1. Introducción
El proceso de unir sustancias (materias primas) a la superficie de los materiales del sustrato mediante métodos físicos o químicos se denomina crecimiento de película delgada.
Según diferentes principios de funcionamiento, la deposición de película fina de circuito integrado se puede dividir en:
-Deposición Física de Vapor (PVD);
-Deposición química de vapor (CVD);
-Extensión.
2. Proceso de crecimiento de película delgada
2.1 Proceso físico de deposición de vapor y pulverización catódica.
El proceso de deposición física de vapor (PVD) se refiere al uso de métodos físicos como la evaporación al vacío, la pulverización catódica, el recubrimiento con plasma y la epitaxia por haz molecular para formar una película delgada sobre la superficie de una oblea.
En la industria VLSI, la tecnología PVD más utilizada es la pulverización catódica, que se utiliza principalmente para electrodos e interconexiones metálicas de circuitos integrados. La pulverización catódica es un proceso en el que gases raros [como el argón (Ar)] se ionizan en iones (como Ar+) bajo la acción de un campo eléctrico externo en condiciones de alto vacío y bombardean la fuente material objetivo en un entorno de alto voltaje. eliminando átomos o moléculas del material objetivo y luego llegando a la superficie de la oblea para formar una película delgada después de un proceso de vuelo sin colisiones. Ar tiene propiedades químicas estables y sus iones no reaccionarán químicamente con el material objetivo y la película. A medida que los chips de circuitos integrados entran en la era de la interconexión de cobre de 0,13 μm, la capa de material de barrera de cobre utiliza una película de nitruro de titanio (TiN) o nitruro de tantalio (TaN). La demanda de tecnología industrial ha impulsado la investigación y el desarrollo de la tecnología de pulverización catódica por reacción química, es decir, en la cámara de pulverización catódica, además del Ar, también hay un gas reactivo nitrógeno (N2), de modo que el Ti o Ta bombardeado desde el El material objetivo Ti o Ta reacciona con N2 para generar la película de TiN o TaN requerida.
Hay tres métodos de pulverización catódica comúnmente utilizados: pulverización catódica de CC, pulverización catódica de RF y pulverización catódica con magnetrón. A medida que aumenta la integración de circuitos integrados, aumenta el número de capas de cableado metálico multicapa y la aplicación de la tecnología PVD se vuelve cada vez más extensa. Los materiales PVD incluyen Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu, Ti, Ta, Co, TiN, TaN, Ni, WSi2, etc.
Los procesos de PVD y pulverización catódica generalmente se completan en una cámara de reacción altamente sellada con un grado de vacío de 1×10-7 a 9×10-9 Torr, lo que puede garantizar la pureza del gas durante la reacción; al mismo tiempo, se requiere un alto voltaje externo para ionizar el gas raro y generar un voltaje lo suficientemente alto como para bombardear el objetivo. Los principales parámetros para evaluar los procesos PVD y de pulverización catódica incluyen la cantidad de polvo, así como el valor de resistencia, la uniformidad, el espesor de reflectividad y la tensión de la película formada.
2.2 Proceso de deposición química de vapor y pulverización catódica
La deposición química de vapor (CVD) se refiere a una tecnología de proceso en la que una variedad de reactivos gaseosos con diferentes presiones parciales reaccionan químicamente a una cierta temperatura y presión, y las sustancias sólidas generadas se depositan en la superficie del material del sustrato para obtener la capa fina deseada. película. En el proceso tradicional de fabricación de circuitos integrados, los materiales de película delgada obtenidos son generalmente compuestos como óxidos, nitruros, carburos o materiales como silicio policristalino y silicio amorfo. El crecimiento epitaxial selectivo, que se usa más comúnmente después del nodo de 45 nm, como el crecimiento epitaxial selectivo de SiGe o Si de fuente y drenaje, también es una tecnología CVD.
Esta tecnología puede continuar formando materiales monocristalinos del mismo tipo o similares a la red original sobre un sustrato monocristalino de silicio u otros materiales a lo largo de la red original. El CVD se utiliza ampliamente en el crecimiento de películas dieléctricas aislantes (como SiO2, Si3N4 y SiON, etc.) y películas metálicas (como tungsteno, etc.).
Generalmente, según la clasificación de presión, la CVD se puede dividir en deposición química de vapor a presión atmosférica (APCVD), deposición química de vapor a presión subatmosférica (SAPCVD) y deposición química de vapor a baja presión (LPCVD).
Según la clasificación de temperatura, CVD se puede dividir en deposición química de vapor de película de óxido de alta temperatura/baja temperatura (HTO/LTO CVD) y deposición química térmica rápida de vapor (Rapid Thermal CVD, RTCVD);
Según la fuente de reacción, el CVD se puede dividir en CVD a base de silano, CVD a base de poliéster (CVD a base de TEOS) y deposición química de vapor metalorgánico (MOCVD);
Según la clasificación energética, la CVD se puede dividir en deposición química de vapor térmica (CVD térmica), deposición química de vapor mejorada con plasma (CVD mejorada con plasma, PECVD) y deposición química de vapor con plasma de alta densidad (CVD con plasma de alta densidad, HDPCVD). Recientemente, también se ha desarrollado la deposición química de vapor fluida (CVD fluida, FCVD) con una excelente capacidad de llenado de huecos.
