1. Introduzione
Il processo di fissaggio delle sostanze (materie prime) alla superficie dei materiali del substrato mediante metodi fisici o chimici è chiamato crescita della pellicola sottile.
Secondo diversi principi di funzionamento, la deposizione di film sottile di circuiti integrati può essere suddivisa in:
-Deposizione fisica da fase vapore (PVD);
-Deposizione chimica da fase vapore (CVD);
-Estensione.
2. Processo di crescita del film sottile
2.1 Deposizione fisica da vapore e processo di sputtering
Il processo di deposizione fisica in fase vapore (PVD) si riferisce all'uso di metodi fisici come l'evaporazione sotto vuoto, lo sputtering, il rivestimento al plasma e l'epitassia a fascio molecolare per formare una pellicola sottile sulla superficie di un wafer.
Nel settore VLSI, la tecnologia PVD più utilizzata è lo sputtering, utilizzato principalmente per elettrodi e interconnessioni metalliche di circuiti integrati. Lo sputtering è un processo in cui gas rari [come l'argon (Ar)] vengono ionizzati in ioni (come Ar+) sotto l'azione di un campo elettrico esterno in condizioni di alto vuoto e bombardano la sorgente materiale bersaglio in un ambiente ad alta tensione, eliminando atomi o molecole del materiale target e quindi arrivando sulla superficie del wafer per formare una pellicola sottile dopo un processo di volo senza collisioni. L'Ar ha proprietà chimiche stabili e i suoi ioni non reagiscono chimicamente con il materiale target e la pellicola. Man mano che i chip dei circuiti integrati entrano nell'era delle interconnessioni in rame da 0,13μm, lo strato di materiale barriera in rame utilizza una pellicola di nitruro di titanio (TiN) o nitruro di tantalio (TaN). La domanda di tecnologia industriale ha promosso la ricerca e lo sviluppo della tecnologia di reazione chimica sputtering, cioè nella camera di sputtering, oltre all'Ar, è presente anche un gas reattivo azoto (N2), in modo che il Ti o Ta bombardato dall'esterno il materiale target Ti o Ta reagisce con N2 per generare la pellicola di TiN o TaN richiesta.
Esistono tre metodi di sputtering comunemente usati, vale a dire lo sputtering DC, lo sputtering RF e lo sputtering magnetron. Poiché l'integrazione dei circuiti integrati continua ad aumentare, il numero di strati di cablaggio metallico multistrato aumenta e l'applicazione della tecnologia PVD sta diventando sempre più estesa. I materiali PVD includono Al-Si, Al-Cu, Al-Si-Cu, Ti, Ta, Co, TiN, TaN, Ni, WSi2, ecc.
I processi PVD e sputtering vengono solitamente completati in una camera di reazione altamente sigillata con un grado di vuoto compreso tra 1×10-7 e 9×10-9 Torr, che può garantire la purezza del gas durante la reazione; allo stesso tempo, è necessaria un'alta tensione esterna per ionizzare il gas raro e generare una tensione sufficientemente elevata da bombardare il bersaglio. I parametri principali per valutare i processi PVD e sputtering includono la quantità di polvere, nonché il valore di resistenza, l'uniformità, lo spessore di riflettività e lo stress del film formato.
2.2 Deposizione chimica da fase vapore e processo di sputtering
La deposizione chimica da fase vapore (CVD) si riferisce a una tecnologia di processo in cui una varietà di reagenti gassosi con diverse pressioni parziali reagiscono chimicamente a una determinata temperatura e pressione e le sostanze solide generate vengono depositate sulla superficie del materiale del substrato per ottenere lo strato sottile desiderato film. Nel tradizionale processo di fabbricazione dei circuiti integrati, i materiali a film sottile ottenuti sono generalmente composti come ossidi, nitruri, carburi, o materiali come silicio policristallino e silicio amorfo. Anche la crescita epitassiale selettiva, che è più comunemente usata dopo il nodo a 45 nm, come SiGe source e drain o crescita epitassiale selettiva Si, è una tecnologia CVD.
Questa tecnologia può continuare a formare materiali monocristallini dello stesso tipo o simili al reticolo originale su un substrato monocristallino di silicio o altri materiali lungo il reticolo originale. La CVD è ampiamente utilizzata nella crescita di film dielettrici isolanti (come SiO2, Si3N4 e SiON, ecc.) e film metallici (come tungsteno, ecc.).
Generalmente, secondo la classificazione della pressione, la CVD può essere suddivisa in deposizione di vapore chimico a pressione atmosferica (APCVD), deposizione di vapore chimico a pressione subatmosferica (SAPCVD) e deposizione di vapore chimico a bassa pressione (LPCVD).
In base alla classificazione della temperatura, la CVD può essere suddivisa in deposizione di vapore chimico con film di ossido ad alta/bassa temperatura (HTO/LTO CVD) e deposizione di vapore chimico termico rapido (Rapid Thermal CVD, RTCVD);
A seconda della fonte di reazione, la CVD può essere suddivisa in CVD a base di silano, CVD a base di poliestere (CVD a base TEOS) e deposizione chimica in fase vapore metallo-organica (MOCVD);
In base alla classificazione energetica, la CVD può essere suddivisa in deposizione termica di vapore chimico (Thermal CVD), deposizione di vapore chimico potenziata dal plasma (Plasma Enhanced CVD, PECVD) e deposizione di vapore chimico al plasma ad alta densità (High Density Plasma CVD, HDPCVD). Recentemente è stata sviluppata anche la deposizione chimica in fase vapore fluida (Flowable CVD, FCVD) con eccellente capacità di riempimento degli spazi.
