La deposizione chimica da fase vapore (CVD) è un processo di rivestimento che utilizza reazioni chimiche indotte termicamente o elettricamente sulla superficie di un substrato riscaldato, con reagenti forniti in forma gassosa. CVD è un metodo di deposizione utilizzato per produrre materiali solidi di alta qualità, ad alte prestazioni, tipicamente sotto vuoto. Film sottili o rivestimenti sono prodotti dalla dissociazione o dalle reazioni chimiche di reagenti gassosi in un ambiente attivato (calore, luce, plasma).
Epitassia significa"in alto" o"assegnato a", e rappresenta un processo in cui uno strato viene creato sopra un altro strato ed eredita la sua struttura cristallina. Se lo strato depositato è dello stesso materiale del substrato si parla di omoepitassia, se è un altro materiale si parla di eteroepitassia. Il processo più significativo nell'omoepitassia è la deposizione di silicio su silicio, nell'eteroepitassia solitamente uno strato di silicio viene depositato su un isolante come l'ossido (Silicon On Insulator: SOI). La deposizione chimica da vapore (CVD) è un processo di rivestimento che utilizza termicamente o reazioni chimiche indotte elettricamente sulla superficie di un substrato riscaldato, con reagenti forniti in forma gassosa. CVD è un metodo di deposizione utilizzato per produrre materiali solidi di alta qualità, ad alte prestazioni, tipicamente sotto vuoto. Film sottili o rivestimenti sono prodotti dalla dissociazione o dalle reazioni chimiche di reagenti gassosi in un ambiente attivato (calore, luce, plasma).
omoepitassia
A seconda del processo, i wafer possono essere forniti dal produttore di wafer con uno strato epitassiale (ad es. per la tecnologia CMOS), oppure il produttore del chip deve realizzarlo da solo (ad esempio nella tecnologia bipolare).
Come gas per la generazione dello strato epitassico, l'idrogeno puro viene utilizzato insieme al silano (SiH4), diclorosilano (SiH2Cl2) o tetracloruro di silicio (SiCl4). A circa 1000°C, i gas scindono il silicio, che si deposita sulla superficie del wafer. Il silicio eredita la struttura del substrato e cresce, per ragioni energetiche, strato dopo strato successivamente. Per non far crescere un silicio policristallino, deve sempre prevalere una carenza di atomi di silicio, ad esempio è sempre un po' meno silicio disponibile in quanto il materiale potrebbe effettivamente crescere. Quando si utilizza il tetracloruro di silicio, la reazione procede in due fasi:
SiCl4+ H2→SiCl22HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Per ereditare l'orientamento del substrato'la superficie deve essere assolutamente libera. Quindi si può utilizzare la reazione di equilibrio. Entrambe le reazioni possono avvenire nell'altra direzione, a seconda del rapporto dei gas. Se c'è solo poco idrogeno nell'atmosfera, come nel processo al triclorosilano per la purificazione del silicio grezzo, il materiale viene rimosso dalla superficie del wafer di silicio a causa dell'elevata concentrazione di cloro. Solo con l'aumento della concentrazione di idrogeno si ottiene la crescita.
Con SiCl4la velocità di deposizione è di circa 1 o 2 micron al minuto. Poiché il silicio monocristallino cresce solo sulla superficie nuda, alcune aree possono essere mascherate con ossido dove il silicio cresce come silicio policristallino. Questo polisilicio, tuttavia, viene attaccato molto facilmente rispetto al silicio monocristallino attraverso la reazione di marcia indietro. Diborano (B2H6) o fosfina (PH3) vengono aggiunti ai gas di processo, per creare strati drogati, poiché i gas droganti si decompongono ad alte temperature e i droganti sono incorporati nel reticolo cristallino.
