La deposició química de vapor (CVD) és un procés de recobriment que utilitza reaccions químiques induïdes tèrmicament o elèctricament a la superfície d'un substrat escalfat, amb reactius subministrats en forma gasosa. El CVD és un mètode de deposició que s'utilitza per produir materials sòlids d'alta qualitat i d'alt rendiment, típicament sota buit. Les pel·lícules fines o recobriments es produeixen per la dissociació o reaccions químiques dels reactius gasosos en un ambient activat (calor, llum, plasma).
Epitaxi significa "a la part superior" o "assignat", i representa un procés en el qual es crea una capa sobre una altra capa i hereta la seva estructura cristal·lina. Si la capa dipositada és del mateix material que el substrat es parla d'homoepitaxi, si és un altre material es diu heteroepitaxi. El procés més significatiu en l'homoepitaxi és la deposició de silici sobre silici, en heteroepitaxi generalment una capa de silici es diposita en un aïllant com l'òxid (Silicon On Insulator: SOI). La deposició química de vapor (CVD) és un procés de recobriment que utilitza reaccions químiques induïdes tèrmicament o elèctricament a la superfície d'un substrat escalfat, amb reactius subministrats en forma gasosa. El CVD és un mètode de deposició que s'utilitza per produir materials sòlids d'alta qualitat i d'alt rendiment, típicament sota buit. Les pel·lícules fines o recobriments es produeixen per la dissociació o reaccions químiques dels reactius gasosos en un ambient activat (calor, llum, plasma).
Homoepitaxi
Depenent del procés, les hòsties es poden lliurar des del fabricant d'hòsties amb una capa epitaxial (per exemple, per a la tecnologia CMOS), o el fabricant de xips ha de fer-ho ell mateix (per exemple, en la tecnologia bipolar).
Com a gas per a la generació de la capa epitactica, l'hidrogen pur s'utilitza conjuntament amb el silà (SiH4), diclorosilà (SiH2cl2) o tetraclorur de silici (SiCl4). Al voltant de 1000 °C, els gasos es desprenen del silici, que es diposita a la superfície de l'oblia. El silici hereta l'estructura del substrat i creix, per raons energètiques, capa per capa successivament sobre. Per no créixer un silici policristal·lí, sempre ha de prevaler l'escassetat d'àtoms de silici, per exemple, sempre és una mica menys de silici disponible ja que el material podria créixer realment. Quan s'utilitza tetraclorur de silici, la reacció procedeix en dos passos:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Per heretar l'orientació del substrat la superfície ha de ser absolutament clara. Per tant, es pot utilitzar la reacció d'equilibri. Ambdues reaccions poden ocórrer en l'altra direcció, depenent de la proporció dels gasos. Si a l'atmosfera només hi ha pocs hidrogen, com en el procés de richlorosilà per a la purificació del silici cru, el material s'extreu de la superfície de l'oblia de silici a causa de l'alta concentració de clor. Només amb una concentració creixent de creixement d'hidrogen s'aconsegueix.
Amb SiCl4la taxa de deposició és d'aproximadament 1 a 2 micres per minut. Atès que el silici monocristal·lí només creix a la superfície nua, certes àrees es poden emmascarar amb òxid on el silici creix com a silici policristal·lí. Aquest polisilici, però, està gravat molt fàcilment en comparació amb el silici monocrisil·lí a través de la reacció cap enrere. Diborane (B2h6) o fosfina (PH3) s'afegeixen als gasos de procés, per crear capes doblades, ja que els gasos dopants es descomponen a altes temperatures i els dopants s'incorporen a la gelosia cristal·lina.
El procés de creació de capes epitactices casolanes es realitza sota atmosfera de buit. Per tant, la cambra de procés s'escalfa a 1200 °C per eliminar l'òxid natiu, que sempre està present a la superfície de silici. Com es va esmentar anteriorment, a causa d'una baixa concentració d'hidrogen es produeix un gravat posterior a la superfície del silici. Això es pot utilitzar per netejar la superfície abans que comenci el procés real. Si la concentració de gas és variada després d'aquesta neteja s'inicia la deposició.