Diversi film coltivati tramite CVD hanno proprietà diverse (come composizione chimica, costante dielettrica, tensione, stress e tensione di rottura) e possono essere utilizzati separatamente in base ai diversi requisiti di processo (come temperatura, copertura delle fasi, requisiti di riempimento, ecc.).
2.3 Processo di deposizione di strati atomici
La deposizione di strati atomici (ALD) si riferisce alla deposizione di atomi strato per strato su un materiale di substrato facendo crescere un singolo film atomico strato per strato. Un tipico ALD adotta il metodo di immettere precursori gassosi nel reattore in modo pulsato alternato.
Ad esempio, innanzitutto, il precursore di reazione 1 viene introdotto nella superficie del substrato e, dopo l'adsorbimento chimico, sulla superficie del substrato si forma un singolo strato atomico; quindi il precursore 1 rimasto sulla superficie del substrato e nella camera di reazione viene pompato fuori tramite una pompa ad aria; quindi il precursore di reazione 2 viene introdotto nella superficie del substrato e reagisce chimicamente con il precursore 1 adsorbito sulla superficie del substrato per generare il corrispondente materiale a film sottile e i corrispondenti sottoprodotti sulla superficie del substrato; quando il precursore 1 reagisce completamente, la reazione terminerà automaticamente, che è la caratteristica autolimitante dell'ALD, e quindi i restanti reagenti e sottoprodotti verranno estratti per prepararsi alla fase successiva di crescita; ripetendo continuamente il processo di cui sopra, è possibile ottenere la deposizione di materiali a film sottile cresciuti strato per strato con singoli atomi.
Sia ALD che CVD sono modi per introdurre una fonte di reazione chimica gassosa per reagire chimicamente sulla superficie del substrato, ma la differenza è che la fonte di reazione gassosa di CVD non ha la caratteristica di crescita autolimitante. Si può vedere che la chiave per lo sviluppo della tecnologia ALD è trovare precursori con proprietà di reazione autolimitanti.
2.4 Processo epitassiale
Il processo epitassiale si riferisce al processo di crescita di uno strato monocristallino completamente ordinato su un substrato. In generale, il processo epitassiale consiste nel far crescere uno strato cristallino con lo stesso orientamento reticolare del substrato originale su un substrato monocristallino. Il processo epitassiale è ampiamente utilizzato nella produzione di semiconduttori, come wafer di silicio epitassiali nell'industria dei circuiti integrati, crescita epitassiale di source e drain incorporata di transistor MOS, crescita epitassiale su substrati LED, ecc.
In base ai diversi stati di fase della fonte di crescita, i metodi di crescita epitassiale possono essere suddivisi in epitassia in fase solida, epitassia in fase liquida ed epitassia in fase vapore. Nella produzione di circuiti integrati, i metodi epitassiali comunemente utilizzati sono l'epitassia in fase solida e l'epitassia in fase vapore.
Epitassia in fase solida: si riferisce alla crescita di un singolo strato cristallino su un substrato utilizzando una fonte solida. Ad esempio, la ricottura termica dopo l'impianto ionico è in realtà un processo epitassia in fase solida. Durante l'impianto ionico, gli atomi di silicio del wafer di silicio vengono bombardati da ioni impiantati ad alta energia, lasciando le loro posizioni reticolari originali e diventando amorfi, formando uno strato di silicio amorfo superficiale. Dopo la ricottura termica ad alta temperatura, gli atomi amorfi ritornano nelle loro posizioni reticolari e rimangono coerenti con l'orientamento dei cristalli atomici all'interno del substrato.
I metodi di crescita dell'epitassia in fase vapore includono l'epitassia in fase vapore chimica, l'epitassia a fascio molecolare, l'epitassia dello strato atomico, ecc. Nella produzione di circuiti integrati, l'epitassia in fase vapore chimica è quella più comunemente utilizzata. Il principio dell'epitassia in fase vapore chimica è fondamentalmente lo stesso della deposizione chimica da fase vapore. Entrambi sono processi che depositano film sottili reagendo chimicamente sulla superficie dei wafer dopo la miscelazione del gas.
La differenza è che, poiché l'epitassia in fase vapore chimica sviluppa un singolo strato cristallino, ha requisiti più elevati per il contenuto di impurità nell'apparecchiatura e la pulizia della superficie del wafer. Il processo iniziale del silicio epitassiale in fase chimica vapore deve essere eseguito in condizioni di temperatura elevata (superiore a 1000°C). Con il miglioramento delle apparecchiature di processo, in particolare con l'adozione della tecnologia della camera di scambio a vuoto, la pulizia della cavità dell'apparecchiatura e della superficie del wafer di silicio è stata notevolmente migliorata e l'epitassia del silicio può essere eseguita a una temperatura inferiore (600-700° C). Il processo del wafer di silicio epitassiale consiste nel far crescere uno strato di silicio monocristallino sulla superficie del wafer di silicio.
