Deposisi uap kimia (CVD) adalah proses pelapisan yang menggunakan reaksi kimia yang diinduksi secara termal atau elektrik pada permukaan substrat yang dipanaskan, dengan reagen yang dipasok dalam bentuk gas. CVD adalah metode pengendapan yang digunakan untuk menghasilkan bahan padat berkualitas tinggi, berkinerja tinggi, biasanya di bawah vakum. Film tipis atau pelapis diproduksi oleh disosiasi atau reaksi kimia dari reaktan gas dalam lingkungan yang diaktifkan (panas, cahaya, plasma).
Epitaksi berarti"di atas" atau"ditetapkan ke", dan mewakili proses di mana sebuah lapisan dibuat di atas lapisan lain dan mewarisi struktur kristalnya. Jika lapisan yang diendapkan adalah dari bahan yang sama dengan substrat, seseorang berbicara tentang homoepitaxy, jika itu' bahan lain, itu' disebut heteroepitaxy. Proses yang paling signifikan dalam homoepitaxy adalah pengendapan silikon pada silikon, dalam heteroepitaxy biasanya lapisan silikon diendapkan pada isolator seperti oksida (Silicon On Insulator: SOI). Deposisi uap kimia (CVD) adalah proses pelapisan yang menggunakan termal atau reaksi kimia yang diinduksi secara elektrik pada permukaan substrat yang dipanaskan, dengan reagen yang disuplai dalam bentuk gas. CVD adalah metode pengendapan yang digunakan untuk menghasilkan bahan padat berkualitas tinggi, berkinerja tinggi, biasanya di bawah vakum. Film tipis atau pelapis diproduksi oleh disosiasi atau reaksi kimia dari reaktan gas dalam lingkungan yang diaktifkan (panas, cahaya, plasma).
Homoepitaksi
Tergantung pada prosesnya, wafer dapat dikirim dari produsen wafer dengan lapisan epitaxial (misalnya untuk teknologi CMOS), atau produsen chip harus membuatnya sendiri (misalnya dalam teknologi bipolar).
Sebagai gas untuk menghasilkan lapisan epitaktis, hidrogen murni digunakan bersama dengan silan (SiH4), diklorosilan (SiH2Cl2) atau silikon tetraklorida (SiCl4). Pada sekitar 1000 ° C, gas membelah silikon, yang disimpan di permukaan wafer. Silikon mewarisi struktur substrat dan tumbuh, untuk alasan energi, lapis demi lapis secara berurutan. Untuk tidak menumbuhkan silikon polikristalin, kita harus selalu mengatasi kekurangan atom silikon, misalnya selalu sedikit silikon yang tersedia karena bahan benar-benar bisa tumbuh. Ketika silikon tetraklorida digunakan, reaksi berlangsung dalam dua langkah:
SiCl4+ H2→SiCl22HCl
2 SiCl2→Si {} SiCl4
Untuk mewarisi orientasi substrat' permukaan harus benar-benar jelas. Jadi seseorang dapat memanfaatkan reaksi kesetimbangan. Kedua reaksi dapat terjadi dalam arah lain, tergantung pada rasio gas. Jika hanya ada sedikit hidrogen di atmosfer, seperti dalam proses triklorosilan untuk pemurnian silikon mentah, bahan dikeluarkan dari permukaan wafer silikon karena konsentrasi klorin yang tinggi. Hanya dengan meningkatnya konsentrasi pertumbuhan hidrogen tercapai.
Dengan SiCl4laju deposisi sekitar 1 hingga 2 mikron per menit. Karena silikon monokristalin hanya tumbuh pada permukaan yang telanjang, area tertentu dapat ditutupi dengan oksida di mana silikon tumbuh sebagai silikon polikristalin. Polisilikon ini, bagaimanapun, sangat mudah tergores dibandingkan dengan silikon kristal tunggal melalui reaksi mundur. Diboran (B2H6) atau fosfin (PH3) ditambahkan ke gas proses, untuk membuat lapisan doping, karena gas doping terurai pada suhu tinggi dan dopan tergabung dalam kisi kristal.
Proses untuk membuat lapisan epitaktis rumah diwujudkan di bawah atmosfer vakum. Oleh karena itu ruang proses dipanaskan sampai 1200 °C untuk menghilangkan oksida asli, yang selalu ada pada permukaan silikon. Seperti disebutkan di atas, karena konsentrasi hidrogen yang rendah terjadi etsa belakang pada permukaan silikon. Ini dapat digunakan untuk membersihkan permukaan sebelum proses sebenarnya dimulai. Jika konsentrasi gas bervariasi setelah pembersihan ini, pengendapan dimulai.
