A deposição de vapor químico (CVD) é um processo de revestimento que utiliza reações químicas induzidas termicamente ou eletricamente na superfície de um substrato aquecido, com reagentes fornecidos na forma gasosa. O CVD é um método de deposição usado para produzir materiais sólidos de alta qualidade e alto desempenho, normalmente sob vácuo. Filmes finos ou revestimentos são produzidos pela dissociação ou reações químicas de reagentes gasosos em um ambiente ativado (calor, luz, plasma).
Epitaxi significa&no topo &. ou&atribuído a&e representa um processo no qual uma camada é criada no topo de outra camada e herda a sua estrutura cristalina. Se a camada depositada é do mesmo material do substrato, fala-se de homoepitaxi, se' é outro material é' é chamado de heteroepitaxi. O processo mais significativo na homoepitaxi é a deposição de silício sobre silício, em heteroepitaxi geralmente uma camada de silício é depositada em um isolante, como óxido (Silicon On Insulator: SOI). A deposição de vapor químico (CVD) é um processo de revestimento que usa termicamente ou reações químicas induzidas eletricamente na superfície de um substrato aquecido, com reagentes fornecidos na forma gasosa. O CVD é um método de deposição usado para produzir materiais sólidos de alta qualidade e alto desempenho, normalmente sob vácuo. Filmes finos ou revestimentos são produzidos pela dissociação ou reações químicas de reagentes gasosos em um ambiente ativado (calor, luz, plasma).
Homoepitaxia
Dependendo do processo, os wafers podem ser entregues pelo fabricante do wafer com uma camada epitaxial (por exemplo, para a tecnologia CMOS), ou o próprio fabricante do chip tem que fazer isso (por exemplo, na tecnologia bipolar).
Como um gás para gerar a camada epitática, o hidrogênio puro é usado em conjunto com o silano (SiH4), diclorossilano (SiH2Cl2) ou tetracloreto de silício (SiCl4) A cerca de 1000 ° C, os gases se separam do silício, que é depositado na superfície do wafer. O silício herda a estrutura do substrato e vai crescendo, por razões de energia, camada por camada sucessivamente. Para não crescer um silício policristalino, deve-se sempre prevalecer uma escassez de átomos de silício, por exemplo, há sempre um pouco menos de silício disponível, pois o material pode realmente crescer. Quando o tetracloreto de silício é usado, a reação ocorre em duas etapas:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Para herdar a orientação do substrato' a superfície deve ser absolutamente clara. Portanto, pode-se utilizar a reação de equilíbrio. Ambas as reações podem ocorrer na outra direção, dependendo da proporção dos gases. Se houver apenas pouco hidrogênio na atmosfera, como no processo de triclorossilano para a purificação do silício bruto, o material é removido da superfície do wafer de silício devido à alta concentração de cloro. Somente com o aumento da concentração de hidrogênio, o crescimento é alcançado.
Com SiCl4a taxa de deposição é de aproximadamente 1 a 2 mícrons por minuto. Uma vez que o silício monocristalino cresce apenas na superfície nua, certas áreas podem ser mascaradas com óxido onde o silício cresce como silício policristalino. Este polissilício, no entanto, é gravado muito facilmente em comparação com o silício monocristalino por meio da reação reversa. Diborano (B2H6) ou fosfina (PH3) são adicionados aos gases do processo, para criar camadas dopadas, uma vez que os gases dopantes se decompõem em altas temperaturas e os dopantes são incorporados na rede cristalina.
O processo para criar camadas epitáticas caseiras é realizado sob uma atmosfera de vácuo. Portanto, a câmara de processo é aquecida a 1200 ° C para remover o óxido nativo, que está sempre presente na superfície do silício. Conforme mencionado acima, devido a uma baixa concentração de hidrogênio, ocorre uma corrosão reversa na superfície do silício. Isso pode ser usado para limpar a superfície antes do início do processo real. Se a concentração de gás for variada após esta limpeza, a deposição começa.
Ilustração de um reator de barril para processos epitáticos
Devido às altas temperaturas do processo,' uma difusão de dopantes no substrato ou impurezas, que foram usadas em processos anteriores, podem se mover para o substrato. If SiH2Cl2ou SiH4são usados lá' não há necessidade de tais altas temperaturas, então esses gases são usados principalmente. Para realizar o processo de decapagem para limpar a superfície, o HCl deve ser adicionado separadamente. A desvantagem desses silanos é que eles formam germes na atmosfera logo antes da deposição e, portanto, a qualidade da camada não é tão boa quanto com SiCl4.
Freqüentemente, há necessidade de camadas que não podem' t ser criadas diretamente do substrato. Para depositar camadas de nitreto de silício ou oxinitreto de silício, deve-se usar gases que contenham todos os componentes necessários. Os gases são decompostos por meio de energia térmica. Esse' é o princípio da deposição de fase de vapor química: CVD. A superfície do wafer não' t reage com os gases, mas serve como camada inferior. Dependendo dos parâmetros do processo - pressão, temperatura - o método CVD pode ser dividido em diferentes métodos cujas camadas diferem em densidade e cobertura. Se o crescimento em superfícies horizontais for tão alto quanto em superfícies verticais, a deposição é conforme.
A conformidade K é a razão de crescimento vertical e horizontal,K = Rv/Rh. Se a deposição não for ideal, a conformidade é menor que 1 (por exemploRv/Rh= 1/2 → K = 0.5) Uma alta conformidade só pode ser alcançada por altas temperaturas de processo.
Perfis imagináveis
APCVD é um método CVD em pressão normal (pressão atmosférica) que é usado para deposição de óxidos dopados e não dopados. O óxido depositado tem uma densidade baixa e a cobertura é moderada devido a uma temperatura relativamente baixa. Por causa de ferramentas aprimoradas, o APCVD passa por um renascimento. O alto rendimento do wafer é uma grande vantagem desse processo.