Rispetto al substrato di silicio originale, lo strato di silicio epitassiale ha una purezza più elevata e meno difetti reticolari, migliorando così la resa della produzione dei semiconduttori. Inoltre, lo spessore di crescita e la concentrazione di drogaggio dello strato di silicio epitassiale cresciuto sul wafer di silicio possono essere progettati in modo flessibile, il che apporta flessibilità alla progettazione del dispositivo, ad esempio riducendo la resistenza del substrato e migliorando l'isolamento del substrato. Il processo epitassiale source-drain incorporato è una tecnologia ampiamente utilizzata nei nodi tecnologici logici avanzati.
Si riferisce al processo di crescita epitassiale di silicio o silicio di germanio drogato nelle regioni di source e drain dei transistor MOS. I principali vantaggi dell'introduzione del processo epitassiale source-drain incorporato includono: la crescita di uno strato pseudocristallino contenente stress dovuto all'adattamento del reticolo, migliorando la mobilità del portatore del canale; Il drogaggio in situ della sorgente e del drenaggio può ridurre la resistenza parassita della giunzione sorgente-drain e ridurre i difetti dell'impianto di ioni ad alta energia.
3. apparecchiature per la crescita del film sottile
3.1 Apparecchiature per l'evaporazione sotto vuoto
L'evaporazione sotto vuoto è un metodo di rivestimento che riscalda i materiali solidi in una camera a vuoto per farli evaporare, vaporizzare o sublimare, quindi condensare e depositarsi sulla superficie di un materiale di substrato ad una determinata temperatura.
Di solito è composto da tre parti, vale a dire il sistema di vuoto, il sistema di evaporazione e il sistema di riscaldamento. Il sistema del vuoto è costituito da tubi per vuoto e pompe per vuoto e la sua funzione principale è quella di fornire un ambiente di vuoto qualificato per l'evaporazione. Il sistema di evaporazione è costituito da una tavola di evaporazione, un componente di riscaldamento e un componente di misurazione della temperatura.
Il materiale target da evaporare (come Ag, Al, ecc.) viene posizionato sul tavolo di evaporazione; il componente di riscaldamento e misurazione della temperatura è un sistema a circuito chiuso utilizzato per controllare la temperatura di evaporazione per garantire un'evaporazione regolare. Il sistema di riscaldamento è costituito da uno stadio wafer e da un componente riscaldante. Lo stadio wafer viene utilizzato per posizionare il substrato su cui la pellicola sottile deve essere evaporata e il componente riscaldante viene utilizzato per realizzare il riscaldamento del substrato e il controllo del feedback della misurazione della temperatura.
L'ambiente sottovuoto è una condizione molto importante nel processo di evaporazione sottovuoto, poiché è correlata alla velocità di evaporazione e alla qualità della pellicola. Se il grado di vuoto non soddisfa i requisiti, gli atomi o le molecole vaporizzate entreranno in collisione frequentemente con le molecole di gas residuo, riducendo il loro percorso libero medio e gli atomi o le molecole si disperderanno gravemente, cambiando così la direzione del movimento e riducendo la pellicola tasso di formazione.
Inoltre, a causa della presenza di molecole di gas impure residue, la pellicola depositata è seriamente contaminata e di scarsa qualità, soprattutto quando il tasso di aumento della pressione della camera non soddisfa lo standard e si verificano perdite, l'aria fuoriesce nella camera a vuoto , che avrà un grave impatto sulla qualità del film.
Le caratteristiche strutturali delle apparecchiature di evaporazione sotto vuoto determinano che l'uniformità del rivestimento su substrati di grandi dimensioni sia scarsa. Per migliorarne l'uniformità, viene generalmente adottato il metodo di aumento della distanza sorgente-substrato e di rotazione del substrato, ma l'aumento della distanza sorgente-substrato sacrificherà il tasso di crescita e la purezza della pellicola. Allo stesso tempo, a causa dell'aumento dello spazio vuoto, il tasso di utilizzo del materiale evaporato si riduce.
3.2 Apparecchiature per la deposizione fisica in fase di vapore CC
La deposizione fisica in fase vapore a corrente continua (DCPVD) è anche nota come sputtering catodico o sputtering CC a due stadi sotto vuoto. Il materiale target dello sputtering CC sotto vuoto viene utilizzato come catodo e il substrato viene utilizzato come anodo. Lo sputtering sotto vuoto consiste nel formare un plasma ionizzando il gas di processo.
Le particelle cariche nel plasma vengono accelerate nel campo elettrico per ottenere una certa quantità di energia. Le particelle con energia sufficiente bombardano la superficie del materiale bersaglio, in modo che gli atomi bersaglio vengano espulsi; gli atomi spruzzati con una certa energia cinetica si muovono verso il substrato per formare una pellicola sottile sulla superficie del substrato. Il gas utilizzato per lo sputtering è generalmente un gas raro, come l'argon (Ar), quindi la pellicola formata dallo sputtering non sarà contaminata; inoltre, il raggio atomico dell'argon è più adatto allo sputtering.