Il processo per creare strati casa-epitattici è realizzato in atmosfera sotto vuoto. Pertanto la camera di processo viene riscaldata a 1200°C per rimuovere l'ossido nativo, che è sempre presente sulla superficie del silicio. Come accennato in precedenza, a causa di una bassa concentrazione di idrogeno si verifica un back-etch sulla superficie del silicio. Questo può essere usato per pulire la superficie prima che inizi il processo vero e proprio. Se la concentrazione del gas viene variata dopo questa pulizia, inizia la deposizione.
Illustrazione di un reattore a barile per processi epitattici
A causa delle alte temperature di processo, una diffusione di droganti nel substrato o impurità, che sono state utilizzate nei processi precedenti, può spostarsi sul substrato. Se SiH2Cl2o SiH4sono usati lì'non c'è bisogno di temperature così alte, quindi questi gas sono usati principalmente. Per ottenere il processo di etch back per pulire la superficie, l'HCl deve essere aggiunto separatamente. Lo svantaggio di questi silani è che formano germi nell'atmosfera subito prima della deposizione e quindi la qualità dello strato non è buona come con SiCl4.
C'è spesso bisogno di strati che non possono'crearsi direttamente dal substrato. Per depositare strati di nitruro di silicio o ossinitruro di silicio si devono utilizzare gas che contengano tutti i componenti necessari. I gas vengono decomposti tramite energia termica. Questo'è il principio della deposizione chimica in fase vapore: CVD. La superficie del wafer non reagisce con i gas ma funge da strato inferiore. A seconda dei parametri di processo - pressione, temperatura - il metodo CVD può essere suddiviso in diversi metodi i cui strati differiscono per densità e copertura. Se la crescita su superfici orizzontali è tanto alta quanto su superfici verticali la deposizione è conforme.
La conformità K è il rapporto tra crescita verticale e orizzontale,K = Rv/Rh. Se la deposizione non è ideale, la conformità è minore di 1 (esRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Un'elevata conformità può essere ottenuta solo con temperature di processo elevate.
Profili immaginabili
APCVD è un metodo CVD a pressione normale (pressione atmosferica) che viene utilizzato per la deposizione di ossidi drogati e non drogati. L'ossido depositato ha una bassa densità e la copertura è moderata a causa di una temperatura relativamente bassa. Grazie a strumenti migliorati, l'APCVD subisce una rinascita. L'elevata produttività dei wafer è un grande vantaggio di questo processo.
Come gas di processo silano SiH4(altamente delluito con azoto N2) e ossigeno O2sono usati. I gas vengono decomposti termicamente a circa 400°C e reagiscono tra loro per formare il film desiderato.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105°Pa)
Aggiunto ozono O3può causare una migliore conformità perché migliora la mobilità delle particelle accumulate. L'ossido è poroso ed elettricamente instabile e può essere densificato mediante un processo ad alta temperatura.
Per evitare spigoli che possono creare difficoltà alla deposizione di strati aggiuntivi, per gli intercalari viene utilizzato vetro al silicato di fosforo (PSG). Pertanto la fosfina viene aggiunta a SiH4e O2, in modo che l'ossido depositato contenga dal 4 all'8% di fosforo. Un'elevata quantità di fosforo porta ad un elevato aumento delle proprietà di scorrimento, tuttavia si può formare acido fosforico che corrode l'alluminio (percorsi conduttori).
Poiché la ricottura interessa i processi precedenti (ad es. il drogaggio), solo il rinvenimento breve viene effettuato con potenti lampade ad argon (diverse centinaia di kW, meno di 10 s, T=1100°C) invece della ricottura nei lunghi processi in forno.
Analogo al boro PSG può essere aggiunto contemporaneamente (vetro silicato di boro fosforo, BPSG, 4% B e 4% P).
