Lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một quá trình phủ sử dụng các phản ứng hóa học cảm ứng nhiệt hoặc điện trên bề mặt của chất nền được nung nóng, với thuốc thử được cung cấp ở dạng khí. CVD là một phương pháp lắng đọng được sử dụng để sản xuất vật liệu rắn, chất lượng cao, hiệu suất cao, thường là trong môi trường chân không. Màng hoặc lớp phủ mỏng được tạo ra bởi sự phân ly hoặc phản ứng hóa học của các chất phản ứng ở thể khí trong môi trường hoạt hóa (nhiệt, ánh sáng, plasma).
Epitaxy nghĩa là" trên đầu" hoặc" được gán cho" ;, và đại diện cho một quá trình trong đó một lớp được tạo trên đầu lớp khác và kế thừa cấu trúc tinh thể của nó. Nếu lớp lắng đọng có cùng chất liệu với chất nền thì người ta nói đến đồng chất sáp, nếu nó' là chất liệu khác thì nó' được gọi là chất dị sáp. Quá trình quan trọng nhất trong sáp đồng nhất là sự lắng đọng của silicon trên silicon, trong dị sáp thường một lớp silicon được lắng đọng trên một chất cách điện như oxit (Silicon On Insulator: SOI). Lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một quá trình phủ sử dụng nhiệt hoặc các phản ứng hóa học gây ra bằng điện tại bề mặt của chất nền được nung nóng, với thuốc thử được cung cấp ở thể khí. CVD là một phương pháp lắng đọng được sử dụng để sản xuất vật liệu rắn, chất lượng cao, hiệu suất cao, thường là trong môi trường chân không. Màng hoặc lớp phủ mỏng được tạo ra bởi sự phân ly hoặc phản ứng hóa học của các chất phản ứng ở thể khí trong môi trường hoạt hóa (nhiệt, ánh sáng, plasma).
Homoepitaxy
Tùy thuộc vào quy trình, các tấm wafer có thể được giao từ nhà sản xuất tấm wafer có lớp biểu bì (ví dụ: đối với công nghệ CMOS), hoặc nhà sản xuất chip phải tự sản xuất (ví dụ: trong công nghệ lưỡng cực).
Là một loại khí để tạo ra lớp biểu mô, hydro tinh khiết được sử dụng kết hợp với silan (SiH4), dichlorosilane (SiH2Cl2) hoặc silic tetraclorua (SiCl4). Ở khoảng 1000 ° C, các khí tách ra khỏi silicon, chất này được lắng đọng trên bề mặt wafer. Silicon kế thừa cấu trúc của chất nền và đang phát triển, vì lý do năng lượng, từng lớp một. Để không làm lớn lên một silicon đa tinh thể, người ta phải luôn tồn tại sự thiếu hụt các nguyên tử silicon, ví dụ, nó luôn có sẵn ít silicon hơn một chút khi vật liệu thực sự có thể lớn lên. Khi sử dụng silic tetraclorua, phản ứng diễn ra theo hai bước:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Để kế thừa định hướng của bề mặt' bề mặt phải hoàn toàn rõ ràng. Vì vậy, người ta có thể sử dụng phản ứng cân bằng. Cả hai phản ứng có thể xảy ra theo hướng khác, tùy thuộc vào tỷ lệ của các chất khí. Nếu chỉ có một ít hydro trong khí quyển, như trong quá trình trichlorosilan để tinh chế silicon thô, vật liệu sẽ bị loại bỏ khỏi bề mặt wafer silicon do nồng độ clo cao. Chỉ khi tăng nồng độ hydro tăng trưởng mới đạt được.
Với SiCl4tốc độ lắng đọng khoảng 1 đến 2 micrômét mỗi phút. Vì silicon đơn tinh thể chỉ phát triển trên bề mặt trần, nên một số khu vực nhất định có thể được che bằng oxit nơi silicon phát triển dưới dạng silicon đa tinh thể. Tuy nhiên, polysilicon này được khắc rất dễ dàng so với silicon đơn tinh thể thông qua phản ứng chạy ngược. Diborane (B2H6) hoặc phosphine (PH3) được thêm vào các khí quá trình, để tạo ra các lớp pha tạp, vì các khí pha tạp phân hủy ở nhiệt độ cao và các chất pha tạp được kết hợp trong mạng tinh thể.
Quá trình tạo ra các lớp biểu mô nhà được thực hiện trong môi trường chân không. Do đó, buồng xử lý được làm nóng đến 1200 ° C để loại bỏ oxit tự nhiên, luôn có trên bề mặt silicon. Như đã đề cập ở trên, do nồng độ hydro thấp nên xuất hiện hiện tượng khắc ngược trên bề mặt silicon. Điều này có thể được sử dụng để làm sạch bề mặt trước khi quá trình thực sự bắt đầu. Nếu nồng độ khí thay đổi thì quá trình làm sạch bắt đầu lắng đọng.