La dimensione delle particelle di sputtering deve essere vicina alla dimensione degli atomi bersaglio da spruzzare. Se le particelle sono troppo grandi o troppo piccole, non è possibile formare uno sputtering efficace. Oltre al fattore dimensione dell'atomo, anche il fattore massa dell'atomo influenzerà la qualità dello sputtering. Se la sorgente di particelle di sputtering è troppo leggera, gli atomi bersaglio non verranno spruzzati; se le particelle di sputtering sono troppo pesanti, il bersaglio verrà “piegato” e non verrà spruzzato.
Il materiale target utilizzato nel DCPVD deve essere un conduttore. Questo perché quando gli ioni argon nel gas di processo bombardano il materiale target, si ricombineranno con gli elettroni sulla superficie del materiale target. Quando il materiale target è un conduttore come un metallo, gli elettroni consumati da questa ricombinazione vengono reintegrati più facilmente dall'alimentazione e gli elettroni liberi in altre parti del materiale target attraverso la conduzione elettrica, in modo che la superficie del materiale target come un il tutto rimane carico negativamente e viene mantenuto lo sputtering.
Al contrario, se il materiale target è un isolante, dopo che gli elettroni sulla superficie del materiale target sono stati ricombinati, gli elettroni liberi in altre parti del materiale target non possono essere reintegrati mediante conduzione elettrica e anche le cariche positive si accumuleranno sul materiale target. superficie del materiale target, provocando un aumento del potenziale del materiale target e la carica negativa del materiale target viene indebolita fino a scomparire, portando infine alla cessazione dello sputtering.
Pertanto, per rendere i materiali isolanti utilizzabili anche per lo sputtering, è necessario trovare un altro metodo di sputtering. Lo sputtering a radiofrequenza è un metodo di sputtering adatto sia per target conduttivi che non conduttivi.
Un altro svantaggio del DCPVD è che la tensione di accensione è elevata e il bombardamento elettronico sul substrato è forte. Un modo efficace per risolvere questo problema è utilizzare lo sputtering del magnetron, quindi lo sputtering del magnetron è davvero di valore pratico nel campo dei circuiti integrati.
3.3 Apparecchiature per la deposizione fisica del vapore RF
La deposizione fisica in fase vapore a radiofrequenza (RFPVD) utilizza la potenza a radiofrequenza come fonte di eccitazione ed è un metodo PVD adatto a una varietà di materiali metallici e non metallici.
Le frequenze comuni dell'alimentatore RF utilizzato in RFPVD sono 13,56 MHz, 20 MHz e 60 MHz. I cicli positivo e negativo dell'alimentatore RF appaiono alternativamente. Quando il target PVD si trova nel semiciclo positivo, poiché la superficie del target ha un potenziale positivo, gli elettroni nell'atmosfera del processo fluiranno verso la superficie del target per neutralizzare la carica positiva accumulata sulla sua superficie e continueranno anche ad accumulare elettroni, rendere la sua superficie polarizzata negativamente; quando il bersaglio di sputtering è nel semiciclo negativo, gli ioni positivi si sposteranno verso il bersaglio e saranno parzialmente neutralizzati sulla superficie del bersaglio.
La cosa più critica è che la velocità di movimento degli elettroni nel campo elettrico RF è molto più veloce di quella degli ioni positivi, mentre il tempo dei semicicli positivi e negativi è lo stesso, quindi dopo un ciclo completo, la superficie target sarà “netto” caricato negativamente. Pertanto, nei primi cicli, la carica negativa della superficie bersaglio mostra un andamento crescente; successivamente la superficie bersaglio raggiunge un potenziale negativo stabile; successivamente, poiché la carica negativa del bersaglio ha un effetto repulsivo sugli elettroni, la quantità di cariche positive e negative ricevute dall'elettrodo bersaglio tende a bilanciarsi e il bersaglio presenta una carica negativa stabile.
Dal processo di cui sopra, si può vedere che il processo di formazione della tensione negativa non ha nulla a che fare con le proprietà del materiale target stesso, quindi il metodo RFPVD non solo può risolvere il problema dello sputtering dei target isolanti, ma è anche ben compatibile con bersagli convenzionali con conduttori metallici.
3.4 Attrezzatura per sputtering magnetron
Lo sputtering del magnetron è un metodo PVD che aggiunge magneti sul retro del bersaglio. I magneti aggiunti e il sistema di alimentazione CC (o alimentazione CA) formano una fonte di sputtering del magnetron. La sorgente di sputtering viene utilizzata per formare un campo elettromagnetico interattivo nella camera, catturare e limitare il raggio di movimento degli elettroni nel plasma all'interno della camera, estendere il percorso di movimento degli elettroni e quindi aumentare la concentrazione del plasma e, infine, ottenere di più deposizione.
Inoltre, poiché più elettroni sono legati vicino alla superficie del bersaglio, il bombardamento del substrato da parte degli elettroni viene ridotto e la temperatura del substrato viene ridotta. Rispetto alla tecnologia DCPVD a piastra piatta, una delle caratteristiche più evidenti della tecnologia di deposizione fisica in fase di vapore del magnetron è che la tensione di scarica di accensione è inferiore e più stabile.
