Pemendapan wap kimia (CVD) adalah proses pelapisan yang menggunakan tindak balas kimia yang disebabkan oleh termal atau elektrik pada permukaan substrat yang dipanaskan, dengan reagen yang dibekalkan dalam bentuk gas. CVD adalah kaedah pemendapan yang digunakan untuk menghasilkan bahan pepejal berkualiti tinggi, berprestasi tinggi, biasanya di bawah vakum. Filem atau pelapis nipis dihasilkan oleh pemisahan atau tindak balas kimia reaktan gas dalam persekitaran yang diaktifkan (panas, cahaya, plasma).
Epitaxy bermaksud" di atas" atau" ditugaskan untuk" ;, dan mewakili proses di mana lapisan dibuat di atas lapisan lain dan mewarisi struktur kristalnya. Sekiranya lapisan yang didepositkan dari bahan yang sama dengan substrat yang membicarakan homoepitaxy, jika ia' s bahan lain, ia disebut heteroepitaxy' Proses yang paling ketara dalam homoepitaxy adalah pemendapan silikon pada silikon, dalam heteroepitaxy biasanya lapisan silikon disimpan pada penebat seperti oksida (Silicon On Insulator: SOI). Pemendapan wap kimia (CVD) adalah proses pelapisan yang menggunakan termal atau tindak balas kimia yang disebabkan elektrik pada permukaan substrat yang dipanaskan, dengan reagen yang dibekalkan dalam bentuk gas. CVD adalah kaedah pemendapan yang digunakan untuk menghasilkan bahan pepejal berkualiti tinggi, berprestasi tinggi, biasanya di bawah vakum. Filem atau pelapis nipis dihasilkan oleh pemisahan atau tindak balas kimia reaktan gas dalam persekitaran yang diaktifkan (panas, cahaya, plasma).
Homoepitaxy
Bergantung pada prosesnya, wafer dapat dihantar dari pengeluar wafer dengan lapisan epitaxial (misalnya untuk teknologi CMOS), atau pengeluar cip harus membuatnya sendiri (misalnya dalam teknologi bipolar).
Sebagai gas untuk menghasilkan lapisan epitaktik, hidrogen tulen digunakan bersamaan dengan silan (SiH4), diklorosilana (SiH2Cl2atau silikon tetraklorida (SiCl4). Pada suhu kira-kira 1000 ° C, gas melepaskan silikon, yang tersimpan di permukaan wafer. Silikon mewarisi struktur substrat dan tumbuh, atas sebab tenaga, lapisan demi lapisan berturut-turut. Untuk tidak menumbuhkan silikon polikristalin, seseorang mesti selalu mengatasi kekurangan atom silikon, contohnya silikon selalu sedikit kurang kerana bahan dapat tumbuh dewasa. Apabila silikon tetraklorida digunakan, tindak balas dilakukan dalam dua langkah:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Untuk mewarisi orientasi substrat &, permukaan mestilah jelas. Oleh itu, seseorang dapat menggunakan reaksi keseimbangan. Kedua-dua reaksi boleh berlaku ke arah yang lain, bergantung pada nisbah gas. Sekiranya hanya terdapat sedikit hidrogen di atmosfer, seperti dalam proses trichlorosilane untuk pemurnian silikon mentah, bahan dikeluarkan dari permukaan wafer silikon kerana kepekatan klorin yang tinggi. Hanya dengan peningkatan kepekatan pertumbuhan hidrogen tercapai.
Dengan SiCl4kadar pemendapan kira-kira 1 hingga 2 mikron seminit. Oleh kerana silikon monokristalin tumbuh hanya di permukaan telanjang, kawasan tertentu dapat ditutup dengan oksida di mana silikon tumbuh sebagai silikon polikristalin. Polysilicon ini, bagaimanapun, terukir dengan sangat mudah dibandingkan dengan silikon kristal tunggal melalui reaksi yang berjalan ke belakang. Diborane (B2H6) atau fosfin (PH3) ditambahkan ke gas proses, untuk membuat lapisan doped, kerana gas doping terurai pada suhu tinggi dan dopan digabungkan dalam kisi kristal.