Como gases de processo silano SiH4(altamente deluído com nitrogênio N2) e oxigênio O2são usados. Os gases são decompostos termicamente a cerca de 400 ° C e reagem entre si para formar o filme desejado.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105° Pa)
Ozônio O adicionado3pode causar uma melhor conformidade porque melhora a mobilidade das partículas acumuladas. O óxido é poroso e eletricamente instável e pode ser densificado por um processo de alta temperatura.
Para evitar bordas que podem dificultar a deposição de camadas adicionais, o vidro de silicato de fósforo (PSG) é usado para as camadas intermediárias. Portanto, a fosfina é adicionada ao SiH4e O2, de modo que o óxido depositado contenha 4 a 8% de fósforo. Uma grande quantidade de fósforo leva a um grande aumento das propriedades de fluxo, no entanto, ácido fosfórico pode ser formado, o que corrói o alumínio (caminhos condutores).
Como o recozimento afeta os processos anteriores (por exemplo, dopagem), apenas o revenido curto é feito com lâmpadas de argônio potentes (vários hundrets kW, menos de 10s, T=1100 ° C) em vez do recozimento em processos de forno de longa duração.
O boro análogo ao PSG pode ser adicionado simultaneamente (vidro de silicato de fósforo e boro, BPSG, 4% B e 4% P).
Ilustração de um reator APCVD horizontal
No LPCVD, um vácuo é usado. Filmes finos de nitreto de silício (Si3N4), oxinitreto de silício (SiON), SiO2und tungstênio (W) pode ser criado. Os processos LPCVD permitem uma alta conformidade de quase 1. Isso se deve à baixa pressão de 10 a 100Pa (pressão atmosférica=100.000Pa) que leva a um movimento não uniforme das partículas. As partículas se espalham devido a colisões e cobrem tanto superfícies verticais quanto horizontais. A conformidade é suportada por uma alta temperatura de até 900 ° C. Comparado ao APCVD, a densidade e a estabilidade são muito altas.
As reações para Si3N4, SiON, SiO2e tungstênio são os seguintes:
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) Volfrâmio (400 ° C): WF6+ 3H2→W + 6HF
Em contraste com os precursores gasosos que são usados para o Si3N4, SiON e tungstênio, ortossilicato de tetraetila líquido é usado para SiO2. Além disso, existem outras fontes de líquidos como DTBS (SiH2C8H20) ou tetrametilciclotetrassiloxano (TMTCS, Si4O4C4H16).
Um filme de tungstênio só pode ser fabricado em silício puro. Portanto, o silano deve ser adicionado se não houver substrato de silício.
Ilustração de um reator LPCVD para filmes TEOS
O PECVD ocorre entre 250 e 350 ° C. Devido às baixas temperaturas, os gases do processo não podem ser decompostos termicamente. Com uma tensão de alta frequência, o gás é transformado em um estado de plasma. O plasma é energético e se distribui na superfície. Como a metalização, como o alumínio, não pode ser exposta a altas temperaturas, o PECVD é usado para SiO2e Si3N4deposição sobre camadas de metal. Em vez de SiH2Cl2, o silano é usado porque se decompõe em temperaturas mais baixas. A conformidade não é tão boa quanto no LPCVD (0,6 a 0,8), no entanto, a taxa de deposição é muito maior (0,5 mícrons por minuto).
Ilustração de um reator PECVD
Deposição de camada atômica (ALD) é um processo CVD modificado para a fabricação de filmes finos. O processo utiliza vários gases que são conduzidos alternadamente para a câmara de processo. Cada gás reage de tal forma que a superfície da corrente fica saturada e, portanto, a reação para. O gás alternativo é capaz de reagir com esta superfície da mesma maneira. Entre as reações desses gases, a câmara é purgada com um gás inerte, como nitrogênio ou argônio. Um processo ALD simples poderia ser assim:
reação autolimitada na superfície com o primeiro gás
purgando com um gás inerte
reação autolimitada na superfície com segundo gás
purgando com um gás inerte
Um exemplo específico para um processo ALD é a deposição de óxido de alumínio, isso pode ser realizado com trimetilalumínio (TMA, C3H9Al) e água (H2O).
O primeiro passo é a eliminação dos átomos de hidrogênio que estão ligados ao oxigênio na superfície do wafer. Os grupos metil (CH3) de TMA pode reagir com o hidrogênio para formar metano (CH4) As moléculas restantes se ligam ao oxigênio insaturado.
Se esses átomos estiverem saturados, nenhuma outra molécula de TMA poderá reagir na superfície.
A câmara é purgada e o subsequente vapor de água é conduzido para a câmara. Cada átomo de hidrogênio do H2Moléculas O agora podem reagir com os átomos da superfície anteriormente depositados para formar metano, enquanto o ânion hidroxila está ligado aos átomos de alumínio.
Portanto, existem novos átomos de hidrogênio na superfície que podem reagir posteriormente com o TMA, como no início.
A deposição da camada atômica oferece vantagens significativas sobre outras técnicas de deposição e, portanto, é' um processo muito importante para a fabricação de filmes finos. Com ALD, mesmo as estruturas tridimensionais podem ser depositadas de forma bastante uniforme. São possíveis películas isolantes e também condutivas, que podem ser criadas em substratos diferenciados (semicondutores, polímeros, ...). A espessura do filme pode ser controlada com muita precisão pelo número de ciclos. Uma vez que os gases reativos não são conduzidos para a câmara simultaneamente, eles não podem formar germes imediatamente antes da deposição real. Assim, a qualidade dos filmes é muito alta.