Ilustrasi reaktor barel untuk proses epitaktis
Karena suhu proses yang tinggi,' difusi dopan dalam substrat atau pengotor, yang telah digunakan dalam proses sebelumnya, dapat berpindah ke substrat. Jika SiH2Cl2atau SiH4digunakan di sana' tidak perlu suhu tinggi seperti itu, jadi gas ini digunakan terutama. Untuk mencapai proses etsa kembali untuk membersihkan permukaan, HCl harus ditambahkan secara terpisah. Kerugian dari silan ini adalah mereka membentuk kuman di atmosfer tepat sebelum pengendapan, sehingga kualitas lapisannya tidak sebaik SiCl4.
Seringkali ada kebutuhan lapisan yang't tidak dapat dibuat langsung dari substrat. Untuk menyimpan lapisan silikon nitrida atau silikon oksinitrida, seseorang harus menggunakan gas yang mengandung semua komponen yang diperlukan. Gas terurai melalui energi panas. Itu's prinsip deposisi fase uap kimia: CVD. Permukaan wafer tidak't bereaksi dengan gas tetapi berfungsi sebagai lapisan bawah. Bergantung pada parameter proses - tekanan, suhu - metode CVD dapat dibagi dalam berbagai metode yang lapisannya berbeda dalam kepadatan dan cakupan. Jika pertumbuhan pada permukaan horizontal setinggi pada permukaan vertikal, deposisinya sesuai.
Kesesuaian K adalah rasio pertumbuhan vertikal dan horizontal,K = Rv/Rh. Jika deposisi tidak ideal, konformitasnya kurang dari 1 (misRv/Rh= 1/2 → K = 0.5). Kesesuaian yang tinggi hanya dapat dicapai dengan suhu proses yang tinggi.
Profil yang bisa dibayangkan
APCVD adalah metode CVD pada tekanan normal (tekanan atmosfer) yang digunakan untuk pengendapan oksida yang didoping dan yang tidak didoping. Oksida yang diendapkan memiliki kerapatan rendah dan cakupannya sedang karena suhu yang relatif rendah. Karena alat yang ditingkatkan, APCVD mengalami kebangkitan. Throughput wafer yang tinggi merupakan keuntungan besar dari proses ini.
Sebagai gas proses silan SiH4(sangat diencerkan dengan nitrogen N2) dan oksigen O2digunakan. Gas-gas didekomposisi secara termal pada sekitar 400 ° C dan bereaksi satu sama lain untuk membentuk film yang diinginkan.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = 430°C, p = 105°Pa)
Ditambahkan ozon O3dapat menyebabkan kesesuaian yang lebih baik karena meningkatkan mobilitas partikel yang terakumulasi. Oksida berpori dan listrik tidak stabil dan dapat dipadatkan dengan proses suhu tinggi.
Untuk menghindari tepi yang dapat mengakibatkan kesulitan pada pengendapan lapisan tambahan, kaca fosfor silikat (PSG) digunakan untuk interlayers. Oleh karena itu fosfin ditambahkan ke SiH4dan O2, sehingga oksida yang diendapkan mengandung 4 hingga 8% fosfor. Jumlah fosfor yang tinggi menyebabkan peningkatan sifat aliran yang tinggi, namun asam fosfat dapat terbentuk yang mengkorosi aluminium (jalur konduktor).
Karena anil mempengaruhi proses sebelumnya (misalnya doping), hanya penempaan pendek yang dilakukan dengan lampu argon yang kuat (beberapa ratus kW, kurang dari 10 detik, T=1100 °C) daripada anil dalam proses tungku yang lama.
Analog ke boron PSG dapat ditambahkan secara bersamaan (kaca boron fosfor silikat, BPSG, 4% B dan 4% P).
Ilustrasi reaktor APCVD horizontal
Dalam LPCVD vakum digunakan. Film tipis silikon nitrida (Si3N4), silikon oksinitrida (SiON), SiO2und tungsten (W) dapat dibuat. Proses LPCVD memungkinkan konformitas tinggi hampir 1. Hal ini karena tekanan rendah 10 hingga 100Pa (tekanan atmosfer=100.000Pa) yang mengarah pada pergerakan partikel yang tidak seragam. Partikel menyebar karena tumbukan dan menutupi permukaan vertikal maupun horizontal. Kesesuaian tersebut didukung oleh suhu yang tinggi hingga 900 °C. Dibandingkan dengan APCVD, kepadatan dan stabilitasnya sangat tinggi.