Hình minh họa của một lò phản ứng thùng cho các quá trình biểu tượng
Do nhiệt độ quá trình cao ở đó' sự khuếch tán của chất pha tạp trong chất nền hoặc các tạp chất, đã được sử dụng trong các quy trình trước đó, có thể di chuyển đến chất nền. Nếu SiH2Cl2hoặc SiH4được sử dụng ở đó' không cần nhiệt độ cao như vậy, vì vậy những khí này được sử dụng chủ yếu. Để đạt được quá trình khắc trở lại làm sạch bề mặt, HCl phải được thêm vào riêng biệt. Nhược điểm của silan này là chúng hình thành vi trùng trong khí quyển ngay trước khi lắng đọng, do đó chất lượng của lớp không tốt như với SiCl4.
Thường cần nhiều lớp có thể' không được tạo ngay từ lớp nền. Để lắng đọng các lớp silicon nitride hoặc silicon oxynitride, người ta phải sử dụng khí có chứa tất cả các thành phần cần thiết. Các chất khí bị phân hủy thông qua nhiệt năng. Đó' là nguyên tắc của sự lắng đọng pha hơi hóa học: CVD. Bề mặt wafer không' không phản ứng với các chất khí nhưng đóng vai trò là lớp dưới cùng. Tùy thuộc vào các thông số quá trình - áp suất, nhiệt độ - phương pháp CVD có thể được phân chia theo các phương pháp khác nhau mà các lớp của chúng khác nhau về mật độ và độ phủ. Nếu sự phát triển trên bề mặt ngang cao như trên bề mặt thẳng đứng thì sự lắng đọng là phù hợp.
Sự phù hợp K là tỷ lệ giữa tăng trưởng theo chiều dọc và chiều ngang,K = Rv/Rh. Nếu sự lắng đọng không phải là lý tưởng, thì sự phù hợp nhỏ hơn 1 (ví dụ:Rv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Chỉ có thể đạt được sự phù hợp cao bằng nhiệt độ quá trình cao.
Hồ sơ có thể tưởng tượng
APCVD là một phương pháp CVD ở áp suất bình thường (áp suất khí quyển) được sử dụng để lắng đọng các oxit pha tạp và không pha tạp chất. Ôxít lắng đọng có mật độ thấp và độ che phủ vừa phải do nhiệt độ tương đối thấp. Do các công cụ được cải tiến, APCVD trải qua thời kỳ phục hưng. Thông lượng wafer cao là một lợi thế lớn của quá trình này.
Là khí quá trình silan SiH4(rất khó chịu với nitơ N2) và oxy O2được sử dụng. Các khí được phân hủy nhiệt ở khoảng 400 ° C và phản ứng với nhau để tạo thành màng mong muốn.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Đã thêm ozone O3có thể tạo ra sự phù hợp tốt hơn vì nó cải thiện tính chuyển động của các hạt tích lũy. Ôxít này xốp và không ổn định về điện và có thể đông đặc bằng quá trình nhiệt độ cao.
Để tránh các cạnh có thể gây khó khăn khi lắng đọng các lớp bổ sung, thủy tinh silicat phốt pho (PSG) được sử dụng cho các lớp xen kẽ. Vì vậy, phosphine được thêm vào SiH4và O2, để oxit lắng đọng chứa 4 đến 8% phốt pho. Một lượng phốt pho cao dẫn đến tính chất dòng chảy tăng cao, tuy nhiên, axit photphoric có thể được hình thành làm ăn mòn nhôm (đường dẫn).
Bởi vì quá trình ủ ảnh hưởng đến các quy trình trước đó (ví dụ pha tạp), nên chỉ ủ ngắn được thực hiện với đèn argon mạnh (vài kw, ít hơn 10 giây, T=1100 ° C) thay vì ủ trong các quy trình lò nung dài.
Bo tương tự vào PSG có thể được thêm đồng thời (thủy tinh silicat phốt pho boron, BPSG, 4% B và 4% P).
Hình minh họa lò phản ứng APCVD nằm ngang
Trong LPCVD sử dụng chân không. Màng mỏng silicon nitride (Si3N4), silicon oxynitride (SiON), SiO2und vonfram (W) có thể được tạo ra. Các quy trình LPCVD cho phép sự phù hợp cao gần như 1. Điều này là do áp suất thấp từ 10 đến 100Pa (áp suất khí quyển=100.000Pa) dẫn đến chuyển động không đồng đều của các hạt. Các hạt phân tán do va chạm và bao phủ các bề mặt thẳng đứng cũng như bề mặt nằm ngang. Sự phù hợp được hỗ trợ bởi nhiệt độ cao lên đến 900 ° C. So với APCVD, mật độ và độ ổn định rất cao.