Grazie alla maggiore concentrazione di plasma e alla maggiore resa di sputtering, può raggiungere un'eccellente efficienza di deposizione, controllo dello spessore di deposizione in un ampio intervallo di dimensioni, controllo preciso della composizione e tensione di accensione inferiore. Pertanto, lo sputtering del magnetron è in una posizione dominante nell’attuale PVD a film metallico. Il progetto più semplice della sorgente di sputtering del magnetron consiste nel posizionare un gruppo di magneti sul retro del bersaglio piatto (all'esterno del sistema di vuoto) per generare un campo magnetico parallelo alla superficie del bersaglio in un'area locale sulla superficie del bersaglio.
Se viene posizionato un magnete permanente, il suo campo magnetico è relativamente fisso, risultando in una distribuzione del campo magnetico relativamente fissa sulla superficie del bersaglio nella camera. Vengono spruzzati solo i materiali in aree specifiche del target, il tasso di utilizzo del target è basso e l'uniformità della pellicola preparata è scarsa.
Esiste una certa probabilità che le particelle di metallo o di altro materiale spruzzate si depositino nuovamente sulla superficie del bersaglio, aggregandosi così in particelle e formando una contaminazione dei difetti. Pertanto, le sorgenti di sputtering magnetron commerciali utilizzano principalmente un design a magnete rotante per migliorare l'uniformità della pellicola, il tasso di utilizzo del target e lo sputtering completo del target.
È fondamentale bilanciare questi tre fattori. Se il bilanciamento non viene gestito correttamente, il risultato potrebbe essere una buona uniformità della pellicola riducendo notevolmente il tasso di utilizzo del target (accorciandone la durata) o il mancato raggiungimento dello sputtering o della corrosione del target completo, con conseguenti problemi di particelle durante lo sputtering. processo.
Nella tecnologia PVD del magnetron, è necessario considerare il meccanismo di movimento del magnete rotante, la forma del target, il sistema di raffreddamento del target e la sorgente di sputtering del magnetron, nonché la configurazione funzionale della base che trasporta il wafer, come l'adsorbimento del wafer e il controllo della temperatura. Nel processo PVD, la temperatura del wafer viene controllata per ottenere la struttura cristallina, la dimensione e l'orientamento dei grani richiesti, nonché la stabilità delle prestazioni.
Poiché la conduzione del calore tra la parte posteriore del wafer e la superficie della base richiede una certa pressione, solitamente dell'ordine di diversi Torr, e la pressione di esercizio della camera è solitamente dell'ordine di diversi mTorr, la pressione sul retro del wafer è molto maggiore della pressione sulla superficie superiore del wafer, quindi è necessario un mandrino meccanico o un mandrino elettrostatico per posizionare e limitare il wafer.
Per svolgere questa funzione il mandrino meccanico fa affidamento sul proprio peso e sul bordo del wafer. Sebbene presenti i vantaggi di una struttura semplice e di insensibilità al materiale del wafer, l'effetto bordo del wafer è evidente, il che non favorisce il rigoroso controllo delle particelle. Pertanto, è stato gradualmente sostituito da un mandrino elettrostatico nel processo di produzione dei circuiti integrati.
Per i processi che non sono particolarmente sensibili alla temperatura, è possibile utilizzare anche un metodo di scaffalatura senza adsorbimento e senza contatto dei bordi (nessuna differenza di pressione tra le superfici superiore e inferiore del wafer). Durante il processo PVD, il rivestimento della camera e la superficie delle parti a contatto con il plasma verranno depositati e ricoperti. Quando lo spessore della pellicola depositata supera il limite, la pellicola si spezzerà e si staccherà, causando problemi di particelle.
Pertanto, il trattamento superficiale di parti come il rivestimento è la chiave per estendere questo limite. La sabbiatura superficiale e la spruzzatura di alluminio sono due metodi comunemente utilizzati, il cui scopo è aumentare la ruvidità superficiale per rafforzare il legame tra la pellicola e la superficie del rivestimento.
3.5 Apparecchiature per la deposizione fisica del vapore a ionizzazione
Con il continuo sviluppo della tecnologia microelettronica, le dimensioni delle caratteristiche stanno diventando sempre più piccole. Poiché la tecnologia PVD non può controllare la direzione di deposizione delle particelle, la capacità del PVD di entrare attraverso fori e canali stretti con rapporti di aspetto elevati è limitata, rendendo l'applicazione ampliata della tecnologia PVD tradizionale sempre più difficile. Nel processo PVD, all'aumentare delle proporzioni del solco dei pori, la copertura nella parte inferiore diminuisce, formando una struttura sporgente simile a una grondaia nell'angolo superiore e formando la copertura più debole nell'angolo inferiore.
Per risolvere questo problema è stata sviluppata la tecnologia di deposizione fisica del vapore ionizzato. Innanzitutto plasma gli atomi metallici spruzzati dal bersaglio in diversi modi, quindi regola la tensione di polarizzazione caricata sul wafer per controllare la direzione e l'energia degli ioni metallici per ottenere un flusso direzionale stabile di ioni metallici per preparare una pellicola sottile, migliorando così la copertura del fondo dei gradini di proporzioni elevate attraverso fori e canali stretti.