Las diferentes películas cultivadas con CVD tienen diferentes propiedades (como composición química, constante dieléctrica, tensión, tensión y voltaje de ruptura) y pueden usarse por separado según los diferentes requisitos del proceso (como temperatura, cobertura de pasos, requisitos de llenado, etc.).
2.3 Proceso de deposición de capas atómicas
La deposición de capas atómicas (ALD) se refiere a la deposición de átomos capa por capa sobre un material de sustrato mediante el crecimiento de una única película atómica capa por capa. Un ALD típico adopta el método de introducir precursores gaseosos en el reactor de forma pulsada alterna.
Por ejemplo, primero, el precursor de reacción 1 se introduce en la superficie del sustrato y, después de la adsorción química, se forma una única capa atómica sobre la superficie del sustrato; luego, el precursor 1 que queda en la superficie del sustrato y en la cámara de reacción se bombea hacia afuera mediante una bomba de aire; luego, el precursor de reacción 2 se introduce en la superficie del sustrato y reacciona químicamente con el precursor 1 adsorbido en la superficie del sustrato para generar el correspondiente material de película delgada y los correspondientes subproductos en la superficie del sustrato; cuando el precursor 1 reacciona completamente, la reacción terminará automáticamente, que es la característica autolimitante de ALD, y luego los reactivos y subproductos restantes se extraen para prepararse para la siguiente etapa de crecimiento; repitiendo el proceso anterior continuamente, se puede lograr la deposición de materiales de película delgada que crecen capa por capa con átomos individuales.
Tanto ALD como CVD son formas de introducir una fuente de reacción química gaseosa para reaccionar químicamente en la superficie del sustrato, pero la diferencia es que la fuente de reacción gaseosa de CVD no tiene la característica de crecimiento autolimitado. Se puede ver que la clave para desarrollar la tecnología ALD es encontrar precursores con propiedades de reacción autolimitantes.
2.4 Proceso epitaxial
El proceso epitaxial se refiere al proceso de hacer crecer una capa monocristalina completamente ordenada sobre un sustrato. En términos generales, el proceso epitaxial consiste en hacer crecer una capa de cristal con la misma orientación reticular que el sustrato original sobre un sustrato de cristal único. El proceso epitaxial se usa ampliamente en la fabricación de semiconductores, como obleas de silicio epitaxial en la industria de circuitos integrados, crecimiento epitaxial de fuente integrada y drenaje de transistores MOS, crecimiento epitaxial en sustratos LED, etc.
Según los diferentes estados de fase de la fuente de crecimiento, los métodos de crecimiento epitaxial se pueden dividir en epitaxia en fase sólida, epitaxia en fase líquida y epitaxia en fase vapor. En la fabricación de circuitos integrados, los métodos epitaxiales comúnmente utilizados son la epitaxia en fase sólida y la epitaxia en fase vapor.
Epitaxia en fase sólida: se refiere al crecimiento de una capa monocristalina sobre un sustrato utilizando una fuente sólida. Por ejemplo, el recocido térmico después de la implantación de iones es en realidad un proceso de epitaxia en fase sólida. Durante la implantación de iones, los átomos de silicio de la oblea de silicio son bombardeados por iones implantados de alta energía, abandonando sus posiciones originales de la red y volviéndose amorfos, formando una capa superficial de silicio amorfo. Después del recocido térmico a alta temperatura, los átomos amorfos regresan a sus posiciones reticulares y permanecen consistentes con la orientación del cristal atómico dentro del sustrato.
Los métodos de crecimiento de la epitaxia en fase de vapor incluyen la epitaxia química en fase de vapor, la epitaxia de haz molecular, la epitaxia de capa atómica, etc. En la fabricación de circuitos integrados, la epitaxia química en fase de vapor es la más comúnmente utilizada. El principio de la epitaxia química en fase de vapor es básicamente el mismo que el de la deposición química de vapor. Ambos son procesos que depositan películas delgadas al reaccionar químicamente en la superficie de las obleas después de la mezcla de gases.
La diferencia es que debido a que la epitaxia química en fase de vapor genera una capa de cristal único, tiene mayores requisitos para el contenido de impurezas en el equipo y la limpieza de la superficie de la oblea. El proceso químico inicial de silicio epitaxial en fase de vapor debe llevarse a cabo en condiciones de alta temperatura (superiores a 1000 °C). Con la mejora de los equipos de proceso, especialmente la adopción de la tecnología de cámara de intercambio de vacío, la limpieza de la cavidad del equipo y la superficie de la oblea de silicio ha mejorado considerablemente, y la epitaxia del silicio se puede llevar a cabo a una temperatura más baja (600-700° DO). El proceso de oblea de silicio epitaxial consiste en hacer crecer una capa de silicio monocristalino en la superficie de la oblea de silicio.
