La deposición química de vapor (ECV) es un proceso de recubrimiento que utiliza reacciones químicas inducidas térmica o eléctricamente en la superficie de un sustrato calentado, con reactivos suministrados en forma gaseosa. La ECV es un método de deposición utilizado para producir materiales sólidos de alta calidad y alto rendimiento, normalmente al vacío. Las películas delgadas o recubrimientos son producidos por la disociación o reacciones químicas de reactivos gaseosos en un ambiente activado (calor, luz, plasma).
Epitaxia significa "en la parte superior" o "asignado a", y representa un proceso en el que una capa se crea sobre otra capa y hereda su estructura cristalina. Si la capa depositada es del mismo material que el sustrato se habla de homoepitaxia, si es otro material es la llamada heteroepitaxia. El proceso más significativo en la homoepitaxia es la deposición de silicio sobre silicio, en heteroepitaxia generalmente una capa de silicio se deposita sobre un aislante como el óxido (Silicon On Insulator: SOI). La deposición química de vapor (ECV) es un proceso de recubrimiento que utiliza reacciones químicas inducidas térmica o eléctricamente en la superficie de un sustrato calentado, con reactivos suministrados en forma gaseosa. La ECV es un método de deposición utilizado para producir materiales sólidos de alta calidad y alto rendimiento, normalmente al vacío. Las películas delgadas o recubrimientos son producidos por la disociación o reacciones químicas de reactivos gaseosos en un ambiente activado (calor, luz, plasma).
Homoepitaxia
Dependiendo del proceso, las obleas pueden ser entregadas por el fabricante de obleas con una capa epitaxial (por ejemplo, para la tecnología CMOS), o el fabricante del chip tiene que hacerlo él mismo (por ejemplo, en la tecnología bipolar).
Como gas para generar la capa epitáctica, el hidrógeno puro se utiliza junto con el silano (SiH4), diclorosilano (SiH2Cl2) o tetracloruro de silicio (SiCl)4). A unos 1000 °C, los gases se desprenden del silicio, que se deposita en la superficie de la oblea. El silicio hereda la estructura del sustrato y está creciendo, por razones energéticas, capa por capa sucesivamente. Para no crecer un silicio policristalino, uno debe prevalecer siempre una escasez de átomos del silicio, e.g. es siempre levemente menos silicio disponible pues el material podría crecer realmente para arriba. Cuando se utiliza tetracloruro de silicio, la reacción procede en dos pasos:
SiCl4+ H2→SiCl2+ 2HCl
2 SiCl2→Si + SiCl4
Para heredar la orientación del sustrato la superficie debe ser absolutamente clara. Así que uno puede utilizar la reacción de equilibrio. Ambas reacciones pueden ocurrir en la otra dirección, dependiendo de la proporción de los gases. Si hay muy poco hidrógeno en la atmósfera, como en el proceso de triclorosilano para la purificación del silicio crudo, el material se elimina de la superficie de la oblea de silicio debido a la alta concentración de cloro. Sólo con el aumento de la concentración de hidrógeno se logra el crecimiento.
Con SiCl4la tasa de deposición es de aproximadamente 1 a 2 micras por minuto. Dado que el silicio monocristalino crece solo en la superficie desnuda, ciertas áreas se pueden enmascarar con óxido donde el silicio crece como silicio policristalino. Este polisilicio, sin embargo, se graba muy fácilmente en comparación con el silicio monocristalino a través de la reacción de ejecución hacia atrás. Diborano (B2h6) o fosfina (PH3) se añaden a los gases de proceso, para crear capas dopadas, ya que los gases dopantes se descomponen a altas temperaturas y los dopantes se incorporan en la red cristalina.
El proceso para crear capas epitácticas caseras se realiza bajo atmósfera de vacío. Por lo tanto, la cámara de proceso se calienta a 1200 °C para eliminar el óxido nativo, que siempre está presente en la superficie de silicio. Como se mencionó anteriormente, debido a una baja concentración de hidrógeno se produce un grabado posterior en la superficie de silicio. Esto se puede utilizar para limpiar la superficie antes de que comience el proceso real. Si la concentración de gas es variada después de esta limpieza comienza la deposición.
