В чем разница между эпитаксией и CVD

В процессе осаждения тонких пленок при производстве чипов две технологии часто упоминаются вместе, хотя они фундаментально различны: эпитаксия и химическое осаждение из паровой фазы. Они подобны двоюродным братьям, оба принадлежат к семейству «парообразующих», но имеют разные характеристики и сильные стороны. Иногда они явно разделены; в других случаях они могут трансформироваться друг в друга и сосуществовать при определенных условиях.

I. Фундаментальное отличие: одно — копирование, другое — граффити.

Химическое осаждение из паровой фазы (CVD) является наиболее распространенным методом осаждения тонких пленок. Его принцип прост: газ, содержащий целевой элемент, вводится в реакционную камеру, где на нагретой поверхности пластины происходит химическая реакция, образующая твердую тонкую пленку. Пленки, полученные методом CVD, могут быть поликристаллическими, аморфными или монокристаллическими, в зависимости от условий процесса. Это похоже на покраску стены: независимо от кристаллической структуры стены, краска просто затвердевает, образуя пленку. Диоксид кремния, осажденный методом CVD, нитрид кремния, поликристаллический кремний и т. д. не имеют строгих требований по согласованию решетки с подложкой.

Эпитафия, с другой стороны, является «благородной ветвью» семейства сердечно-сосудистых заболеваний. Его требования гораздо более строгие: осаждаемая пленка должна иметь ту же кристаллическую структуру и ориентацию, что и подложка, при этом атомы «растут» слой за слоем, чтобы идеально повторять расположение решетки подложки. Эпитаксия подобна использованию одного и того же шаблона для копирования кирпичей: вновь построенная стена должна идеально совпадать со швами кирпичей старой стены. Эпитаксиальные слои обычно представляют собой монокристаллический кремний, германий-кремний, карбид кремния и т. д., используемые для создания ключевых структур, таких как активная область и гетеропереходы транзисторов.

Проще говоря, всякая эпитаксия — это CVD, но не всякая CVD — эпитаксия. Эпитаксия - это режим «монокристаллической репликации» сердечно-сосудистых заболеваний, достигаемый в определенных условиях.

II. Различия в условиях процесса

CVD имеет очень широкое окно процесса. Температуры могут варьироваться от комнатной температуры до тысяч градусов Цельсия, давление от атмосферного давления до нескольких Паскалей, а типы газов чрезвычайно разнообразны. Любой процесс, который позволяет газу вступать в реакцию и образовывать тонкую твердую пленку, можно назвать CVD. CVD с плазменным усилением может наносить нитрид кремния при 300–400 ° C, CVD низкого давления при 600–700 ° C и CVD атмосферного давления при температурах выше 900 ° C, осаждая диоксид кремния. CVD практически не предъявляет требований к подложке: можно наносить кремний, стекло, металлы и даже пластики (в условиях низких температур).

С другой стороны, эпитафия имеет гораздо более узкое окно процесса. Чтобы вырастить идеальный монокристаллический слой, необходимо соблюдение трех жестких условий.

Во-первых, подложка должна быть монокристаллической. Эпитаксиальный слой является продолжением кристаллической решетки подложки; если сама подложка поликристаллическая или аморфная, монокристаллический эпитаксиальный слой вырастить невозможно.

Во-вторых, температура должна быть достаточно высокой. Для эпитаксии кремния температура обычно составляет 1000–1200°C; для эпитаксии карбида кремния температура может достигать даже 1500-1600°С. Высокая температура обеспечивает достаточную поверхностную подвижность адсорбированных атомов, позволяя им находить правильные положения в кристаллической решетке.

В-третьих, темпы роста должны быть медленными. Слишком высокая скорость приведет к тому, что атомам не хватит времени «выстроиться в линию», что приведет к образованию поликристаллических структур или дефектов. Типичные скорости роста при эпитаксии кремния составляют 0,1-1 микрометра в минуту, тогда как скорость осаждения CVD поликристаллического кремния может легко достигать 10 микрометров в минуту.

Кроме того, эпитаксия требует чрезвычайно высокой чистоты камеры; любой атом примеси может стать дефектным центром, нарушая целостность монокристалла.