En comparación con el sustrato de silicio original, la capa de silicio epitaxial tiene mayor pureza y menos defectos de red, lo que mejora el rendimiento de la fabricación de semiconductores. Además, el espesor de crecimiento y la concentración de dopaje de la capa de silicio epitaxial que crece sobre la oblea de silicio se pueden diseñar de manera flexible, lo que aporta flexibilidad al diseño del dispositivo, como reducir la resistencia del sustrato y mejorar el aislamiento del sustrato. El proceso epitaxial de fuente-drenaje integrado es una tecnología ampliamente utilizada en nodos de tecnología lógica avanzada.
Se refiere al proceso de crecimiento epitaxial de silicio o germanio dopado en las regiones de fuente y drenaje de los transistores MOS. Las principales ventajas de introducir el proceso epitaxial fuente-drenaje integrado incluyen: hacer crecer una capa pseudocristalina que contiene tensión debido a la adaptación de la red, mejorando la movilidad del portador del canal; El dopaje in situ de la fuente y el drenaje puede reducir la resistencia parásita de la unión fuente-drenaje y reducir los defectos de la implantación de iones de alta energía.
3. equipo de crecimiento de película delgada
3.1 Equipos de evaporación al vacío
La evaporación al vacío es un método de recubrimiento que calienta materiales sólidos en una cámara de vacío para hacer que se evaporen, vaporicen o sublimen, y luego se condensen y depositen en la superficie de un material sustrato a una temperatura determinada.
Por lo general, consta de tres partes: el sistema de vacío, el sistema de evaporación y el sistema de calefacción. El sistema de vacío consta de tuberías de vacío y bombas de vacío, y su función principal es proporcionar un ambiente de vacío calificado para la evaporación. El sistema de evaporación consta de una mesa de evaporación, un componente de calentamiento y un componente de medición de temperatura.
El material objetivo a evaporar (como Ag, Al, etc.) se coloca sobre la mesa de evaporación; el componente de calefacción y medición de temperatura es un sistema de circuito cerrado que se utiliza para controlar la temperatura de evaporación para garantizar una evaporación suave. El sistema de calefacción consta de una etapa de oblea y un componente calefactor. La etapa de oblea se usa para colocar el sustrato sobre el cual se debe evaporar la película delgada, y el componente de calentamiento se usa para realizar el calentamiento del sustrato y el control de retroalimentación de la medición de la temperatura.
El ambiente de vacío es una condición muy importante en el proceso de evaporación al vacío, que está relacionada con la tasa de evaporación y la calidad de la película. Si el grado de vacío no cumple con los requisitos, los átomos o moléculas vaporizados chocarán frecuentemente con las moléculas de gas residual, haciendo que su camino libre medio sea más pequeño, y los átomos o moléculas se dispersarán severamente, cambiando así la dirección del movimiento y reduciendo la película. tasa de formación.
Además, debido a la presencia de moléculas de gas de impureza residual, la película depositada está seriamente contaminada y es de mala calidad, especialmente cuando la tasa de aumento de presión de la cámara no cumple con el estándar y hay fugas, el aire se filtrará hacia la cámara de vacío. , lo que tendrá un grave impacto en la calidad de la película.
Las características estructurales de los equipos de evaporación al vacío determinan que la uniformidad del recubrimiento sobre sustratos de gran tamaño sea pobre. Para mejorar su uniformidad, generalmente se adopta el método de aumentar la distancia fuente-sustrato y rotar el sustrato, pero aumentar la distancia fuente-sustrato sacrificará la tasa de crecimiento y la pureza de la película. Al mismo tiempo, debido al aumento del espacio de vacío, se reduce la tasa de utilización del material evaporado.
3.2 Equipo de deposición física de vapor de CC
La deposición física de vapor de corriente continua (DCPVD) también se conoce como pulverización catódica o pulverización catódica de dos etapas con CC al vacío. El material objetivo de la pulverización catódica con CC al vacío se utiliza como cátodo y el sustrato se utiliza como ánodo. La pulverización catódica al vacío consiste en formar un plasma ionizando el gas de proceso.
Las partículas cargadas del plasma se aceleran en el campo eléctrico para obtener una determinada cantidad de energía. Las partículas bombardean con suficiente energía la superficie del material objetivo, de modo que los átomos objetivo son expulsados; Los átomos pulverizados con cierta energía cinética se mueven hacia el sustrato para formar una película delgada sobre la superficie del sustrato. El gas utilizado para la pulverización catódica es generalmente un gas raro, como el argón (Ar), por lo que la película formada mediante la pulverización catódica no se contaminará; Además, el radio atómico del argón es más adecuado para la pulverización catódica.
El tamaño de las partículas pulverizadas debe ser cercano al tamaño de los átomos objetivo que se van a pulverizar. Si las partículas son demasiado grandes o demasiado pequeñas, no se puede formar una pulverización eficaz. Además del factor de tamaño del átomo, el factor de masa del átomo también afectará la calidad de la pulverización catódica. Si la fuente de partículas que chisporrotea es demasiado ligera, los átomos objetivo no serán chisporroteados; Si las partículas que chisporrotean son demasiado pesadas, el objetivo se “doblará” y no se chisporroteará.