Ilustración de un reactor de barril para procesos epitácticos
Debido a las altas temperaturas del proceso hay una difusión de dopantes en el sustrato o impurezas, que se han utilizado en procesos anteriores, pueden moverse al sustrato. Si SiH2Cl2o SiH4se utilizan no hay necesidad de temperaturas tan altas, por lo que estos gases se utilizan principalmente. Para lograr el proceso de grabado posterior para limpiar la superficie, HCl tiene que ser añadido por separado. La desventaja de estos silanos es que forman gérmenes en la atmósfera justo antes de la deposición, y por lo tanto la calidad de la capa no es tan buena como con el SiCl4.
A menudo hay una necesidad de capas que no se pueden crear directamente desde el sustrato. Para depositar capas de nitruro de silicio o oxinitruro de silicio hay que utilizar gases que contienen todos los componentes necesarios. Los gases se descomponen a través de la energía térmica. Ese es el principio de la deposición química en fase de vapor: ECV. La superficie de la oblea no reacciona con los gases, pero sirve como capa inferior. Dependiendo de los parámetros del proceso - presión, temperatura - el método CVD se puede devided en diferentes métodos cuyas capas difieren en densidad y cobertura. Si el crecimiento en superficies horizontales es tan alto como en superficies verticales, la deposición es conforme.
La conformidad K es la relación de crecimiento vertical y horizontal,K = RV/Rh. Si la deposición no es ideal, la conformidad es menor que 1 (por ejemplo,RV/Rh= 1/2 → K = 0,5). Una alta conformidad sólo se puede lograr mediante altas temperaturas de proceso.
Perfiles imaginables
Apcvd es un método de ECV a presión normal (presión atmosférica) que se utiliza para la deposición de óxidos dopados y no dopados. El óxido depositado tiene una baja densidad y la cobertura es moderada debido a una temperatura relativamente baja. Debido a las herramientas mejoradas, el APCVD experimenta un renacimiento. El alto rendimiento de oblea es una gran ventaja de este proceso.
Como gas de proceso silano SiH4(altamente deluted con nitrógeno N2) y oxígeno O2se utilizan. Los gases se descomponen térmicamente a unos 400 °C y reaccionan entre sí para formar la película deseada.
SiH4+ O2→SiO2+ 2H2(T = °C 430, p = 105°PA)
Añadido ozono O3puede provocar una mejor conformidad porque mejora la movilidad de las partículas acumuladas. El óxido es poroso e insensible eléctrico y puede ser densificado por un proceso de alta temperatura.
Para evitar bordes que pueden resultar en dificultades en la deposición de capas adicionales, el vidrio de silicato de fósforo (PSG) se utiliza para las interláminas. Por lo tanto, la fosfina se añade a SiH4y O2, de modo que el óxido depositado contenga 4 a 8 % de fósforo. Una alta cantidad de fósforo conduce a un alto aumento de las propiedades de flujo, sin embargo, se puede formar ácido fosfórico que corroe el aluminio (trayectorias conductoras).
Debido a que el recocido afecta a procesos anteriores (por ejemplo, dopaje), solo el revenido corto se realiza con lámparas de argón potentes (varios hundrets kW, menos de 10s, T = 1100 ° C) en lugar de recocido en procesos de horno longsome.
Análogo al boro PSG se puede añadir simultáneamente (vidrio de silicato de fósforo de boro, BPSG, 4 % B y 4 % P).
Ilustración de un reactor APCVD horizontal
En LPCVD se utiliza un vacío. Películas delgadas de nitruro de silicio (Si3N4), oxynitride del silicio (SiON), SiO2und tungsteno (W) se puede crear. Los procesos lpcvd permiten una alta conformidad de casi 1. Esto se debe a la baja presión de 10 a 100 Pa (presión atmosférica = 100.000 Pa) que conduce a un movimiento no uniforme de las partículas. Las partículas se dispersan debido a colisiones y cubren superficies verticales, así como horizontales. La conformidad está respaldada por una alta temperatura de hasta 900 °C. En comparación con APCVD la densidad y estabilidad es muy alta.