La caratteristica tipica della tecnologia del plasma metallico ionizzato è l'aggiunta di una bobina a radiofrequenza nella camera. Durante il processo, la pressione di esercizio della camera viene mantenuta a un livello relativamente elevato (da 5 a 10 volte la normale pressione di esercizio). Durante il PVD, la bobina a radiofrequenza viene utilizzata per generare la seconda regione del plasma, in cui la concentrazione del plasma di argon aumenta con l'aumento della potenza della radiofrequenza e della pressione del gas. Quando gli atomi di metallo emessi dal bersaglio passano attraverso questa regione, interagiscono con il plasma di argon ad alta densità per formare ioni metallici.
L'applicazione di una sorgente RF al supporto del wafer (come un mandrino elettrostatico) può aumentare la polarizzazione negativa sul wafer per attirare gli ioni metallici positivi sul fondo della scanalatura dei pori. Questo flusso direzionale di ioni metallici perpendicolare alla superficie del wafer migliora la copertura inferiore del gradino dei pori ad alto rapporto d'aspetto e dei canali stretti.
La polarizzazione negativa applicata al wafer fa sì che gli ioni bombardino la superficie del wafer (sputtering inverso), indebolendo la struttura sovrastante l'imboccatura della scanalatura dei pori e spruzzando la pellicola depositata sul fondo sulle pareti laterali agli angoli del fondo del poro. scanalatura, migliorando così la copertura del gradino agli angoli.
3.6 Apparecchiature per la deposizione di vapori chimici a pressione atmosferica
L'apparecchiatura per la deposizione chimica in fase vapore a pressione atmosferica (APCVD) si riferisce a un dispositivo che spruzza una fonte di reazione gassosa a una velocità costante sulla superficie di un substrato solido riscaldato in un ambiente con una pressione prossima alla pressione atmosferica, provocando una reazione chimica della fonte di reazione su la superficie del substrato e il prodotto della reazione viene depositato sulla superficie del substrato per formare una pellicola sottile.
L'apparecchiatura APCVD è la prima apparecchiatura CVD ed è ancora ampiamente utilizzata nella produzione industriale e nella ricerca scientifica. Le apparecchiature APCVD possono essere utilizzate per preparare film sottili come silicio monocristallino, silicio policristallino, biossido di silicio, ossido di zinco, biossido di titanio, vetro fosfosilicato e vetro borofosfosilicato.
3.7 Apparecchiature per la deposizione di vapori chimici a bassa pressione
Le apparecchiature per la deposizione di vapori chimici a bassa pressione (LPCVD) si riferiscono ad apparecchiature che utilizzano materie prime gassose per reagire chimicamente sulla superficie di un substrato solido in un ambiente riscaldato (350-1100°C) e a bassa pressione (10-100 mTorr) e i reagenti si depositano sulla superficie del substrato formando una pellicola sottile. Le apparecchiature LPCVD sono sviluppate sulla base di APCVD per migliorare la qualità dei film sottili, migliorare l'uniformità di distribuzione dei parametri caratteristici come lo spessore del film e la resistività e migliorare l'efficienza della produzione.
La sua caratteristica principale è che in un ambiente con campo termico a bassa pressione, il gas di processo reagisce chimicamente sulla superficie del substrato del wafer e i prodotti della reazione si depositano sulla superficie del substrato per formare una pellicola sottile. Le apparecchiature LPCVD presentano vantaggi nella preparazione di film sottili di alta qualità e possono essere utilizzate per preparare film sottili come ossido di silicio, nitruro di silicio, polisilicio, carburo di silicio, nitruro di gallio e grafene.
Rispetto all'APCVD, l'ambiente di reazione a bassa pressione dell'apparecchiatura LPCVD aumenta il percorso libero medio e il coefficiente di diffusione del gas nella camera di reazione.
Le molecole del gas di reazione e del gas di trasporto nella camera di reazione possono essere distribuite uniformemente in breve tempo, migliorando così notevolmente l'uniformità dello spessore del film, l'uniformità della resistività e la copertura del gradino del film, inoltre anche il consumo di gas di reazione è ridotto. Inoltre, l'ambiente a bassa pressione accelera anche la velocità di trasmissione delle sostanze gassose. Le impurità e i sottoprodotti della reazione diffusi dal substrato possono essere rapidamente rimossi dalla zona di reazione attraverso lo strato limite e il gas di reazione passa rapidamente attraverso lo strato limite per raggiungere la superficie del substrato per la reazione, sopprimendo così efficacemente l'autodrogaggio, preparando pellicole di alta qualità con zone di transizione ripide e migliorando anche l'efficienza della produzione.
3.8 Apparecchiature per la deposizione di vapore chimico potenziate al plasma
La deposizione chimica in fase vapore potenziata dal plasma (PECVD) è un metodo ampiamente utilizzatotecnologia di deposizione di film hin. Durante il processo al plasma, il precursore gassoso viene ionizzato sotto l'azione del plasma per formare gruppi attivi eccitati, che diffondono sulla superficie del substrato e poi subiscono reazioni chimiche per completare la crescita del film.
In base alla frequenza di generazione del plasma, il plasma utilizzato nella PECVD può essere suddiviso in due tipi: plasma a radiofrequenza (plasma RF) e plasma a microonde (plasma a microonde). Attualmente, la frequenza radio utilizzata nel settore è generalmente di 13,56 MHz.
L'introduzione del plasma a radiofrequenza è solitamente divisa in due tipologie: accoppiamento capacitivo (CCP) e accoppiamento induttivo (ICP). Il metodo di accoppiamento capacitivo è solitamente un metodo di reazione al plasma diretto; mentre il metodo di accoppiamento induttivo può essere un metodo al plasma diretto o un metodo al plasma remoto.