El material objetivo utilizado en DCPVD debe ser un conductor. Esto se debe a que cuando los iones de argón en el gas de proceso bombardean el material objetivo, se recombinarán con los electrones de la superficie del material objetivo. Cuando el material objetivo es un conductor como un metal, los electrones consumidos por esta recombinación se reponen más fácilmente mediante la fuente de alimentación y los electrones libres en otras partes del material objetivo a través de la conducción eléctrica, de modo que la superficie del material objetivo como El conjunto permanece cargado negativamente y se mantiene la chisporroteo.
Por el contrario, si el material objetivo es un aislante, después de que los electrones en la superficie del material objetivo se recombinan, los electrones libres en otras partes del material objetivo no pueden reponerse mediante conducción eléctrica, e incluso se acumularán cargas positivas en el material objetivo. superficie del material objetivo, lo que hace que el potencial del material objetivo aumente y la carga negativa del material objetivo se debilita hasta que desaparece, lo que finalmente conduce a la terminación de la pulverización catódica.
Por lo tanto, para hacer que los materiales aislantes también se puedan utilizar para la pulverización catódica, es necesario encontrar otro método de pulverización catódica. La pulverización catódica por radiofrecuencia es un método de pulverización adecuado tanto para objetivos conductores como no conductores.
Otra desventaja del DCPVD es que el voltaje de ignición es alto y el bombardeo de electrones sobre el sustrato es fuerte. Una forma eficaz de resolver este problema es utilizar pulverización catódica con magnetrón, por lo que la pulverización catódica con magnetrón es realmente de valor práctico en el campo de los circuitos integrados.
3.3 Equipos de deposición física de vapor por RF
La deposición física de vapor por radiofrecuencia (RFPVD) utiliza energía de radiofrecuencia como fuente de excitación y es un método de PVD adecuado para una variedad de materiales metálicos y no metálicos.
Las frecuencias comunes de la fuente de alimentación de RF utilizadas en RFPVD son 13,56 MHz, 20 MHz y 60 MHz. Los ciclos positivo y negativo de la fuente de alimentación de RF aparecen alternativamente. Cuando el objetivo de PVD está en el medio ciclo positivo, debido a que la superficie del objetivo tiene un potencial positivo, los electrones en la atmósfera del proceso fluirán hacia la superficie del objetivo para neutralizar la carga positiva acumulada en su superficie e incluso continuarán acumulando electrones. hacer que su superficie esté sesgada negativamente; Cuando el objetivo de pulverización está en el medio ciclo negativo, los iones positivos se moverán hacia el objetivo y serán parcialmente neutralizados en la superficie del objetivo.
Lo más crítico es que la velocidad de movimiento de los electrones en el campo eléctrico de RF es mucho más rápida que la de los iones positivos, mientras que el tiempo de los semiciclos positivo y negativo es el mismo, por lo que después de un ciclo completo, la superficie objetivo será “neto” cargado negativamente. Por tanto, en los primeros ciclos, la carga negativa de la superficie objetivo muestra una tendencia creciente; posteriormente, la superficie objetivo alcanza un potencial negativo estable; a partir de entonces, debido a que la carga negativa del objetivo tiene un efecto repulsivo sobre los electrones, la cantidad de cargas positivas y negativas recibidas por el electrodo objetivo tiende a equilibrarse y el objetivo presenta una carga negativa estable.
Del proceso anterior, se puede ver que el proceso de formación de voltaje negativo no tiene nada que ver con las propiedades del material objetivo en sí, por lo que el método RFPVD no solo puede resolver el problema de la pulverización catódica de objetivos aislantes, sino que también es muy compatible. con objetivos conductores metálicos convencionales.
3.4 Equipos de pulverización catódica con magnetrón
La pulverización catódica con magnetrón es un método PVD que agrega imanes a la parte posterior del objetivo. Los imanes agregados y el sistema de fuente de alimentación de CC (o fuente de alimentación de CA) forman una fuente de pulverización catódica de magnetrón. La fuente de pulverización se utiliza para formar un campo electromagnético interactivo en la cámara, capturar y limitar el rango de movimiento de los electrones en el plasma dentro de la cámara, extender la trayectoria de movimiento de los electrones y así aumentar la concentración del plasma y, en última instancia, lograr más declaración.
Además, debido a que hay más electrones unidos cerca de la superficie del objetivo, se reduce el bombardeo del sustrato por electrones y se reduce la temperatura del sustrato. En comparación con la tecnología DCPVD de placa plana, una de las características más obvias de la tecnología de deposición física de vapor por magnetrón es que el voltaje de descarga de ignición es más bajo y más estable.