Il·lustració d'un reactor de barril per a processos epitactics
A causa de les altes temperatures del procés hi ha una difusió de dopants en el substrat o impureses, que s'han utilitzat en processos anteriors, es poden moure al substrat. Si SiH2cl2o SiH4s'utilitzen no hi ha necessitat d'aquestes altes temperatures, de manera que aquests gasos s'utilitzen principalment. Per aconseguir el procés d'esquena al gravat per netejar la superfície, HCl s'ha d'afegir per separat. L'inconvenient d'aquestes silanes és que formen gèrmens a l'atmosfera just abans de la deposició, i per tant la qualitat de la capa no és tan bona com amb SiCl4.
Sovint hi ha una necessitat de capes que no es poden crear directament des del substrat. Per dipositar capes de nitrur de silici o oxinitr de silici cal utilitzar gasos que continguin tots els components necessaris. Els gasos es descomponen mitjançant energia tèrmica. Aquest és el principi de la deposició de la fase de vapor químic: CVD. La superfície de l'oblia no reacciona amb els gasos, sinó que serveix com a capa inferior. Depenent dels paràmetres del procés - pressió, temperatura - el mètode CVD es pot dividir en diferents mètodes les capes dels quals difereixen en densitat i cobertura. Si el creixement en superfícies horitzontals és tan elevat com en superfícies verticals la deposició és conforme.
La conformitat K és la proporció de creixement vertical i horitzontal,K = RV/Rh. Si la deposició no és ideal, la conformitat és inferior a 1 (per exemple,rV/Rh= 1/2 → K = 0,5). Una alta conformitat només es pot aconseguir mitjançant altes temperatures de procés.
Perfils imaginables
L'APCVD és un mètode CVD a pressió normal (pressió atmosfèrica) que s'utilitza per a la deposició d'òxids dopats i desfets. L'òxid dipositat té una densitat baixa i la cobertura és moderada a causa d'una temperatura relativament baixa. A causa de la millora de les eines, l'APCVD pateix un renaixement. L'alt rendiment de les hòsties és un gran avantatge d'aquest procés.
Com a procés gasos silà SiH4(altament delirant amb nitrogen N2) i oxigen O2s'utilitzen. Els gasos es descomponen tèrmicament a uns 400 °C i reaccionen entre ells per formar la pel·lícula desitjada.
SiH4+ O2→Sio2+ 2H2(T = 430 °C, p = 105°Pa)
S'ha afegit ozó O3pot causar una millor conformitat perquè millora la movabilitat de les partícules acumulades. L'òxid és porós i elèctric inestable i es pot densificar per un procés d'alta temperatura.
Per evitar les vores que poden resultar en dificultats en la deposició de capes addicionals, el vidre de silicat fòsfor (PSG) s'utilitza per a intercapes. Per tant, la fosfina s'afegeix a SiH4i O2, de manera que l'òxid dipositat conté entre un 4 i un 8 % de fòsfor. Una gran quantitat de fòsfor condueix a un alt augment de les propietats de flux, però, es pot formar àcid fosfòric que corroeix l'alumini (camins conductors).
Com que el recuit afecta processos anteriors (per exemple, dopatge) només es fa temperat curt amb potents llums d'argó (diversos hundrets kW, menys de 10s, T = 1100 °C) en lloc de recuit en processos de forn de llarga durada.
Es pot afegir anàleg al bor PSG simultàniament (vidre de silicat de bor fòsfor, BPSG, 4 % B i 4 % P).