Nei processi di produzione di semiconduttori, il PECVD viene spesso utilizzato per far crescere film sottili su substrati contenenti metalli o altre strutture sensibili alla temperatura. Ad esempio, nel campo dell'interconnessione metallica back-end di circuiti integrati, poiché le strutture di source, gate e drain del dispositivo sono state formate nel processo front-end, la crescita di film sottili nel campo dell'interconnessione metallica è soggetta a vincoli di budget termico molto rigidi, quindi di solito viene completato con l'assistenza del plasma. Regolando i parametri del processo al plasma, la densità, la composizione chimica, il contenuto di impurità, la tenacità meccanica e i parametri di stress del film sottile cresciuto da PECVD possono essere regolati e ottimizzati entro un certo intervallo.
3.9 Attrezzatura per la deposizione di strati atomici
La deposizione di strati atomici (ALD) è una tecnologia di deposizione di film sottili che cresce periodicamente sotto forma di uno strato quasi monoatomico. La sua caratteristica è che lo spessore del film depositato può essere regolato con precisione controllando il numero di cicli di crescita. A differenza del processo di deposizione chimica in fase vapore (CVD), i due (o più) precursori nel processo ALD passano alternativamente attraverso la superficie del substrato e vengono efficacemente isolati mediante lo spurgo del gas raro.
I due precursori non si mescoleranno e non si incontreranno nella fase gassosa per reagire chimicamente, ma reagiranno solo attraverso l'adsorbimento chimico sulla superficie del substrato. In ciascun ciclo ALD, la quantità di precursore adsorbito sulla superficie del substrato è correlata alla densità dei gruppi attivi sulla superficie del substrato. Quando i gruppi reattivi sulla superficie del substrato sono esauriti, anche se viene introdotto un eccesso di precursore, l'adsorbimento chimico non avverrà sulla superficie del substrato.
Questo processo di reazione è chiamato reazione autolimitante superficiale. Questo meccanismo di processo rende costante lo spessore del film cresciuto in ogni ciclo del processo ALD, quindi il processo ALD presenta i vantaggi di un controllo preciso dello spessore e di una buona copertura delle fasi del film.
3.10 Attrezzatura per epitassia a fascio molecolare
Il sistema Molecular Beam Epitaxy (MBE) si riferisce a un dispositivo epitassiale che utilizza uno o più raggi atomici o molecolari di energia termica per spruzzare sulla superficie del substrato riscaldato a una certa velocità in condizioni di vuoto ultraelevato e assorbire e migrare sulla superficie del substrato per far crescere epitassialmente film sottili monocristallini lungo la direzione dell'asse cristallino del materiale del substrato. Generalmente, in condizioni di riscaldamento mediante un forno a getto con uno scudo termico, la sorgente del fascio forma un fascio atomico o molecolare e la pellicola cresce strato dopo strato lungo la direzione dell'asse cristallino del materiale del substrato.
Le sue caratteristiche sono la bassa temperatura di crescita epitassiale e lo spessore, l'interfaccia, la composizione chimica e la concentrazione delle impurità possono essere controllati con precisione a livello atomico. Sebbene MBE abbia avuto origine dalla preparazione di film semiconduttori ultrasottili a cristallo singolo, la sua applicazione si è ora estesa a una varietà di sistemi di materiali come metalli e dielettrici isolanti e può preparare III-V, II-VI, silicio, silicio germanio (SiGe ), grafene, ossidi e film organici.
Il sistema di epitassia a fascio molecolare (MBE) è composto principalmente da un sistema di vuoto ultra-alto, una sorgente di fascio molecolare, un sistema di fissaggio e riscaldamento del substrato, un sistema di trasferimento del campione, un sistema di monitoraggio in situ, un sistema di controllo e un test sistema.
Il sistema del vuoto comprende pompe per vuoto (pompe meccaniche, pompe molecolari, pompe ioniche e pompe di condensa, ecc.) e varie valvole, che possono creare un ambiente di crescita ad altissimo vuoto. Il grado di vuoto generalmente ottenibile è compreso tra 10-8 e 10-11 Torr. Il sistema del vuoto dispone principalmente di tre camere di lavoro a vuoto, ovvero la camera di iniezione del campione, la camera di pretrattamento e analisi della superficie e la camera di crescita.
La camera di iniezione del campione viene utilizzata per trasferire i campioni al mondo esterno per garantire le condizioni di alto vuoto di altre camere; la camera di pretrattamento e analisi superficiale collega la camera di iniezione del campione e la camera di crescita e la sua funzione principale è quella di pretrattare il campione (degasaggio ad alta temperatura per garantire la completa pulizia della superficie del substrato) e di eseguire l'analisi preliminare della superficie sul campione pulito; la camera di crescita è la parte centrale del sistema MBE, composta principalmente da un forno sorgente e dal corrispondente gruppo otturatore, una console di controllo del campione, un sistema di raffreddamento, un sistema di diffrazione di elettroni ad alta energia a riflessione (RHEED) e un sistema di monitoraggio in situ . Alcune apparecchiature MBE di produzione hanno più configurazioni di camere di crescita. Di seguito è riportato lo schema della struttura dell'apparecchiatura MBE:
MBE di materiale siliconico utilizza silicio di elevata purezza come materia prima, cresce in condizioni di vuoto ultraelevato (10-10 ~ 10-11 Torr) e la temperatura di crescita è 600 ~ 900 ℃, con Ga (tipo P) e Sb ( Tipo N) come fonti di doping. Le sorgenti di drogaggio comunemente utilizzate come P, As e B sono raramente utilizzate come sorgenti di fascio perché sono difficili da evaporare.