Las reacciones para Si3N4, SiON, SiO2y tungsteno son los siguientes:
a) Si3N4(850 °C): 4NH3+ 3SiH2Cl2→Si3N4+ 6HCl + 6H2
b) SiON (900 °C): NH3+ SiH2Cl2+ N2O→Si3N4+ Nebenprodukte
c) SiO2(°C 700): SiO4C8h20→SiO2+ Nebenprodukte
d) Wolfram (400 °C): WF6+ 3H2→Anchura + 6HF
En contraste con los precursores gaseosos que se utilizan para si3N4, SiON y tungsteno, tetraetilo líquido ortosilicato se utiliza para SiO2. Además hay otras fuentes líquidas como DTBS (SiH2C8h20) o tetrametilciclotetrasiloxano (TMTCS, Si4O4C4h16).
Una película de tungsteno sólo se puede fabricar en silicio desnudo. Por lo tanto, el silano tiene que ser añadido si no hay sustrato de silicio.
Ilustración de un reactor LPCVD para películas TEOS
El PECVD tiene lugar a 250 a 350 °C. Debido a las bajas temperaturas los gases de proceso no pueden ser descompuestos térmicamente. Con un voltaje de alta frecuencia, el gas se transforma en un estado de plasma. El plasma es energético y se dispone en la superficie. Debido a que la metalización, como el aluminio, no se puede exponer a altas temperaturas, el PECVD se utiliza para SiO2y Si3N4deposición en la parte superior de las capas de metal. En lugar de SiH2Cl2 se utiliza silano porque se descompone a menor temperatura. La conformidad no es tan buena como en LPCVD (0.6 a 0.8), sin embargo, la tasa de deposición es mucho más alta (0.5 micras por minuto).
Ilustración de un reactor PECVD
La deposición de capa atómica (ALD) es un proceso de ECV modificado para fabricar películas delgadas. El proceso utiliza varios gases que se llevan a la cámara de proceso alternando. Cada gas reacciona de tal manera que la superficie actual está saturada, y por lo tanto la reacción se detiene. El gas alternativo es capaz de reaccionar con esta superficie de la misma manera. Entre las reacciones de estos gases la cámara se purga con un gas inerte, como nitrógeno o argón. Un proceso simple de ALD podría verse así:
Un ejemplo específico para un proceso ald es la deposición de óxido de aluminio, esto se puede realizar con trimethylaluminum (TMA, C3h9Al) y agua (H2O).
El primer paso es la eliminación de los átomos de hidrógeno que están unidos al oxígeno en la superficie de la oblea. Los grupos metilo (CH3) de TMA puede reaccionar con el hidrógeno para formar metano (CH4). Las moléculas restantes se unen con el oxígeno insaturado.
Si estos átomos están saturados, no más moléculas de TMA pueden reaccionar en la superficie.
La cámara se purga y el vapor de agua posterior se conduce a la cámara. Siempre un átomo del hidrógeno del H2Las moléculas de O ahora pueden reaccionar con los átomos de superficie depositados anteriormente para formar metano, mientras que el anión hidroxilo se une a los átomos de aluminio.
Por lo tanto, hay nuevos átomos de hidrógeno en la superficie que pueden reaccionar en un paso posterior con TMA como al principio.
La deposición de la capa atómica proporciona ventajas significativas sobre otras técnicas de deposición, y por lo tanto es un proceso muy importante para fabricar películas delgadas. Con ALD incluso las estructuras de 3 dimensiones se pueden depositar muy uniformes. Las películas aislantes son posibles, así como las conductoras, que se pueden crear en sustratos de differet (semiconductores, polímeros, ...). El espesor de la película se puede controlar muy preciso por el número de ciclos. Dado que los gases reactivos no se llevan a la cámara simultáneamente, no pueden formar gérmenes justo antes de la deposición real. Así la calidad de las películas es muy alta.