Il·lustració d'un reactor horitzontal APCVD
En LPCVD s'utilitza un buit. Pel·lícules primes de nitrur de silici (Si3N4), oxinitr de silici (SiON), SiO2es pot crear und tungstè (W). Els processos LPCVD permeten una alta conformitat de gairebé 1. Això es deu a la baixa pressió de 10 a 100 Pa (pressió atmosfèrica = 100.000 Pa) que condueix a un moviment no uniforme de les partícules. Les partícules es dispreadegen a causa de col·lisions i cobreixen superfícies verticals, així com horitzontals. La conformitat es recolza en una alta temperatura de fins a 900 °C. En comparació amb l'APCVD, la densitat i estabilitat és molt alta.
Les reaccions de Si3N4, SiON, Sio2i el tungstè són els següents:
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
En contrast amb els precursors gasosos que s'utilitzen per a Si3N4, SiON i tungstè, l'ortesi tetraetil líquid s'utilitza per a SiO2. A més hi ha altres fonts líquides com DTBS (SiH2C8h20) o tetrametilclotetrasiloxane (TMTCS, Si4O4C4h16).
Una pel·lícula de tungstè només es pot fabricar sobre silici nu. Per tant, s'ha d'afegir si el silà s'ha d'afegir si no hi ha substrat de silici.
Il·lustració d'un reactor LPCVD per a pel·lícules TEOS
El PECVD té lloc entre 250 i 350 °C. A causa de les baixes temperatures, els gasos de procés no es poden descompondir tèrmicament. Amb un voltatge d'alta freqüència, el gas es transforma en un estat plasma. El plasma és energètic i disposa a la superfície. Com que la metal·lització, com l'alumini, no pot estar exposada a altes temperatures, el PECVD s'utilitza per a SiO2i Si3N4deposició sobre capes metàl·liques. En lloc de SiH2Cl2 s'utilitza silà perquè es descompon a temperatura més baixa. La conformitat no és tan bona com en LPCVD (0,6 a 0,8), però, la taxa de deposició és molt més alta (0,5 micres per minut).
Il·lustració d'un reactor PECVD
La Deposició de Capes Atòmiques (ALD) és un procés CVD modificat per fabricar pel·lícules primes. El procés utilitza diversos gasos que es porten a la cambra de procés alternant. Cada gas reacciona de tal manera que la superfície actual està saturada, i per tant la reacció arriba a una aturada. El gas alternatiu és capaç de reaccionar amb aquesta superfície de la mateixa manera. Entre les reaccions d'aquests gasos la cambra es purga amb un gas inert, com el nitrogen o l'argó. Un procés ALD simple podria semblar així:
Un exemple específic per a un procés d'ALD és la deposició d'òxid d'alumini, això es pot realitzar amb trimethilaluminum (TMA, C3h9Al) i aigua (H2O).
El primer pas és l'eliminació dels àtoms d'hidrogen que estan lligats a l'oxigen a la superfície de l'oblia. Els grups metils (CH3) de TMA pot reaccionar amb l'hidrogen per formar metà (CH4). La resta de molècules s'uneixen amb l'oxigen insaturat.
Si aquests àtoms estan saturats, ja no hi ha molècules de TMA que reaccionin a la superfície.
La cambra és purgada i el vapor d'aigua posterior es dirigeix a la cambra. Mai un àtom d'hidrogen de la H2Les molècules O ara poden reaccionar amb els antics àtoms de superfície dipositats per formar metà, mentre que l'anió hidroxil és un enllaç als àtoms d'alumini.
Per tant, hi ha nous àtoms d'hidrogen a la superfície que poden reaccionar en un pas posterior amb TMA com al principi.
La deposició de la capa atòmica aporta importants avantatges respecte a altres tècniques de deposició, i per tant és un procés molt important per fabricar pel·lícules primes. Amb ALD fins i tot les estructures tridimensionals es poden dipositar molt uniformes. Les pel·lícules aïllants són possibles i conductores, que es poden crear sobre diferents substrats (semiconductors, polímers, ...). El gruix de la pel·lícula es pot controlar molt precís pel nombre de cicles. Atès que els gasos reactius no es porten a la cambra simultàniament, no poden formar gèrmens just abans de la deposició real. Per tant, la qualitat de les pel·lícules és molt alta.