III. Взаимная конверсия

При определенных условиях эпитаксия и CVD могут взаимопревращаться.

От CVD к эпитаксии: если подложка представляет собой монокристаллический кремний, а температура осаждения достаточно высока, а скорость роста достаточно медленная, процесс CVD, который обычно производит поликристаллический кремний, может быть преобразован в монокристаллическую эпитаксию. Например, осаждение силаном при температуре ниже 900°С дает поликристаллический кремний; повышение температуры до 1050°C при понижении парциального давления силана позволяет вырастить монокристаллический эпитаксиальный слой на подложке монокристаллического кремния. Это фундаментальный принцип эпитаксиального роста: увеличивая скорость поверхностной диффузии, атомы получают возможность «найти» позиции решетки.

От эпитаксии к CVD: если температура недостаточно высока или скорость роста слишком высока, эпитаксиальный процесс «перерождается» в поликристаллическое или аморфное осаждение. Например, попытка эпитаксиального выращивания кремния при низких температурах может привести к получению аморфного кремния; эпитаксия при высоких скоростях может привести к введению поликристаллических компонентов. В промышленности эту «деградацию» иногда намеренно используют для выращивания тонких пленок поликристаллического кремния. Например, при заполнении траншей слой аморфного кремния сначала осаждается при низкой температуре в качестве буфера, а затем отжигается при высокой температуре для его кристаллизации.

IV. Сосуществование и симбиоз

В передовых производственных процессах эпитаксия и CVD часто сосуществуют на одном и том же оборудовании и даже взаимодействуют на одном и том же этапе процесса.

Типичным примером является селективная эпитаксия. В процессах подъема исток-сток эпитаксиальный кремний необходимо избирательно выращивать в открытых областях монокристаллического кремния, в то время как в областях изоляции диоксида кремния или нитрида кремния ничего не растет. На самом деле этот процесс представляет собой «конкуренцию» между эпитаксией и CVD: на поверхности монокристаллического кремния атомы могут быстро мигрировать и находить положения решетки, образуя эпитаксиальный слой; на изолирующих поверхностях зарождение атомов происходит медленно, и окончательно осажденный поликристаллический или аморфный материал может быть выборочно вытравлен.

Непрерывное осаждение эпитаксии и поликристаллов. При производстве 3D NAND иногда необходимо сначала эпитаксиально вырастить монокристаллический кремний в качестве затравочного слоя, а затем переключиться в режим CVD для осаждения поликристаллического кремния для заполнения траншей. Одно и то же эпитаксиальное оборудование может свободно переключаться между монокристаллическим и поликристаллическим режимами, регулируя температуру и соотношение газов.

Эпитаксия + осаждение в технологии напряженного кремния: германий-кремний эпитаксиально выращивается в областях истока и стока PMOS, и одновременно на него методом CVD наносится площадка для напряжений из нитрида кремния. Эти два фактора работают вместе, создавая сжимающее напряжение в канале и улучшая подвижность скважины.

V. Заключение

Эпитаксия и CVD представляют собой два различных подхода: один — стремление к «идеальной репликации на атомном уровне», а другой — прагматизм «эффективного формирования пленки». Они разделяют фундаментальные принципы газофазных химических реакций, но значительно различаются по качеству кристаллов, температурному диапазону и скорости роста. Регулируя температуру и скорость, их можно конвертировать друг в друга; благодаря продуманному дизайну процесса они могут сосуществовать на одном устройстве и работать в одном процессе. Именно это гармоничное сотрудничество между этими двумя двоюродными братьями позволяет чипам обладать как идеальными монокристаллическими каналами, так и плотными поликристаллическими затворами и изолирующими диэлектрическими слоями, поддерживая великолепное здание из миллиардов транзисторов, работающих вместе.

Semicorex предлагает высококачественныеПродукты для покрытия CVD. Если у вас есть какие-либо вопросы или вам нужна дополнительная информация, пожалуйста, не стесняйтесь обращаться к нам.

Контактный телефон +86-13567891907.

Электронная почта: sales@semicorex.com