Proses untuk mewujudkan lapisan epitaktik di rumah dilaksanakan dalam suasana vakum. Oleh itu, ruang proses dipanaskan hingga 1200 ° C untuk mengeluarkan oksida asli, yang selalu ada di permukaan silikon. Seperti yang telah disebutkan di atas, kerana kepekatan hidrogen yang rendah terdapat etch belakang pada permukaan silikon. Ini boleh digunakan untuk membersihkan permukaan sebelum proses sebenar bermula. Sekiranya kepekatan gas berubah setelah pembersihan ini, pemendapan akan bermula.
Ilustrasi reaktor tong untuk proses epitaktikal
Kerana suhu proses yang tinggi,' penyebaran dopan dalam substrat atau kekotoran, yang telah digunakan dalam proses sebelumnya, dapat berpindah ke substrat. Sekiranya SiH2Cl2atau SiH4digunakan di sana&# 39 tidak memerlukan suhu tinggi, jadi gas ini digunakan terutamanya. Untuk mencapai proses etsa belakang untuk membersihkan permukaan, HCl harus ditambah secara berasingan. Kelemahan silan ini adalah bahawa mereka membentuk kuman di atmosfer tepat sebelum pemendapan, dan dengan itu kualiti lapisan tidak sebagus dengan SiCl4.
Selalunya terdapat keperluan lapisan yang tidak dapat dibuat langsung dari substrat. Untuk menyimpan lapisan silikon nitrida atau silikon oksinitrida seseorang harus menggunakan gas yang mengandungi semua komponen yang diperlukan. Gas-gas diuraikan melalui tenaga haba. Itulah prinsip pemendapan fasa wap kimia: CVD. Permukaan wafer tidak bertindak balas dengan gas tetapi berfungsi sebagai lapisan bawah. Bergantung pada parameter proses - tekanan, suhu - kaedah CVD dapat dibagi dalam metode yang berlainan yang lapisannya berbeza dalam kepadatan dan liputan. Sekiranya pertumbuhan pada permukaan mendatar setinggi permukaan menegak maka pemendapannya sesuai.
Kesesuaian K adalah nisbah pertumbuhan menegak dan mendatar,K = Rv/Rh. Sekiranya pemendapan tidak ideal, kesesuaiannya kurang dari 1 (misRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Kesesuaian yang tinggi hanya dapat dicapai dengan suhu proses yang tinggi.
Profil yang dapat dibayangkan
APCVD adalah kaedah CVD pada tekanan normal (tekanan atmosfera) yang digunakan untuk pemendapan oksida doped dan tidak terkena. Oksida yang dideposit mempunyai ketumpatan rendah dan liputannya sederhana kerana suhu yang agak rendah. Kerana alat yang diperbaiki, APCVD mengalami kebangkitan semula. Throughput wafer yang tinggi adalah kelebihan besar dari proses ini.
Sebagai gas proses silan SiH4(sangat dicairkan dengan nitrogen N2) dan oksigen O2digunakan. Gas-gas diuraikan termal pada suhu sekitar 400 ° C dan bertindak balas antara satu sama lain untuk membentuk filem yang dikehendaki.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Menambah ozon O3boleh menyebabkan kesesuaian yang lebih baik kerana meningkatkan pergerakan zarah terkumpul. Oksida berliang dan tidak stabil elektrik dan dapat diketatkan oleh proses suhu tinggi.
Untuk mengelakkan tepi yang boleh menyebabkan kesulitan pada pemendapan lapisan tambahan, kaca silikat fosforus (PSG) digunakan untuk interlayers. Oleh itu fosfin ditambahkan ke SiH4dan O2, supaya oksida yang tersimpan mengandungi 4 hingga 8% fosfor. Jumlah fosfor yang tinggi menyebabkan peningkatan sifat aliran yang tinggi, namun, asid fosforik dapat terbentuk yang menghakis aluminium (jalur konduktor).
Kerana penyepuhlindapan mempengaruhi proses yang lebih awal (contohnya doping) hanya pelekapan pendek dilakukan dengan lampu argon yang kuat (beberapa hundrets kW, kurang dari 10s, T=1100 ° C) dan bukannya penyepuhlindapan dalam proses tungku panjang.
Analog ke PSG boron boleh ditambah secara serentak (boron fosforus silikat kaca, BPSG, 4% B dan 4% P).