La camera di reazione di MBE ha un ambiente ad altissimo vuoto, che aumenta il percorso libero medio delle molecole e riduce la contaminazione e l'ossidazione sulla superficie del materiale in crescita. Il materiale epitassiale preparato ha una buona morfologia superficiale e uniformità e può essere trasformato in una struttura multistrato con drogaggio diverso o componenti materiali diversi.
La tecnologia MBE consente la crescita ripetuta di strati epitassiali ultrasottili con lo spessore di un singolo strato atomico e l'interfaccia tra gli strati epitassiali è ripida. Promuove la crescita di semiconduttori III-V e altri materiali eterogenei multicomponente. Allo stato attuale, il sistema MBE è diventato un'apparecchiatura di processo avanzata per la produzione di una nuova generazione di dispositivi a microonde e dispositivi optoelettronici. Gli svantaggi della tecnologia MBE sono il lento tasso di crescita del film, gli elevati requisiti di vuoto e gli elevati costi di utilizzo delle attrezzature e delle attrezzature.
3.11 Sistema epitassia in fase vapore
Il sistema epitassia in fase vapore (VPE) si riferisce a un dispositivo di crescita epitassiale che trasporta i composti gassosi su un substrato e ottiene uno strato di materiale monocristallino con la stessa disposizione reticolare del substrato attraverso reazioni chimiche. Lo strato epitassiale può essere uno strato omoepitassiale (Si/Si) o uno strato eteroepitassiale (SiGe/Si, SiC/Si, GaN/Al2O3, ecc.). Attualmente, la tecnologia VPE è stata ampiamente utilizzata nei campi della preparazione dei nanomateriali, dei dispositivi di potenza, dei dispositivi optoelettronici a semiconduttore, del solare fotovoltaico e dei circuiti integrati.
Il VPE tipico include l'epitassia a pressione atmosferica e l'epitassia a pressione ridotta, la deposizione di vapore chimico a vuoto ultraelevato, la deposizione di vapore chimico organico metallico, ecc. I punti chiave della tecnologia VPE sono il design della camera di reazione, la modalità e l'uniformità del flusso del gas, l'uniformità della temperatura e il controllo di precisione, controllo della pressione e stabilità, controllo delle particelle e dei difetti, ecc.
Al momento, la direzione di sviluppo dei principali sistemi VPE commerciali è il caricamento di wafer di grandi dimensioni, il controllo completamente automatico e il monitoraggio in tempo reale della temperatura e del processo di crescita. I sistemi VPE hanno tre strutture: verticale, orizzontale e cilindrica. I metodi di riscaldamento includono il riscaldamento a resistenza, il riscaldamento a induzione ad alta frequenza e il riscaldamento a radiazione infrarossa.
Attualmente, i sistemi VPE utilizzano principalmente strutture a disco orizzontali, che hanno le caratteristiche di una buona uniformità di crescita del film epitassiale e di caricamento di wafer di grandi dimensioni. I sistemi VPE sono solitamente costituiti da quattro parti: reattore, sistema di riscaldamento, sistema di percorso del gas e sistema di controllo. Poiché il tempo di crescita dei film epitassiali di GaAs e GaN è relativamente lungo, vengono utilizzati principalmente il riscaldamento a induzione e il riscaldamento a resistenza. Nel VPE al silicio, la crescita del film epitassiale spesso utilizza principalmente il riscaldamento a induzione; La crescita sottile del film epitassiale utilizza principalmente il riscaldamento a infrarossi per raggiungere lo scopo di un rapido aumento/diminuzione della temperatura.
3.12 Sistema epitassia in fase liquida
Il sistema epitassia in fase liquida (LPE) si riferisce all'apparecchiatura di crescita epitassiale che dissolve il materiale da far crescere (come Si, Ga, As, Al, ecc.) e i droganti (come Zn, Te, Sn, ecc.) in un metallo con un punto di fusione inferiore (come Ga, In, ecc.), in modo che il soluto sia saturo o sovrasaturo nel solvente, quindi il substrato monocristallino viene messo in contatto con la soluzione e il soluto viene precipitato dal solvente mediante raffreddandosi gradualmente, e sulla superficie del substrato viene fatto crescere uno strato di materiale cristallino con struttura cristallina e costante reticolare simile a quella del substrato.
Il metodo LPE è stato proposto da Nelson et al. nel 1963. Viene utilizzato per coltivare film sottili di Si e materiali monocristallini, nonché materiali semiconduttori come gruppi III-IV e tellururo di mercurio-cadmio e può essere utilizzato per realizzare vari dispositivi optoelettronici, dispositivi a microonde, dispositivi a semiconduttore e celle solari .
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Orario di pubblicazione: 31 agosto 2024