Các phản ứng đối với Si3N4, SiON, SiO2và vonfram như sau:
a) Si3N4(850 ° C): 4NH3+ 3SiH2Cl2→Si3N4+ 6HCl + 6H2
b) SiON (900 ° C): NH3+ Xin chào2Cl2+ N2O→Si3N4+ Nebenprodukte
c) SiO2(700 ° C): SiO4C8H20→SiO2+ Nebenprodukte
d) Wolfram (400 ° C): WF6+ 3H2→W + 6HF
Ngược lại với các tiền chất dạng khí được sử dụng cho Si3N4, SiON và vonfram, tetraetyl orthosilicat lỏng được sử dụng cho SiO2. Ngoài ra còn có các nguồn chất lỏng khác như DTBS (SiH2C8H20) hoặc tetramethylcyclotetrasiloxan (TMTCS, Si4O4C4H16).
Màng vonfram chỉ có thể được chế tạo trên silicon trần. Do đó silan phải được thêm vào nếu không có chất nền silicon.
Hình minh họa lò phản ứng LPCVD cho phim TEOS
PECVD diễn ra ở 250 đến 350 ° C. Do nhiệt độ thấp, quá trình khí không thể bị phân hủy nhiệt. Với điện áp tần số cao, khí được chuyển thành trạng thái plasma. Plasma tràn đầy năng lượng và phân bố trên bề mặt. Bởi vì kim loại hóa, chẳng hạn như nhôm, không thể tiếp xúc với nhiệt độ cao, PECVD được sử dụng cho SiO2và Si3N4lắng đọng trên đầu trang của các lớp kim loại. Thay vì SiH2Cl2silan được sử dụng vì nó bị phân hủy ở nhiệt độ thấp hơn. Sự phù hợp không tốt như ở LPCVD (0,6 đến 0,8), tuy nhiên, tốc độ lắng đọng cao hơn nhiều (0,5 micron mỗi phút).
Hình minh họa lò phản ứng PECVD
Sự lắng đọng lớp nguyên tử (ALD) là một quá trình CVD được sửa đổi để sản xuất màng mỏng. Quá trình sử dụng một số loại khí được dẫn vào buồng xử lý xen kẽ. Mỗi khí phản ứng theo cách mà bề mặt hiện tại bị bão hòa, và do đó phản ứng dừng lại. Khí thay thế có thể phản ứng với bề mặt này theo cách tương tự. Giữa các phản ứng của các khí này, buồng được lọc bằng khí trơ, như nitơ hoặc argon. Một quy trình ALD đơn giản có thể trông như thế này:
Một ví dụ cụ thể cho quá trình ALD là sự lắng đọng của oxit nhôm, điều này có thể được thực hiện với trimethylal nhôm (TMA, C3H9Al) và nước (H2O).
Bước đầu tiên là loại bỏ các nguyên tử hydro liên kết với oxy ở bề mặt tấm wafer. Các nhóm metyl (CH3) của TMA có thể phản ứng với hydro để tạo thành metan (CH4). Các phân tử còn lại liên kết với oxy không bão hòa.
Nếu các nguyên tử này bão hòa, không còn phân tử TMA nào có thể phản ứng trên bề mặt.
Buồng được lọc sạch và hơi nước tiếp theo được dẫn vào buồng. Từng có một nguyên tử hydro của H2Các phân tử O bây giờ có thể phản ứng với các nguyên tử bề mặt lắng đọng trước đây để tạo thành mêtan, trong khi anion hydroxyl liên kết với các nguyên tử nhôm.
Do đó, có những nguyên tử hydro mới ở bề mặt có thể phản ứng ở bước sau với TMA như lúc ban đầu.
Sự lắng đọng lớp nguyên tử mang lại những lợi thế đáng kể so với các kỹ thuật lắng đọng khác, và do đó nó' một quá trình rất quan trọng để sản xuất màng mỏng. Với ALD, các cấu trúc 3 chiều thậm chí có thể được lắng đọng rất đồng đều. Phim cách nhiệt cũng có thể là phim dẫn điện, có thể được tạo ra trên các chất nền khác nhau (chất bán dẫn, polyme, ...). Độ dày màng có thể được kiểm soát rất chính xác bằng số chu kỳ. Vì các khí phản ứng không được dẫn vào buồng đồng thời, chúng không thể hình thành vi trùng ngay trước khi lắng đọng thực sự. Do đó chất lượng của phim rất cao.