Debido a su mayor concentración de plasma y mayor rendimiento de pulverización, puede lograr una excelente eficiencia de deposición, control del espesor de la deposición en un rango de tamaño grande, control preciso de la composición y menor voltaje de ignición. Por lo tanto, la pulverización catódica con magnetrón ocupa una posición dominante en la actual película metálica PVD. El diseño de fuente de pulverización catódica con magnetrón más simple es colocar un grupo de imanes en la parte posterior del objetivo plano (fuera del sistema de vacío) para generar un campo magnético paralelo a la superficie del objetivo en un área local de la superficie del objetivo.
Si se coloca un imán permanente, su campo magnético es relativamente fijo, lo que da como resultado una distribución del campo magnético relativamente fija en la superficie objetivo de la cámara. Sólo se pulverizan materiales en áreas específicas del objetivo, la tasa de utilización del objetivo es baja y la uniformidad de la película preparada es pobre.
Existe una cierta probabilidad de que el metal pulverizado u otras partículas de material se depositen nuevamente en la superficie objetivo, agregándose así en partículas y formando contaminación por defectos. Por lo tanto, las fuentes comerciales de pulverización catódica con magnetrón utilizan principalmente un diseño de imán giratorio para mejorar la uniformidad de la película, la tasa de utilización del objetivo y la pulverización catódica completa del objetivo.
Es crucial equilibrar estos tres factores. Si la balanza no se maneja bien, puede resultar en una buena uniformidad de la película y al mismo tiempo reducir en gran medida la tasa de utilización objetivo (acortando la vida útil del objetivo), o no lograr el objetivo completo de pulverización o corrosión total del objetivo, lo que causará problemas de partículas durante el proceso de pulverización. proceso.
En la tecnología PVD del magnetrón, es necesario considerar el mecanismo de movimiento del imán giratorio, la forma del objetivo, el sistema de enfriamiento del objetivo y la fuente de pulverización catódica del magnetrón, así como la configuración funcional de la base que transporta la oblea, como la adsorción de la oblea y el control de temperatura. En el proceso PVD, la temperatura de la oblea se controla para obtener la estructura cristalina, el tamaño de grano y la orientación requeridos, así como la estabilidad del rendimiento.
Dado que la conducción de calor entre la parte posterior de la oblea y la superficie de la base requiere una cierta presión, generalmente del orden de varios Torr, y la presión de trabajo de la cámara suele ser del orden de varios mTorr, la presión en la parte posterior La presión de la oblea es mucho mayor que la presión sobre la superficie superior de la oblea, por lo que se necesita un mandril mecánico o un mandril electrostático para posicionar y limitar la oblea.
El mandril mecánico se apoya en su propio peso y en el borde de la oblea para realizar esta función. Aunque tiene las ventajas de una estructura simple y una insensibilidad al material de la oblea, el efecto de borde de la oblea es obvio, lo que no favorece el control estricto de las partículas. Por lo tanto, ha sido reemplazado gradualmente por un mandril electrostático en el proceso de fabricación de circuitos integrados.
Para procesos que no son particularmente sensibles a la temperatura, también se puede utilizar un método de estantería sin contacto y sin adsorción (sin diferencia de presión entre las superficies superior e inferior de la oblea). Durante el proceso PVD se depositará y cubrirá el revestimiento de la cámara y la superficie de las piezas en contacto con el plasma. Cuando el espesor de la película depositada excede el límite, la película se agrietará y se desprenderá, provocando problemas de partículas.
Por tanto, el tratamiento superficial de piezas como el revestimiento es la clave para ampliar este límite. El chorro de arena de la superficie y la pulverización de aluminio son dos métodos comúnmente utilizados, cuyo propósito es aumentar la rugosidad de la superficie para fortalecer la unión entre la película y la superficie del revestimiento.
3.5 Equipo de deposición física de vapor por ionización
Con el desarrollo continuo de la tecnología microelectrónica, los tamaños de las características son cada vez más pequeños. Dado que la tecnología PVD no puede controlar la dirección de deposición de las partículas, la capacidad del PVD para entrar a través de orificios y canales estrechos con relaciones de aspecto altas es limitada, lo que hace que la aplicación ampliada de la tecnología PVD tradicional sea cada vez más desafiante. En el proceso PVD, a medida que aumenta la relación de aspecto de la ranura de poro, la cobertura en la parte inferior disminuye, formando una estructura sobresaliente similar a un alero en la esquina superior y formando la cobertura más débil en la esquina inferior.
Para resolver este problema se desarrolló la tecnología de deposición física de vapor ionizado. Primero plasmatiza los átomos metálicos pulverizados desde el objetivo de diferentes maneras y luego ajusta el voltaje de polarización cargado en la oblea para controlar la dirección y la energía de los iones metálicos para obtener un flujo de iones metálicos direccional estable para preparar una película delgada, mejorando así la cobertura de la parte inferior de los escalones de alta relación de aspecto a través de agujeros y canales estrechos.