Reaksi untuk Si3N4, SiON, SiO2dan tungsten adalah sebagai berikut:
a) Si3N4(850 °C): 4NH33SiH2Cl2→Si3N46HCl 6H2
b) SiON (900 °C): NH3{0}} SiH2Cl2+ N2O→Si3N4+ Nebenprodukte
c) SiO2(700 °C): SiO4C8H20→SiO2+ Nebenprodukte
d) Wolfram (400 °C): WF6+ 3H2→W 6HF
Berbeda dengan prekursor gas yang digunakan untuk Si3N4, SiON dan tungsten, tetraetil ortosilikat cair digunakan untuk SiO2. Selain itu ada sumber cair lain seperti DTBS (SiH2C8H20) atau tetramethylcyclotetrasiloxane (TMTCS, Si4O4C4H16).
Sebuah film tungsten hanya dapat dibuat pada silikon telanjang. Oleh karena itu perlu ditambahkan silan jika tidak ada substrat silikon.
Ilustrasi reaktor LPCVD untuk film TEOS
PECVD berlangsung pada 250 hingga 350 °C. Karena suhu rendah, gas proses tidak dapat didekomposisi secara termal. Dengan tegangan frekuensi tinggi, gas diubah menjadi keadaan plasma. Plasma itu energik dan terdampar di permukaan. Karena metalisasi, seperti aluminium, tidak dapat terkena suhu tinggi, PECVD digunakan untuk SiO2dan Si3N4pengendapan di atas lapisan logam. Alih-alih SiH2Cl2silane digunakan karena terurai pada suhu yang lebih rendah. Kesesuaiannya tidak sebagus di LPCVD (0,6 hingga 0,8), namun tingkat deposisi jauh lebih tinggi (0,5 mikron per menit).
Ilustrasi reaktor PECVD
Deposisi Lapisan Atom (ALD) adalah proses CVD yang dimodifikasi untuk memproduksi film tipis. Proses ini menggunakan beberapa gas yang dibawa ke ruang proses secara bergantian. Setiap gas bereaksi sedemikian rupa sehingga permukaan saat ini jenuh, dan oleh karena itu reaksi terhenti. Gas alternatif dapat bereaksi dengan permukaan ini dengan cara yang sama. Di antara reaksi gas-gas ini, ruang dibersihkan dengan gas inert, seperti nitrogen atau argon. Proses ALD sederhana dapat terlihat seperti ini:
reaksi self-limiting di permukaan dengan gas pertama
membersihkan dengan gas inert
reaksi membatasi diri di permukaan dengan gas kedua
membersihkan dengan gas inert
Contoh spesifik untuk proses ALD adalah pengendapan aluminium oksida, ini dapat diwujudkan dengan trimetiluminium (TMA, C3H9Al) dan air (H2O).
Langkah pertama adalah eliminasi atom hidrogen yang terikat pada oksigen pada permukaan wafer. Gugus metil (CH3) dari TMA dapat bereaksi dengan hidrogen membentuk metana (CH4). Molekul yang tersisa berikatan dengan oksigen tak jenuh.
Jika atom-atom ini jenuh, tidak ada lagi molekul TMA yang dapat bereaksi di permukaan.
Ruang dibersihkan dan uap air berikutnya dibawa ke dalam ruang. Pernah satu atom hidrogen dari H2Molekul O sekarang dapat bereaksi dengan atom permukaan yang diendapkan untuk membentuk metana, sedangkan anion hidroksil terikat pada atom aluminium.
Oleh karena itu, ada atom hidrogen baru di permukaan yang dapat bereaksi pada tahap selanjutnya dengan TMA seperti pada awalnya.
Deposisi lapisan atom memberikan keuntungan yang signifikan dibandingkan teknik deposisi lainnya, dan oleh karena itu'proses yang sangat penting untuk pembuatan film tipis. Dengan ALD bahkan struktur 3 dimensi dapat diendapkan dengan sangat seragam. Film isolasi dimungkinkan serta film konduktif, yang dapat dibuat pada substrat yang berbeda (semikonduktor, polimer, ...). Ketebalan film dapat dikontrol dengan sangat tepat dengan jumlah siklus. Karena gas reaktif tidak dibawa ke dalam ruangan secara bersamaan, mereka tidak dapat membentuk kuman tepat sebelum deposisi yang sebenarnya. Dengan demikian kualitas film sangat tinggi.
