Які відмінності між епітаксією та CVD

У процесі осадження тонких плівок під час виробництва мікросхем дві технології часто згадуються разом, але вони принципово різні — епітаксія та хімічне осадження з парової фази. Вони схожі на двоюрідних братів, обидва належать до сімейства "парового росту", але мають відмінні характеристики та сильні сторони. Іноді вони чітко розділені; іноді вони можуть перетворюватися один на одного і співіснувати за певних умов.

I. Фундаментальна відмінність: одне – копіювання, інше – графіті

Хімічне осадження з парової фази (CVD) є найпоширенішим методом осадження тонкої плівки. Його принцип простий: газ, що містить цільовий елемент, вводиться в реакційну камеру, де на нагрітій поверхні пластини відбувається хімічна реакція, утворюючи тверду тонку плівку. Плівки, створені CVD, залежно від умов процесу можуть бути полікристалічними, аморфними або монокристалічними. Це як фарбування стіни — незалежно від кристалічної структури стіни фарба просто застигає у вигляді плівки. Діоксид кремнію, нітрид кремнію, полікристалічний кремній тощо, нанесені CVD, не мають строгих вимог щодо узгодження решітки з підкладкою.

Епітафія, навпаки, є «благородною гілкою» в родині КВД. Його вимоги набагато суворіші: нанесена плівка повинна мати таку саму кристалічну структуру та орієнтацію, що й підкладка, з атомами, які «ростуть» шар за шаром, щоб ідеально відтворити структуру решітки підкладки. Епітаксія схожа на використання того самого шаблону для копіювання цегли — новозбудована стіна має ідеально вирівняти цегляні шви старої стіни. Епітаксійні шари зазвичай являють собою монокристалічний кремній, германієвий кремній, карбід кремнію тощо, які використовуються для створення ключових структур, таких як активна область і гетеропереходи транзисторів.

Простіше кажучи, будь-яка епітаксія є ССЗ, але не всі ССЗ є епітаксією. Епітаксія — це режим «монокристалічної реплікації» CVD, який досягається за певних умов.

II. Відмінності в умовах процесу

CVD має дуже широке вікно процесу. Температура може коливатися від кімнатної температури до тисяч градусів Цельсія, тиск від атмосферного тиску до кількох Паскалів, а типи газів надзвичайно різноманітні. Будь-який процес, який дозволяє газу реагувати та утворювати тверду тонку плівку, можна назвати CVD. Плазмовий CVD може осаджувати нітрид кремнію при 300-400°C, CVD при низькому тиску при 600-700°C і CVD при атмосферному тиску при температурах вище 900°C, осаджуючи діоксид кремнію. CVD майже не має вимог до підкладки — кремній, скло, метали та навіть пластмаси (в умовах низьких температур) — усі вони можуть бути нанесені.

Епітафія, з іншого боку, має набагато вужче вікно процесу. Щоб виростити ідеальний монокристалічний шар, необхідно виконати три суворі умови.

По-перше, підкладка повинна бути монокристалічної. Епітаксіальний шар є продовженням кристалічної решітки підкладки; якщо сама підкладка полікристалічна або аморфна, монокристалічний епітаксійний шар неможливо виростити.

По-друге, температура повинна бути досить високою. Для кремнієвої епітаксії температура зазвичай становить 1000-1200 °C; для епітаксії карбіду кремнію температура може навіть досягати 1500-1600°C. Висока температура забезпечує достатню поверхневу рухливість для адсорбованих атомів, дозволяючи їм знаходити своє правильне положення в кристалічній решітці.

По-третє, швидкість росту повинна бути повільною. Надто висока швидкість призведе до того, що атоми не матимуть достатньо часу, щоб «вибудуватися», що призведе до утворення полікристалічних структур або дефектів. Типова швидкість росту для кремнієвої епітаксії становить 0,1-1 мікрометрів на хвилину, тоді як CVD осадження полікристалічного кремнію може легко досягати 10 мікрометрів на хвилину.

Крім того, епітаксія вимагає надзвичайно високої чистоти камери; будь-який атом домішки може стати центром дефекту, що порушує цілісність монокристала.