La característica típica de la tecnología de plasma de metal ionizado es la adición de una bobina de radiofrecuencia en la cámara. Durante el proceso, la presión de trabajo de la cámara se mantiene en un estado relativamente alto (de 5 a 10 veces la presión de trabajo normal). Durante la PVD, la bobina de radiofrecuencia se utiliza para generar la segunda región de plasma, en la que la concentración de plasma de argón aumenta con el aumento de la potencia de radiofrecuencia y la presión del gas. Cuando los átomos metálicos expulsados del objetivo pasan a través de esta región, interactúan con el plasma de argón de alta densidad para formar iones metálicos.
La aplicación de una fuente de RF en el portador de la oblea (como un mandril electrostático) puede aumentar la polarización negativa en la oblea para atraer iones positivos metálicos al fondo de la ranura del poro. Este flujo direccional de iones metálicos perpendicular a la superficie de la oblea mejora la cobertura del fondo del escalón de poros de alta relación de aspecto y canales estrechos.
La polarización negativa aplicada a la oblea también hace que los iones bombardeen la superficie de la oblea (pulverización inversa), lo que debilita la estructura sobresaliente de la boca de la ranura del poro y pulveriza la película depositada en la parte inferior sobre las paredes laterales en las esquinas del fondo del poro. ranura, mejorando así la cobertura del escalón en las esquinas.
3.6 Equipo de deposición química de vapor a presión atmosférica
El equipo de deposición química de vapor a presión atmosférica (APCVD) se refiere a un dispositivo que rocía una fuente de reacción gaseosa a una velocidad constante sobre la superficie de un sustrato sólido calentado en un ambiente con una presión cercana a la presión atmosférica, lo que hace que la fuente de reacción reaccione químicamente. la superficie del sustrato, y el producto de reacción se deposita sobre la superficie del sustrato para formar una película delgada.
El equipo APCVD es el primer equipo CVD y todavía se utiliza ampliamente en la producción industrial y la investigación científica. El equipo APCVD se puede utilizar para preparar películas delgadas como silicio monocristalino, silicio policristalino, dióxido de silicio, óxido de zinc, dióxido de titanio, vidrio de fosfosilicato y vidrio de borofossilicato.
3.7 Equipos de deposición de vapor químico de baja presión
El equipo de deposición química de vapor a baja presión (LPCVD) se refiere a equipos que utilizan materias primas gaseosas para reaccionar químicamente en la superficie de un sustrato sólido en un ambiente calentado (350-1100 °C) y de baja presión (10-100 mTorr), y Los reactivos se depositan sobre la superficie del sustrato para formar una película delgada. El equipo LPCVD se desarrolla sobre la base de APCVD para mejorar la calidad de películas delgadas, mejorar la uniformidad de distribución de parámetros característicos como el espesor de la película y la resistividad, y mejorar la eficiencia de producción.
Su característica principal es que en un entorno de campo térmico de baja presión, el gas de proceso reacciona químicamente en la superficie del sustrato de la oblea y los productos de la reacción se depositan en la superficie del sustrato para formar una película delgada. El equipo LPCVD tiene ventajas en la preparación de películas delgadas de alta calidad y puede usarse para preparar películas delgadas como óxido de silicio, nitruro de silicio, polisilicio, carburo de silicio, nitruro de galio y grafeno.
En comparación con el APCVD, el entorno de reacción de baja presión del equipo LPCVD aumenta el recorrido libre medio y el coeficiente de difusión del gas en la cámara de reacción.
Las moléculas del gas de reacción y del gas portador en la cámara de reacción se pueden distribuir uniformemente en poco tiempo, mejorando así en gran medida la uniformidad del espesor de la película, la uniformidad de la resistividad y la cobertura de los pasos de la película, y el consumo de gas de reacción también es pequeño. Además, el entorno de baja presión también acelera la velocidad de transmisión de sustancias gaseosas. Las impurezas y los subproductos de reacción difundidos desde el sustrato se pueden sacar rápidamente de la zona de reacción a través de la capa límite, y el gas de reacción pasa rápidamente a través de la capa límite para llegar a la superficie del sustrato para la reacción, suprimiendo así eficazmente el autodopaje, preparando películas de alta calidad con zonas de transición pronunciadas y también mejorando la eficiencia de producción.
3.8 Equipo de deposición química de vapor mejorado con plasma
La deposición química de vapor mejorada con plasma (PECVD) es una técnica ampliamente utilizada.Tecnología de deposición de película Hin. Durante el proceso del plasma, el precursor gaseoso se ioniza bajo la acción del plasma para formar grupos activos excitados, que se difunden a la superficie del sustrato y luego sufren reacciones químicas para completar el crecimiento de la película.
Según la frecuencia de generación del plasma, el plasma utilizado en PECVD se puede dividir en dos tipos: plasma de radiofrecuencia (plasma RF) y plasma de microondas (plasma de microondas). En la actualidad, la frecuencia de radio utilizada en la industria es generalmente de 13,56 MHz.
La introducción de plasma de radiofrecuencia se suele dividir en dos tipos: acoplamiento capacitivo (CCP) y acoplamiento inductivo (ICP). El método de acoplamiento capacitivo suele ser un método de reacción de plasma directo; mientras que el método de acoplamiento inductivo puede ser un método de plasma directo o un método de plasma remoto.