Illustrazione di un reattore APCVD orizzontale
In LPCVD viene utilizzato un vuoto. Film sottili di nitruro di silicio (Si3N4), ossinitruro di silicio (SiON), SiO2e tungsteno (W) possono essere creati. I processi LPCVD consentono un'elevata conformità di quasi 1. Ciò è dovuto alla bassa pressione da 10 a 100 Pa (pressione atmosferica=100.000 Pa) che porta a un movimento non uniforme delle particelle. Le particelle si diffondono a causa delle collisioni e ricoprono superfici verticali e orizzontali. La conformità è supportata da una temperatura elevata fino a 900°C. Rispetto all'APCVD la densità e la stabilità sono molto elevate.
Le reazioni per Si3N4, SiON, SiO2e tungsteno sono i seguenti:
a) Si3N4(850°C): 4NH33SiH2Cl2→si3N46HCl + 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
A differenza dei precursori gassosi che vengono utilizzati per Si3N4, SiON e tungsteno, l'ortosilicato di tetraetile liquido viene utilizzato per SiO2. Inoltre ci sono altre fonti liquide come DTBS (SiH2C8H20) o tetrametilciclotetrasilossano (TMTCS, Si4O4C4H16).
Un film di tungsteno può essere fabbricato solo su silicio nudo. Pertanto il silano deve essere aggiunto se non c'è un substrato di silicio.
Illustrazione di un reattore LPCVD per film TEOS
Il PECVD avviene a 250-350°C. A causa delle basse temperature i gas di processo non possono essere decomposti termicamente. Con una tensione ad alta frequenza, il gas viene trasformato in uno stato di plasma. Il plasma è energetico e si dispone in superficie. Poiché la metallizzazione, come l'alluminio, non può essere esposta a temperature elevate, il PECVD viene utilizzato per SiO2e Si3N4deposizione sopra strati metallici. Al posto di SiH2Cl2 si usa il silano perché si decompone a temperature più basse. La conformità non è buona come in LPCVD (da 0,6 a 0,8), tuttavia, il tasso di deposizione è molto più alto (0,5 micron al minuto).
Illustrazione di un reattore PECVD
Atomic Layer Deposition (ALD) è un processo CVD modificato per la produzione di film sottili. Il processo utilizza diversi gas che vengono condotti alternatamente nella camera di processo. Ogni gas reagisce in modo tale che la superficie corrente è satura, e quindi la reazione si arresta. Il gas alternativo è in grado di reagire allo stesso modo con questa superficie. Tra le reazioni di questi gas la camera viene spurgata con un gas inerte, come azoto o argon. Un semplice processo ALD potrebbe assomigliare a questo:
Un esempio specifico per un processo ALD è la deposizione di ossido di alluminio, questo può essere realizzato con trimetilalluminio (TMA, C3H9Al) e acqua (H2O).
Il primo passo è l'eliminazione degli atomi di idrogeno che sono legati all'ossigeno sulla superficie del wafer. I gruppi metilici (CH3) di TMA può reagire con l'idrogeno per formare metano (CH4). Le molecole rimanenti si legano all'ossigeno insaturo.
Se questi atomi sono saturi, non più molecole di TMA possono reagire in superficie.
La camera viene spurgata e il successivo vapore acqueo viene introdotto nella camera. Mai un atomo di idrogeno dell'H2Le molecole di O ora possono reagire con gli atomi di superficie depositati in precedenza per formare metano, mentre l'anione idrossile è legato agli atomi di alluminio.
Quindi, ci sono nuovi atomi di idrogeno sulla superficie che possono reagire in una fase successiva con TMA come all'inizio.
La deposizione dello strato atomico fornisce vantaggi significativi rispetto ad altre tecniche di deposizione, e quindi'un processo molto importante per produrre film sottili. Con ALD si possono depositare anche strutture tridimensionali molto uniformi. Sono possibili film isolanti e film conduttivi, che possono essere realizzati su diversi substrati (semiconduttori, polimeri, ...). Lo spessore del film può essere controllato in modo molto preciso dal numero di cicli. Poiché i gas reattivi non vengono condotti nella camera contemporaneamente, non possono formare germi subito prima della deposizione vera e propria. Quindi la qualità dei film è molto alta.