III. Взаємоперетворення

За певних умов епітаксія та CVD можуть взаємоперетворюватися.

Від CVD до епітаксії: якщо підкладкою є монокристалічний кремній, а температура осадження досить висока, а швидкість росту досить повільна, процес CVD, який зазвичай утворює полікристалічний кремній, може бути перетворений на монокристалічну епітаксію. Наприклад, осадження силаном при температурі нижче 900 °C дає полікристалічний кремній; підвищення температури до 1050°C при одночасному зниженні парціального тиску силану дозволяє виростити монокристалічний епітаксіальний шар на підкладці з монокристалічного кремнію. Це фундаментальний принцип епітаксійного росту — завдяки збільшенню швидкості поверхневої дифузії атоми мають можливість «знаходити» положення решітки.

Від епітаксії до CVD: якщо температура недостатньо висока або швидкість росту надто висока, епітаксійний процес «виродиться» в полікристалічне або аморфне осадження. Наприклад, спроба епітаксіального вирощування кремнію при низьких температурах може призвести до аморфного кремнію; епітаксія з високою швидкістю може ввести полікристалічні компоненти. У промисловості ця «деградація» іноді навмисно використовується для вирощування тонких плівок полікристалічного кремнію. Наприклад, при заповненні траншей шар аморфного кремнію спочатку осаджують при низькій температурі як буфер, а потім відпалюють при високій температурі для його кристалізації.

IV. Співіснування та симбіоз

У передових виробничих процесах епітаксія та CVD часто співіснують в одному обладнанні та навіть взаємодіють на одному етапі процесу.

Типовим прикладом є вибіркова епітаксія. У процесах підйому джерело-сток епітаксіальний кремній потрібно вибірково вирощувати в відкритих монокристалічних областях кремнію, тоді як нічого не росте в ізольованих областях діоксиду кремнію або нітриду кремнію. Цей процес фактично є «конкуренцією» між епітаксією та CVD — на поверхні монокристалічного кремнію атоми можуть швидко мігрувати та знаходити положення решітки, щоб утворити епітаксійний шар; на ізоляційних поверхнях зародження атомів відбувається повільно, і остаточно нанесений полікристалічний або аморфний матеріал може бути вибірково витравлений.

Безперервне осадження епітаксії та полікристалів: у виробництві 3D NAND інколи необхідно спочатку епітаксіально виростити монокристалічний кремній як початковий шар, а потім перейти в режим CVD, щоб осадити полікристалічний кремній для заповнення траншей. Те саме епітаксіальне обладнання може вільно перемикатися між монокристалічним і полікристалічним режимами шляхом регулювання температури та співвідношення газу.

Епітаксія + осадження в технології напруженого кремнію: германієвий кремній епітаксіально вирощується в областях джерела та стоку PMOS, і на нього одночасно наноситься напруга з нітриду кремнію CVD. Обидва працюють разом, щоб створити напругу стиску каналу та покращити рухливість отвору.

V. Висновок

Епітаксія та CVD представляють два різні підходи: один — прагнення до «ідеальної реплікації на атомному рівні», а інший — прагматизм «ефективного формування плівки». Вони поділяють фундаментальні принципи газофазних хімічних реакцій, але значно відрізняються щодо якості кристалів, температурного вікна та швидкості росту. Шляхом регулювання температури та швидкості їх можна взаємоперетворювати; завдяки геніальному дизайну процесу вони можуть співіснувати на одному пристрої та працювати в одному процесі. Саме ця гармонійна співпраця між двома двоюрідними братами дозволяє мікросхемам мати як ідеальні монокристалічні канали, так і щільні полікристалічні затвори та ізоляційні діелектричні шари, підтримуючи чудову будівлю мільярдів транзисторів, що працюють разом.

Semicorex пропонує високу якістьCVD покриття продуктів. Якщо у вас є запитання або вам потрібна додаткова інформація, будь ласка, не соромтеся зв’язатися з нами.

Контактний телефон +86-13567891907

Електронна адреса: sales@semicorex.com