En los procesos de fabricación de semiconductores, el PECVD se utiliza a menudo para hacer crecer películas delgadas sobre sustratos que contienen metales u otras estructuras sensibles a la temperatura. Por ejemplo, en el campo de la interconexión metálica final de circuitos integrados, dado que las estructuras de fuente, compuerta y drenaje del dispositivo se han formado en el proceso frontal, el crecimiento de películas delgadas en el campo de la interconexión metálica está sujeto. a limitaciones de presupuesto térmico muy estrictas, por lo que normalmente se completa con asistencia de plasma. Al ajustar los parámetros del proceso de plasma, la densidad, la composición química, el contenido de impurezas, la tenacidad mecánica y los parámetros de tensión de la película delgada cultivada por PECVD se pueden ajustar y optimizar dentro de un cierto rango.
3.9 Equipo de deposición de capas atómicas
La deposición de capas atómicas (ALD) es una tecnología de deposición de películas delgadas que crece periódicamente en forma de una capa cuasi monoatómica. Su característica es que el espesor de la película depositada se puede ajustar con precisión controlando el número de ciclos de crecimiento. A diferencia del proceso de deposición química de vapor (CVD), los dos (o más) precursores del proceso ALD pasan alternativamente a través de la superficie del sustrato y se aíslan eficazmente mediante la purga de gas raro.
Los dos precursores no se mezclarán ni se encontrarán en la fase gaseosa para reaccionar químicamente, sino que solo reaccionarán mediante adsorción química en la superficie del sustrato. En cada ciclo de ALD, la cantidad de precursor adsorbido en la superficie del sustrato está relacionada con la densidad de los grupos activos en la superficie del sustrato. Cuando se agotan los grupos reactivos en la superficie del sustrato, incluso si se introduce un exceso de precursor, no se producirá adsorción química en la superficie del sustrato.
Este proceso de reacción se denomina reacción superficial autolimitante. Este mecanismo de proceso hace que el espesor de la película que crece en cada ciclo del proceso ALD sea constante, por lo que el proceso ALD tiene las ventajas de un control preciso del espesor y una buena cobertura de los pasos de la película.
3.10 Equipo de epitaxia de haz molecular
El sistema Molecular Beam Epitaxy (MBE) se refiere a un dispositivo epitaxial que utiliza uno o más haces atómicos o haces moleculares de energía térmica para rociar sobre la superficie del sustrato calentado a una cierta velocidad en condiciones de vacío ultra alto, y adsorberse y migrar sobre la superficie del sustrato. para hacer crecer epitaxialmente películas delgadas de monocristal a lo largo de la dirección del eje del cristal del material del sustrato. Generalmente, bajo la condición de calentamiento mediante un horno de chorro con un escudo térmico, la fuente del haz forma un haz atómico o un haz molecular, y la película crece capa por capa a lo largo de la dirección del eje del cristal del material del sustrato.
Sus características son una baja temperatura de crecimiento epitaxial y el espesor, la interfaz, la composición química y la concentración de impurezas se pueden controlar con precisión a nivel atómico. Aunque MBE se originó a partir de la preparación de películas monocristalinas ultrafinas semiconductoras, su aplicación ahora se ha expandido a una variedad de sistemas de materiales como metales y dieléctricos aislantes, y puede preparar III-V, II-VI, silicio, silicio germanio (SiGe ), grafeno, óxidos y películas orgánicas.
El sistema de epitaxia de haz molecular (MBE) se compone principalmente de un sistema de vacío ultraalto, una fuente de haz molecular, un sistema de calentamiento y fijación de sustrato, un sistema de transferencia de muestras, un sistema de monitoreo in situ, un sistema de control y una prueba. sistema.
El sistema de vacío incluye bombas de vacío (bombas mecánicas, bombas moleculares, bombas de iones y bombas de condensación, etc.) y varias válvulas, que pueden crear un entorno de crecimiento de vacío ultra alto. El grado de vacío generalmente alcanzable es de 10-8 a 10-11 Torr. El sistema de vacío tiene principalmente tres cámaras de trabajo al vacío, a saber, la cámara de inyección de muestras, la cámara de pretratamiento y análisis de superficie, y la cámara de crecimiento.
La cámara de inyección de muestras se utiliza para transferir muestras al mundo exterior para garantizar las condiciones de alto vacío de otras cámaras; la cámara de pretratamiento y análisis de superficie conecta la cámara de inyección de muestra y la cámara de crecimiento, y su función principal es preprocesar la muestra (desgasificación a alta temperatura para garantizar la limpieza completa de la superficie del sustrato) y realizar un análisis preliminar de la superficie del muestra limpia; La cámara de crecimiento es la parte central del sistema MBE, compuesta principalmente por un horno fuente y su correspondiente conjunto de obturador, una consola de control de muestras, un sistema de enfriamiento, un sistema de difracción de electrones de alta energía por reflexión (RHEED) y un sistema de monitoreo in situ. . Algunos equipos MBE de producción tienen múltiples configuraciones de cámaras de crecimiento. El diagrama esquemático de la estructura del equipo MBE se muestra a continuación:
MBE de material de silicio utiliza silicio de alta pureza como materia prima, crece en condiciones de vacío ultra alto (10-10 ～ 10-11 Torr) y la temperatura de crecimiento es de 600 ～ 900 ℃, con Ga (tipo P) y Sb ( Tipo N) como fuentes de dopaje. Las fuentes de dopaje comúnmente utilizadas, como P, As y B, rara vez se utilizan como fuentes de haz porque son difíciles de evaporar.