Ilustrasi reaktor APCVD mendatar
Dalam LPCVD vakum digunakan. Filem nipis silikon nitrida (Si3N4), silikon oxynitride (SiON), SiO2und tungsten (W) boleh dibuat. Proses LPCVD memungkinkan kesesuaian tinggi hampir 1. Ini kerana tekanan rendah 10 hingga 100Pa (tekanan atmosfera=100.000Pa) yang membawa kepada pergerakan zarah yang tidak seragam. Zarah-zarah tersebut tersebar kerana perlanggaran dan menutup permukaan menegak dan juga permukaan mendatar. Kesesuaian disokong oleh suhu tinggi hingga 900 ° C. Berbanding dengan APCVD ketumpatan dan kestabilannya sangat tinggi.
Reaksi untuk Si3N4, SiON, SiO2dan tungsten adalah seperti berikut:
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
Berbeza dengan prekursor gas yang digunakan untuk Si3N4, SiON dan tungsten, tetraethyl orthosilicate cair digunakan untuk SiO2. Selain itu terdapat sumber cecair lain seperti DTBS (SiH2C8H20) atau tetramethylcyclotetrasiloxane (TMTCS, Si4O4C4H16).
Filem tungsten hanya boleh dibuat pada silikon kosong. Oleh itu silan harus ditambahkan jika tidak ada substrat silikon.
Ilustrasi reaktor LPCVD untuk filem TEOS
PECVD berlaku pada suhu 250 hingga 350 ° C. Oleh kerana suhu rendah gas proses tidak dapat diuraikan termal. Dengan voltan frekuensi tinggi, gas diubah menjadi keadaan plasma. Plasma bertenaga dan membuang di permukaan. Kerana metalisasi, seperti aluminium, tidak dapat terkena suhu tinggi, PECVD digunakan untuk SiO2dan Si3N4pemendapan di atas lapisan logam. Sebaliknya SiH2Cl2silane digunakan kerana terurai pada suhu yang lebih rendah. Kesesuaiannya tidak sebaik LPCVD (0,6 hingga 0,8), namun, kadar pemendapannya jauh lebih tinggi (0,5 mikron per minit).
Ilustrasi reaktor PECVD
Atomic Layer Deposition (ALD) adalah proses CVD yang diubahsuai untuk menghasilkan filem nipis. Proses menggunakan beberapa gas yang dibawa ke ruang proses secara bergantian. Setiap gas bertindak balas sedemikian rupa sehingga permukaan arus tepu, dan oleh itu reaksi terhenti. Gas alternatif dapat bertindak balas dengan permukaan ini dengan cara yang sama. Antara tindak balas gas ini ruang dibersihkan dengan gas lengai, seperti nitrogen atau argon. Proses ALD yang sederhana boleh kelihatan seperti ini:
reaksi menghadkan diri di permukaan dengan gas pertama
membersihkan dengan gas lengai
reaksi menghadkan diri di permukaan dengan gas kedua
membersihkan dengan gas lengai
Contoh khusus untuk proses ALD adalah pemendapan aluminium oksida, ini dapat direalisasikan dengan trimethylaluminium (TMA, C3H9Al) dan air (H2O).
Langkah pertama adalah penghapusan atom hidrogen yang terikat dengan oksigen di permukaan wafer. Kumpulan metil (CH3TMA boleh bertindak balas dengan hidrogen untuk membentuk metana (CH4). Selebihnya molekul terikat dengan oksigen tak tepu.
Sekiranya atom ini tepu, tidak ada lagi molekul TMA yang dapat bertindak balas di permukaan.
Ruang dibersihkan dan wap air berikutnya dibawa ke ruang. Pernah satu atom hidrogen H2Molekul O sekarang boleh bertindak balas dengan atom permukaan yang terdepan untuk membentuk metana, sementara anion hidroksil adalah ikatan dengan atom aluminium.
Oleh itu, terdapat atom hidrogen baru di permukaan yang dapat bertindak balas pada langkah seterusnya dengan TMA seperti pada awalnya.
Pemendapan lapisan atom memberikan kelebihan yang ketara berbanding teknik pemendapan yang lain, dan oleh itu ia merupakan proses yang sangat penting untuk menghasilkan filem nipis. Dengan ALD walaupun struktur 3 dimensi dapat disimpan dengan sangat seragam. Filem penebat mungkin dan juga filem konduktif, yang dapat dibuat pada substrat berbeza (semikonduktor, polimer, ...). Ketebalan filem dapat dikawal dengan tepat dengan jumlah kitaran. Oleh kerana gas reaktif tidak dibawa masuk ke dalam bilik secara serentak, gas tidak dapat membentuk kuman sebelum pemendapan sebenar. Oleh itu kualiti filemnya sangat tinggi.
