheid en de dekking is matig door een relatief lage temperatuur. Door verbeterde tools ondergaat de APCVD een renaissance. De hoge waferdoorvoer is een groot voordeel van dit proces.
Als procesgassen silaan SiH4(sterk verdund met stikstof N2) en zuurstof O2worden gebruikt. De gassen worden thermisch ontleed bij ongeveer 400°C en reageren met elkaar om de gewenste film te vormen.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105°Pa)
Toegevoegd ozon O3kan een betere conformiteit veroorzaken omdat het de beweeglijkheid van de opgehoopte deeltjes verbetert. Het oxide is poreus en elektrisch instabiel en kan worden verdicht door een proces bij hoge temperatuur.
Om randen te vermijden die problemen kunnen veroorzaken bij het afzetten van extra lagen, wordt fosforsilicaatglas (PSG) gebruikt voor tussenlagen. Daarom wordt fosfine toegevoegd aan SiH4en O2, zodat het afgezette oxide 4 tot 8% fosfor bevat. Een hoog gehalte aan fosfor leidt tot een sterke toename van de vloei-eigenschappen, echter kan fosforzuur worden gevormd dat aluminium aantast (geleiderbanen).
Omdat gloeien eerdere processen aantast (bijv. doping) wordt er alleen kort getemperd met krachtige argonlampen (enkele honderden kW, minder dan 10s, T=1100°C) in plaats van gloeien in langdurige ovenprocessen.
Analoog aan PSG kan boor gelijktijdig worden toegevoegd (boor-fosforsilicaatglas, BPSG, 4% B en 4% P).
Illustratie van een horizontale APCVD-reactor
In LPCVD wordt een vacuüm gebruikt. Dunne films van siliciumnitride (Si3N4), siliciumoxynitride (SiON), SiO2und tungsten (W) kunnen worden gemaakt. LPCVD-processen maken een hoge conformiteit van bijna 1 mogelijk. Dit komt door de lage druk van 10 tot 100 Pa (atmosferische druk=100.000 Pa) die leidt tot een niet-uniforme beweging van de deeltjes. De deeltjes verspreiden zich door botsingen en bedekken zowel verticale als horizontale oppervlakken. De conformiteit wordt ondersteund door een hoge temperatuur tot 900°C. Vergeleken met APCVD is de dichtheid en stabiliteit zeer hoog.
De reacties voor Si3N4, SiON, SiO2en wolfraam zijn als volgt:
a) Si3N4(850°C): 4NH3+ 3SiH2kl2→Si3N4+ 6HCl + 6H2
b) SiON (900°C): NH3+ SiH2kl2+ N2O→Si3N4+ Nebenprodukte
c) SiO2(700°C): SiO4C8H20→SiO2+ Nebenprodukte
d) Wolfram (400°C): WF6+ 3H2→W + 6HF
In tegenstelling tot gasvormige voorlopers die worden gebruikt voor Si3N4, SiON en wolfraam, vloeibaar tetraethylorthosilicaat wordt gebruikt voor SiO2. Daarnaast zijn er andere vloeibare bronnen zoals DTBS (SiH2C8H20) of tetramethylcyclotetrasiloxaan (TMTCS, Si4O4C4H16).
Een wolfraamfilm kan alleen op blank silicium worden vervaardigd. Daarom moet silaan worden toegevoegd als er geen siliciumsubstraat is.
Illustratie van een LPCVD-reactor voor TEOS-films
De PECVD vindt plaats bij 250 tot 350°C. Door lage temperaturen kunnen de procesgassen niet thermisch worden afgebroken. Met een hoogfrequente spanning wordt het gas omgezet in een plasmatoestand. Het plasma is energetisch en komt op het oppervlak terecht. Omdat metallisatie, zoals aluminium, niet kan worden blootgesteld aan hoge temperaturen, wordt de PECVD gebruikt voor SiO2en Si3N4afzetting op metalen lagen. In plaats van SiH2Cl2 wordt silaan gebruikt omdat het bij lagere temperatuur ontleedt. De conformiteit is niet zo goed als in LPCVD (0,6 tot 0,8), maar de depositiesnelheid is veel hoger (0,5 micron per minuut).
Illustratie van een PECVD-reactor
Atomic Layer Deposition (ALD) is een gemodificeerd CVD-proces om dunne films te maken. Het proces maakt gebruik van verschillende gassen die afwisselend in de proceskamer worden geleid. Elk gas reageert zodanig dat het huidige oppervlak verzadigd raakt, en daardoor komt de reactie tot stilstand. Het alternatieve gas kan op dezelfde manier met dit oppervlak reageren. Tussen de reacties van deze gassen door wordt de kamer gespoeld met een inert gas, zoals stikstof of argon. Een eenvoudig ALD-proces kan er als volgt uitzien:
zelfbeperkende reactie aan het oppervlak met eerste gas
spoelen met een inert gas
zelfbeperkende reactie aan het oppervlak met tweede gas
spoelen met een inert gas
Een specifiek voorbeeld voor een ALD-proces is de depositie van aluminiumoxide, dit kan worden gerealiseerd met trimethylaluminium (TMA, C3H9Al) en water (H2O).
De eerste stap is de eliminatie van waterstofatomen die aan het wafeloppervlak aan zuurstof zijn gebonden. De methylgroepen (CH3) van TMA kan reageren met de waterstof om methaan te vormen (CH4). De overige moleculen binden zich met de onverzadigde zuurstof.
Als deze atomen verzadigd zijn, kunnen er aan het oppervlak geen TMA-moleculen meer reageren.
De kamer wordt gespoeld en vervolgens wordt waterstoom in de kamer geleid. Ooit een waterstofatoom van de H2O-moleculen kunnen nu reageren met de eerder afgezette oppervlakte-atomen om methaan te vormen, terwijl het hydroxylanion zich bindt aan de aluminiumatomen.
Er zijn dus nieuwe waterstofatomen aan het oppervlak die in een latere stap kunnen reageren met TMA zoals in het begin.
De depositie van de atomaire laag biedt aanzienlijke voordelen ten opzichte van andere depositietechnieken, en daarom is het'een zeer belangrijk proces om dunne films te vervaardigen. Met ALD kunnen zelfs 3-dimensionale structuren zeer uniform worden gedeponeerd. Er zijn zowel isolerende films als geleidende films mogelijk, die op verschillende ondergronden (halfgeleiders, polymeren, ...) kunnen worden gemaakt. Door het aantal cycli is de laagdikte zeer nauwkeurig te regelen. Omdat de reactieve gassen niet gelijktijdig in de kamer worden geleid, kunnen ze vlak voor de eigenlijke afzetting geen kiemen vormen. De kwaliteit van de films is dan ook zeer hoog.