La cámara de reacción de MBE tiene un ambiente de vacío ultra alto, lo que aumenta el camino libre medio de las moléculas y reduce la contaminación y la oxidación en la superficie del material en crecimiento. El material epitaxial preparado tiene buena morfología y uniformidad de superficie y puede convertirse en una estructura multicapa con diferentes dopajes o diferentes componentes de material.
La tecnología MBE logra el crecimiento repetido de capas epitaxiales ultrafinas con un espesor de una sola capa atómica, y la interfaz entre las capas epitaxiales es pronunciada. Promueve el crecimiento de semiconductores III-V y otros materiales heterogéneos de múltiples componentes. En la actualidad, el sistema MBE se ha convertido en un equipo de proceso avanzado para la producción de una nueva generación de dispositivos de microondas y dispositivos optoelectrónicos. Las desventajas de la tecnología MBE son la lenta tasa de crecimiento de la película, los altos requisitos de vacío y los altos costos de uso de equipos y equipos.
3.11 Sistema de epitaxia en fase de vapor
El sistema de epitaxia en fase de vapor (VPE) se refiere a un dispositivo de crecimiento epitaxial que transporta compuestos gaseosos a un sustrato y obtiene una capa de material monocristalino con la misma disposición reticular que el sustrato a través de reacciones químicas. La capa epitaxial puede ser una capa homoepitaxial (Si/Si) o una capa heteroepitaxial (SiGe/Si, SiC/Si, GaN/Al2O3, etc.). Actualmente, la tecnología VPE se ha utilizado ampliamente en los campos de la preparación de nanomateriales, dispositivos de energía, dispositivos optoelectrónicos semiconductores, energía solar fotovoltaica y circuitos integrados.
El VPE típico incluye epitaxia a presión atmosférica y epitaxia a presión reducida, deposición química de vapor de vacío ultraalto, deposición química de vapor de metal orgánico, etc. Los puntos clave en la tecnología VPE son el diseño de la cámara de reacción, el modo y la uniformidad del flujo de gas, la uniformidad de la temperatura y el control de precisión. control de presión y estabilidad, control de partículas y defectos, etc.
En la actualidad, la dirección de desarrollo de los principales sistemas comerciales VPE es la carga de obleas grandes, el control completamente automático y el monitoreo en tiempo real de la temperatura y el proceso de crecimiento. Los sistemas VPE tienen tres estructuras: vertical, horizontal y cilíndrica. Los métodos de calentamiento incluyen calentamiento por resistencia, calentamiento por inducción de alta frecuencia y calentamiento por radiación infrarroja.
En la actualidad, los sistemas VPE utilizan principalmente estructuras de discos horizontales, que tienen las características de una buena uniformidad del crecimiento de la película epitaxial y una gran carga de oblea. Los sistemas VPE suelen constar de cuatro partes: reactor, sistema de calefacción, sistema de ruta de gas y sistema de control. Debido a que el tiempo de crecimiento de las películas epitaxiales de GaAs y GaN es relativamente largo, se utiliza principalmente calentamiento por inducción y calentamiento por resistencia. En el VPE de silicio, el crecimiento de una película epitaxial gruesa utiliza principalmente calentamiento por inducción; El crecimiento de una película epitaxial delgada utiliza principalmente calentamiento por infrarrojos para lograr el propósito de un rápido aumento o descenso de la temperatura.
3.12 Sistema de epitaxia en fase líquida
El sistema de epitaxia en fase líquida (LPE) se refiere al equipo de crecimiento epitaxial que disuelve el material a cultivar (como Si, Ga, As, Al, etc.) y dopantes (como Zn, Te, Sn, etc.) en un metal con un punto de fusión más bajo (como Ga, In, etc.), de modo que el soluto esté saturado o sobresaturado en el solvente, y luego el sustrato monocristalino se pone en contacto con la solución, y el soluto se precipita del solvente mediante se enfría gradualmente y se hace crecer sobre la superficie del sustrato una capa de material cristalino con una estructura cristalina y una constante de red similar a la del sustrato.
El método LPE fue propuesto por Nelson et al. en 1963. Se utiliza para cultivar películas delgadas de Si y materiales monocristalinos, así como materiales semiconductores como los grupos III-IV y telururo de mercurio y cadmio, y se puede utilizar para fabricar diversos dispositivos optoelectrónicos, dispositivos de microondas, dispositivos semiconductores y células solares. .
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Hora de publicación: 31 de agosto de 2024